Introduction

這是 LinuxBoot 專案的官方「LinuxBoot 書籍」。這本書：

  • Describes the LinuxBoot concept and various implementations
  • Explains why you would want to use a LinuxBoot boot loader
  • Describes the components that can comprise a LinuxBoot boot loader and how to combine them
  • Highlights the differences between LinuxBoot and other designs

什麼是 LinuxBoot？

LinuxBoot 的想法是用 Linux 核心和基於社群的用戶空間（user-space） 取代專有或企業主導的後期啟動韌體。這個想法逐漸發展成為一個項目，多年來包括各種舉措，其總體目標是從晦澀複雜的韌體轉變為更簡單和開源的韌體。

The LinuxBoot project provides two reference implementations; linuxboot and Heads. The linuxboot build system outputs a boot payload consisting of a Linux kernel and an initramfs that contains a minimal Go user-space built using u-root.

Heads 構建系統更側重於本地證明（local attestation）、TPM DUK 密封/解封（seal/unseal）操作、基於 GPG 的安全措施、可重現構建（reproducible builds），並使用 BusyBox 提供更大的 Linux 工具套件，使其也可以用作修復環境（recovery environment）。

許多其他實作獨立於專案而存在：

  • petitboot 屬於 OpenPOWER 項目，最初針對的是 PS3
  • k-boot 由 BayLibre 於 2023 年使用 BusyBox 開發
  • nmbl 由 RedHat 於 2024 年開發
  • ZFSBootMenu

此外，過去也曾有許多類似的實作，其中包含一些已不再維護的專案：

  • Alpha 版 MILO 於 2000 年之前就已啟動（請參閱什麼是 MILO？）
  • kboot 由 Werner Almesberger 於 2005 年開發

These projects all attempt to reduce the role of firmware to a small, fixed-function core whose only purpose is to get a flash-based Linux kernel started. This “bare essentials” firmware prepares the hardware and starts a Linux kernel and a user-space environment will run on the machine.

為什麼需要 LinuxBoot

有時候，韌體會包含驅動程式和工具程式（utilities）。這些元件可能存在漏洞，或是已無人維護，進而成為問題或資安風險的來源。LinuxBoot 以 Linux 驅動程式取代了供應商提供的專有閉源韌體驅動（proprietary, closed-source firmware drivers），讓開發 Linux 驅動與韌體驅動的工程師能專注於同一套驅動程式。如此一來，這些驅動程式將擁有更多的貢獻者 (contributors) 與審閱者（reviewers），又因為它們是 Linux 的一部分，能夠運用業界標準的開發流程與工具（standard industry coding infrastructure）來持續改善。最終，由於這些 Linux 驅動目前已在大量系統上長時間穩定運作（run around the clock at scale），其錯誤率也會相對較低。

LinuxBoot 的功能

LinuxBoot 以 Linux 應用程式取代了統一可擴充韌體介面（Unified Extensible Firmware Interface，UEFI）與其他韌體中大量的驅動程式執行環境（Driver Execution Environment，DXE）模組，特別是網路協定堆疊（network stack）和檔案系統（file system）模組。

LinuxBoot 將 Linux 核心（Linux kernel）作為快閃記憶體（flash ROM）中的驅動程式執行環境（Driver Execution Environment, DXE）啟動，而非傳統的 UEFI shell。接著，Linux 核心可透過隨附的基於 Go 的使用者空間（user-space）來載入運行時核心（runtime kernel）。LinuxBoot 的架構（paradigm）使得傳統的韌體應用程式（例如開機載入器、偵錯工具、診斷與錯誤偵測應用程式）能夠以跨架構、跨平台的可攜式 Linux 應用程式形式實作。

當 Linux 啟動時，它需要一個包含工具程式（utilities）的根檔案系統（root file system）。LinuxBoot 使用的其中一種根檔案系統是基於使用 Go 語言編寫的 u-root 標準工具程式（standard utilities）。下圖顯示了目前 UEFI 啟動過程的狀況，以及計畫中的 LinuxBoot 過渡流程。

comparison of UEFI boot and LinuxBoot

在 UEFI 伺服器上使用 LinuxBoot 的好處

大多數伺服器韌體基於 Intel 的通用可擴展韌體介面 (UEFI)。與 UEFI 相比，LinuxBoot 具有以下優點：

可靠性

  • 透過使用強化的 Linux 驅動程式取代未經充分測試的韌體驅動程式來提高啟動可靠性
  • 近 20 年來，在軍事、消費性電子和超級電腦領域，可靠性和性能至關重要的領域，該實踐方法已得到驗證
  • 容錯 - Linux 隔離程序** **（例如，當「pxeboot」發生災難性故障時，「diskboot」仍然可以運作）

安全性

  • 將“Ring 0”引導程式（bootloaders）移至“Ring 3”
  • pxeboot 和 diskboot 在使用者空間（user-space）進行解析和其他邏輯處理
  • Go 提供記憶體安全和類型安全（type safety）
    • 有缺陷的解析器（parser）不太可能影響其他程式
  • 核心安全性補丁（patches）可應用於韌體

靈活性

  • 可與 coreboot、u-boot、OpenPOWER 抽象層 (OpenPOWER Abstraction Layer, OPAL)、SlimBootLoader、ARM 可信任韌體 (Arm Trusted Firmware, ATF) 搭配
  • 可啟動多個作業系統（Linux、Berkeley UNIX（BSD）、XEN、Windows）
  • 支援以下伺服器主機板：
    • QEMU 模擬的 Q35 系統
    • Intel S2600WF
    • Dell R630
    • Winterfell Open Compute node
    • Leopard Open Compute node
    • Tioga Pass Open Compute node
    • Monolake Open Compute node（未經測試）

啟動速度

  • 透過移除不必要的程式碼來提升啟動時間；通常能使啟動速度提高 20 倍

客製化

  • 允許自訂 initramfs 運行時，支援特定環境的需求（包括裝置驅動程式和自訂執行檔）

工程生產力

  • 編寫一次驅動程序，無需編寫兩次
    • Linux 是 開放、可衡量、可重現且易於更新的
    • Linux 已經為幾乎所有東西提供了驅動程式
  • 核心（kernel）工程師=韌體工程師
    • 了解 Linux 的工程師比了解 UEFI 的工程師多得多
  • 減少建置時間
    • initramfs 需要 30 秒
    • 核心需要 15 秒（增量式）
    • 大約 15 秒 重新包裝 bios 映像檔（使用 fiano/utk）
    • 總計：約 1 分鐘 用於新的完整 BIOS 映像，可供測試
  • 測試和除錯
    • diskboot 和 pxeboot 已經有單元測試 （unit tests）
    • 使用 Linux 資源（如網路）使編寫測試更容易
    • u-root 等開源專案遵循優秀的軟體實踐，例如對每個提交的變更執行自動化測試
    • 更容易除錯的 Go 用戶空間（user-space）應用程式
    • 使用 QEMU 中的核心進行測試