리눅스 부팅순서

Updated September 1, 2022

개요

리눅스의 부팅순서를 설명한다.

서버의 전원 버튼을 누르고 몇 분이 지나면 로그인 프롬프트가 뜬다는 사실은 모두가 알고 있다. 우리가 전원 버튼을 누르고 로그인 프롬프트가 뜨기 전 까지의 과정을 처음부터 따라가보자.

참고사항

리눅스의 부팅순서, RAID의 각 레벨별 설명은 시스템 엔지니어 면접시 단골 질문이기도 하고 OS 트러블슈팅 시 실제로 많은 도움이 되기 때문에 반드시 알아두는 게 좋다.

여담

내 경험으로는 AWS의 Data Center Technician 포지션 면접 때 받은 질문이 “각 RAID 레벨별 동작방식을 설명하시오.“였다.
물론 이걸 영어로 답변해야한다. ~~그래서 광탈해버렸다.~~

요약

리눅스 부팅순서는 크게 6단계로 구분할 수 있다.

#	Name	Description
1	BIOS	BIOS가 MBR을 실행한다.
2	MBR	MBR^{Master Boot Record}가 GRUB을 실행한다.
3	GRUB	GRUB^{Grand Unified Bootloader}가 Kernel을 실행한다.
4	Kernel	Kernel이 `/sbin/init`을 실행한다.
5	Init	Init 프로세스가 런레벨 프로그램들을 실행한다.
6	Runlevel	런레벨 프로그램들이 `/etc/rc.d/rc*.d`를 실행한다.

각 단계별 상세설명

1. BIOS

BIOS는 Basic Input/Output System^{기본 입출력 시스템}의 약자이다.
일부 시스템 무결성 검사를 수행한다.
부트로더 프로그램을 검색, 로드 및 실행한다.
BIOS는 플로피, CD-ROM 또는 하드 드라이브에서 부트 로더를 찾는다.
BIOS 시작 중에 키(일반적으로 F2 또는 F12이며 시스템마다 다르다)를 눌러 부팅 순서를 변경할 수 있다.
부트 로더 프로그램이 감지되어 메모리에 로드되면 BIOS가 이를 제어한다.
요약 : BIOS는 MBR 부트 로더를 불러오고 실행하는 역할을 한다.

2. MBR

MBR은 마스터 부트 레코드(Master Boot Record)의 약자이다.
MBR은 부팅 디스크의 첫 번째 섹터에 위치해있다. 일반적으로 첫번째 디스크 장치명을 의미하는 /dev/hda 또는 /dev/sda이다.
MBR은 크기가 512바이트이다. 여기에는 세 가지 구성 요소가 있다.
1. Bootstrap code : 446bytes 크기의 첫번째 부트 로더 정보
2. Partition table : 64bytes 크기의 파티션 테이블 정보
3. Signature : 마지막 2바이트는 MBR 유효성 체크 영역으로 항상 0x55AA 값이 들어간다. (Signature 값이 0x55AA가 아닌 다른 값일 경우 부팅시 Operating System not found 에러와 함께 부팅이 불가능하다.)
MBR에는 GRUB(구 시스템의 경우 LILO)에 대한 정보가 들어 있다.
요약 : MBR은 GRUB 부트 로더를 로드하고 실행한다.

3. GRUB

GRUB은 Grand Unified Bootloader의 약자이다.
시스템에 여러 개의 커널 이미지가 설치된 경우 실행할 이미지를 선택할 수 있다.
GRUB는 부팅시 시작 화면을 표시하고 사용자가 리눅스 커널 선택을 할 때까지 몇 초 동안 기다린다. 아무 선택도 하지 않으면 grub 설정파일에 지정된 대로 기본 커널 이미지를 로드한다.
GRUB은 파일 시스템에 대한 정보를 갖고 있다. 구버전의 리눅스 부트로더인 LILO(Linux Loader)는 파일 시스템을 이해하지 못했다.

GRUB의 설정 파일은 /boot/grub/grub.conf이다. (/etc/grub.conf는 이 파일에 대한 링크파일). 다음은 CentOS의 grub.conf 샘플이다.

#boot=/dev/sda
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz
hiddenmenu
title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)
          root (hd0,0)
          kernel /boot/vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/
          initrd /boot/initrd-2.6.18-194.el5PAE.img

위의 정보에서 알 수 있듯이 GRUB 설정파일에는 커널과 initrd 이미지가 포함되어 있다.
요약 : GRUB은 커널 및 initrd 이미지를 불러오고 실행한다.

4. Kernel

GRUB 설정파일(grub.conf)의 root=에 지정된 대로 루트 파일 시스템을 디스크 장치에 마운트한다.
리눅스 커널은 /sbin/init 프로세스를 실행한다.
init는 리눅스 커널에서 실행되는 첫 번째 프로그램이기 때문에 프로세스 ID(PID)가 1이다.
시간날 때 쉘에서 ps -ef | grep init 명령어를 입력해서 init 프로세스의 pid를 직접 확인해보자.
initrd는 초기 RAM 디스크^{initial ram disk}의 약자로 메모리 상의 가상 디스크이다.
initrd는 리눅스 커널이 부팅되고 실제 루트 파일 시스템이 마운트될 때까지 커널에 의해 임시 루트 파일 시스템으로 사용된다.
initrd는 initramfs이라는 파일시스템을 갖고 있다. initramfs은 리눅스 커널이 초기에 동작할때 필요한 드라이버나 프로그램, 바이너리 파일 등을 가지고 있어 하드 드라이브 파티션 및 기타 하드웨어에 액세스하는 데 도움을 준다.

5. Init

/etc/inittab 설정파일을 참조해 Linux 운영체제의 실행 수준(Runlevel)을 결정한다.

다음은 리눅스 서버에서 사용 가능한 Runlevel 목록이다.

Runlevel	설명
0	종료 (Halt)
1	단일 사용자 모드 (Single user mode)
2	NFS가 없는 다중 사용자 (Multiuser, without NFS)
3	전체 다중 사용자 모드 (Full multiuser mode)
4	미사용 (unused)
5	X11 (GUI)
6	재부팅 (Reboot)

대부분의 리눅스 서버는 Runlevel을 3 또는 5로 설정해서 운영한다.
Init 프로세스는 /etc/inittab 설정파일에서 기본 Runlevel을 확인한 후 각 레벨에 맞게 프로그램들을 로드한다.
시스템에서 grep initdefault /etc/inittab 명령어를 실행하면 Runlevel 기본 설정을 확인할 수 있다.
```
# In terminal
$ grep initdefault /etc/inittab
id:3:initdefault:
```
스스로 시스템 장애를 만들고 싶다면 /etc/inittab 설정파일을 열어 Default Runlevel을 0 또는 6 으로 설정하면 된다.
이제 우리는 Runlevel 0과 6이 무엇을 의미하는지 알기 때문에 아마도 그렇게 하지는 않겠지만.

6. Runlevel programs

Linux 시스템이 부팅될 때 다양한 서비스가 자동 시작되는 걸 확인할 수 있다.
예를 들어 starting sendmail … OK와 같은 메세지가 이에 해당한다. 이러한 프로그램들은 Runlevel 디렉토리(/etc/rc.d/rc*.d/)에 의해 자동실행되는 프로세스들이다.
기본 초기화 레벨^Runlevel 설정에 따라 시스템은 다음 디렉토리 중 하나를 골라 그 안에 나열된 프로그램들을 순차적으로 실행한다.
- 실행 레벨 0 – /etc/rc.d/rc0.d/
- 실행 레벨 1 – /etc/rc.d/rc1.d/
- 실행 레벨 2 – /etc/rc.d/rc2.d/
- 실행 레벨 3 – /etc/rc.d/rc3.d/
- 실행 레벨 4 – /etc/rc.d/rc4.d/
- 실행 레벨 5 – /etc/rc.d/rc5.d/
- 실행 레벨 6 – /etc/rc.d/rc6.d/
/etc 하위에 직접 이 디렉토리에 사용할 수 있는 심볼릭 링크도 있다. 따라서 /etc/rc0.d는 /etc/rc.d/rc0.d에 연결되어 있다.
/etc/rc.d/rc*.d/ 디렉토리에서 첫글자가 S와 K로 시작하는 프로그램들을 볼 수 있다.
```
# === 예시 ===
S12syslog
S80sendmail
K02NetworkManager

# === 해석방법 ===
S 12 syslog
- -- ------
|  |   +---> 실행할 프로그램 이름
|  +-------> 시퀀스 번호 (숫자가 낮을수록 먼저 실행)
+----------> 시작 S=Startup or 종료 K=Kill
```
- 첫글자가 S로 시작하는 프로그램은 자동적으로 시작^Startup 된다.
- 첫글자가 K로 시작하는 프로그램은 자동적으로 종료^Kill 된다.
- 프로그램 이름에서 S와 K 바로 옆에 숫자가 있다. 프로그램이 시작되거나 종료되어야 하는 시퀀스 번호이다.
예를 들어, S12syslog는 시퀀스 번호가 12인 syslog 데몬을 시작한다.
S80sendmail은 시퀀스 번호가 80인 sendmail 데몬을 시작한다.
시스템이 부팅될 때 syslog 프로그램은 sendmail의 시퀀스 번호 80보다 더 낮은 12이기 때문에 sendmail 프로그램보다 먼저 시작된다.

이상으로 리눅스 부팅순서에 대해 알아보았다.