PXE 技术：PXE 自动装机技术分享本篇文章取自公司内部的PXE自动装机技术分享，对 PXE 、PXE 组件及技术应用

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一、PXE

1. 概述

PXE （Preboot eXecution Environment）也叫预启动执行环境，由 intel 和 systemsoft 提出规范并进行描述，提供了用网络接口（NIC）来引导计算机启动的机制，能够不依赖本地存储设备，比如硬盘或本地已安装的系统。
PXE 环境使用多种 C/S 架构协议，如 DHCP 和 TFTP。
- PXE 客户端程序，由 NIC 网卡固件实现，提供基本的通用网络设备接口 (UNDI)、简约的 UDP/IP 堆栈、预引导 (DHCP) 客户端模块和 TFTP 客户端模块，共同形成 PXE 应用程序编程接口（ APIs）。在与 PXE 服务端交互时，由 NBP（Network Bootstrap Program，网络引导程序，也叫 bootloader）使用。

2. PXE 架构

PXE 客户端：即 PXE client，指需要通过网络接口引导启动的服务器主机，需要网卡固件支持 PXE 引导启动。
PXE 服务端：即 PXE server，指提供 DHCP、TFTP 服务端的服务器主机，同时也要提供 NBP 程序（也叫 bootloader）以及其他引导启动相关的软件或文件包。

3. PXE 服务端组件

DHCP 服务：
- 使用 DHCP 动态主机设置协议，在 PXE 环境中的主要功能是为 PXE 客户端自动分配 IP 地址，并告知其 TFTP 服务端的 IP 地址。
- 端口号：服务端 67/UDP，客户端 68/UDP
TFTP 服务：
- 使用 TFTP 普通文件传输协议，主要功能是允许客户端从 PXE 服务端下载文件（如，bootloader、内核及内存文件系统镜像等等）
- 端口号：69/UDP
NBP 网络引导程序：
- 也叫 bootloader 引导加载程序，主要功能有提供引导菜单的扩展功能、脚本功能，加载 kernel 内核、解压 initramfs 内存文件系统等功能。
- 常见的 NBP 程序：
  - SYSLINUX 的 PXELINUX
  - GRUB2
  - iPXE

二、引导启动流程

1. 硬盘引导启动流程

CentOS7系统引导启动示意图.png

电源启动
CPU 从 ROM 中执行 BIOS。
BIOS 执行 POST 开机自检，确认启动顺序，读取 MBR 信息，激活引导加载程序（bootloader 第一阶段）。
引导加载程序，查询分区表，从可引导分区加载 GRUB2 到 RAM 中执行（bootloader 第一阶段）。
GRUB2 提供内核选择菜单及内核启动参数，加载 kernel 内核镜像，解压 initramfs 内存文件系统到 RAM ，移交控制权给内核（bootloader 第二阶段）。
内核 Kernel 侦测硬件，通过 initramfs 内存文件系统加载驱动，切换挂载实际根文件系统，运行 Systemd 。
Systemd 根据 default.target 执行系统启动流程。

2. PXE 引导启动流程

以主板固件为 BIOS，Bootloader 为 pxelinux 举例： PXE引导启动流程.png

电源启动
CPU 从 ROM 中执行 BIOS。
BIOS 执行 POST 开机自检，确认引导启动顺序，加载 PXE Client的网卡固件系统。
PXE Client，发送广播请求，向网络中的 DHCP 服务器申请 IP 。
DHCP 服务器，验证 PXE Client 请求，为 Client 分配 IP 地址，并提供 Bootloader 文件位置（告知其 TFTP 服务端 IP 地址 + Bootloader filename）。
PXE Client 请求下载 pxelinux.0（Bootloader），并加载到 RAM 中执行。
pxelinux.0 请求下载 pxelinux.cfg 相关配置文件，并根据规定顺序进行读取。
pxelinux.0 提供内核选择菜单（如果有）及内核启动参数，加载 kernel 内核镜像，解压 initramfs 内存文件系统到 RAM ，移交控制权给内核。
内核根据启动参数，下载和读取自动应答文件 ks.cfg，然后执行自动安装流程。
安装完成后，系统自动重启。

提示：如何主板固件系统是 UEFI，区别就是将 Bootloader 替换成 syslinux.efi 来支持此模式引导，并在 DHCP 服务器配置中修改 filename。

三、PXE 技术应用

参考文章：

Server 端组件配置说明

以主板固件为 BIOS，Bootloader 为 pxelinux，系统版本为 CentOS 7 举例：

PXE 软件包安装

$ yum -y install xinetd syslinux dhcp tftp-server httpd rsync

DHCP 服务也可以使用 dnsmasq

DHCP

dhcpd 配置文件

$ cp /etc/dhcp/dhcpd.conf /etc/dhcp/dhcpd.conf.bak 
$ cat > /etc/dhcp/dhcpd.conf <<EOF 
ddns-update-style none;
subnet 192.168.3.0 netmask 255.255.255.0 {				# 子网及掩码
     option routers             192.168.3.1;
     option domain-name-servers 192.168.3.10;				# 路由网关
     option subnet-mask         255.255.255.0;
     range dynamic-bootp        192.168.3.100 192.168.3.254;            # dhcp地址池范围
     default-lease-time         21600;
     max-lease-time             43200;
     next-server                192.168.3.10;				# tftp 地址
     class "pxeclients" {
          match if substring (option vendor-class-identifier, 0, 9) = "PXEClient";
          if option pxe-system-type = 00:00 {
                  filename "pxelinux.0";				# 网络引导程序（bios）
          } else {
                  filename "syslinux.efi";                              # 网络引导程序（uefi）
          }
     }
}
EOF

$ systemctl start dhcpd
$ systemctl enable dhcpd

Dnsmasq 配置文件

# config dnsmasq
# [log]
log-queries
log-facility=/var/log/dnsmasq.log
log-async=20

# [tftp]						# 提供 tftp 服务，无需单独安装
enable-tftp
tftp-root=/tftpboot

# [dhcp]
dhcp-hostsdir=/etc/dnsmasq_client
interface=ens34                         # 配置 DHCP 的网卡接口
bind-interfaces
listen-address=10.0.0.5,127.0.0.1
dhcp-range=10.0.0.100,10.0.0.200,255.255.255.0,24h
dhcp-lease-max=1000
dhcp-authoritative
dhcp-option=3,10.0.0.1			# 3 = router 网关地址 (参数号与参数名对应关系见下表)
dhcp-option=6,10.0.0.5			# 6 = dns 服务器地址
dhcp-option=66,10.0.0.5			# 66 = tftp 服务器地址

# [pxe path]
# set 可设置 tag，当后面给定数值时，只有当选项被发送并且与值匹配时，才会设置标签
dhcp-match=set:bios,option:client-arch,0			# 0 = Standard PC BIOS（参考RFC 4578 https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4578，本卡片后面也有简略介绍） 
dhcp-boot=tag:bios,pxelinux.0					# 是 bios，用 pxelinux.0
dhcp-boot=tag:!bios,syslinux.efi				# 不是 bios (是 uefi)，用 syslinux.efi (syslinux latsest 版本有提供)

RFC 4578 可用于区分客户端的固件系统是 BIOS 还是 UEFI：

TFTP

安装：
- CentOS：yum -y install tftp-server xinetd
  - tftp 依赖于 xinetd 服务
- Ubuntu：apt-get install tftpd-hpa
配置：

# CentOS
$ vim /etc/xinetd.d/tftp
service tftp 
{ 
	socket_type 	= dgram 
	protocol 		= udp 
	wait 			= yes 
	user 			= root 
	server 			= /usr/sbin/in.tftpd 
	server_args 	= -s /var/lib/tftpboot 
	disable 		= no #默认为yes,这里我们将其更改为no 
	per_source 		= 11 
	cps 			= 100 2 
	flags 			= IPv4 
}
$ systemctl restart xinetd

# Ubuntu
$ vim /etc/default/tftpd-hpa
TFTP_USERNAME="tftp"
TFTP_DIRECTORY="/var/lib/tftpboot"
TFTP_ADDRESS=":69"
TFTP_OPTIONS="-l -c -s"
#-c: Allow new files to be created
#-s: Change  root  directory  on startup.
#-l:  Run the server in standalone (listen) mode, rather than run from inetd.
$ systemctl restart tftpd-hpa

PXELINUX

pxelinux.0

# 通过 rpm 安装 syslinux
$ yum -y install syslinux
$ cp /usr/share/syslinux/pxelinux.0 /var/lib/tftpboot/
$ cp /usr/share/syslinux/menu.c32 /var/lib/tftpboot/

# 下载指定版本 syslinux 的二进制包
$ wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/utils/boot/syslinux/6.xx/syslinux-6.03.zip
$ unzip -d syslinux syslinux-6.03.zip

## BIOS
$ cp syslinux/bios/core/pxelinux.0 /var/lib/tftpboot/
$ cp syslinux/bios/com32/menu/menu.c32 /var/lib/tftpboot/

## UEFI
$ cp syslinux/efi64/efi/syslinux.efi /var/lib/tftpboot/
$ cp syslinux/efi64/com32/elflink/ldlinux/ldlinux.e64 /var/lib/tftpboot/
$ cp syslinux/bios/com32/menu/menu.c32 /var/lib/tftpboot/

pxelinux.cfg 引导文件选择顺序:
配置文件解释:

# 使用文本模式的简单菜单系统（vesamenu.c32 为图形）
DEFAULT menu.c32

# 是否等待用户选择：
# "1" 表示等待用户选择，界面会出现"boot: "提示符，用户需敲回车确认。
# "0" 表示直接启动 "default" 参数中指定的内容。
PROMPT 0

# 等待用户输入的超时时间，单位为 1/10 秒，600表示60秒（）
TIMEOUT 30

# 指定默认的 label
DEFAULT CentOS-7.5-x86_64

LABEL CentOS-7.5-x86_64
  # 菜单标签名
  MENU LABEL ^CentOS2-7.5-x86_64
  
  # 设置为默认菜单
  MENU DEFAULT

  # 指定内核文件 
  KERNEL vmlinuz
  
  # 指定初始化内存文件系统
  INITRD initrd.img

  # 向内核追加命令行参数（指定内核相关的参数）
  # ks : 指定ks文件位置 (centos or redhat)
  # biosdevname=0 + net.ifnames=0: 让网卡继续使用 eth0 命名
  APPEND ks=http://192.168.3.10/ks.cfg net.ifnames=0 biosdevname=0

  # 指定安装程序应该使用与系统启动时相同的网络接口。
  # 目的是为了让系统启动时用 pxe 网卡作为eth0。
  IPAPPEND 2

MENU end

Kernel + ISO 镜像挂载

# # 挂载镜像（iso镜像需要自己手动上传到服务器）
$ mkdir /var/www/html/centos7
$ mount -o loop /root/CentOS-7-x86_64-DVD-1804.iso /var/www/html/centos7

# # 拷贝 kernel + initrd
$ cp /var/www/html/centos7/os/x86_64/images/pxeboot/{vmlinuz,initrd.img} /var/lib/tftpboot/

# # 启动 httpd 服务
$ systemctl restart httpd
$ systemctl enable httpd

kickstart

#platform=x86, AMD64, or Intel EM64T
#version=CentOS7
# Install OS instead of upgrade #全新安装而不是升级
install
# Keyboard layouts
keyboard 'us'
# Root password
rootpw --iscrypted $1$uMOl6YMI$7AAO8YG7l37ipRXCmmame. #采用加密记录
#rootpw --plaintext 12456 #采用明文记录
# System language
lang en_US
# Firewall configuration #屏蔽防火墙
firewall --disabled
# System authorization information #设定NIS信息
auth  --useshadow  --passalgo=sha512 --enablenis --nisdomain=mydomain.org --nisserver=192.168.100.254
# Use text mode install #安装方式，文本界面，图形的话graphy
text
# SELinux configuration #关闭SELinux
selinux --disabled
# Do not configure the X Window System #不配置X图形界面
skipx

# Use NFS installation media #设定安装方式
# nfs --server=192.168.100.254 --dir=/centos
# Use http installation source
url --url=http://192.168.3.10/centos7/
# Network information #采用DHCP获取IP
network  --bootproto=dhcp --device=eth0 --onboot=on
# Reboot after installation 
#安装后自动重启，如果BIOS中设置从PXE首先启动，那么会重复安装，请注意，安装后应设置为从先硬盘启动
reboot
# System timezone
timezone Asia/Shanghai
# System bootloader configuration
bootloader --location=mbr --append="net.ifnames=0" --boot-drive=sda
# Partition clearing information #清除原有分区
clearpart --all --initlabel
# Disk partitioning information
zerombr
# autopart --type=lvm 自动分区
part / --fstype="xfs" --size=10000
part /boot --fstype="xfs" --size=200
#part /boot/efi --fstype=efi --size=200 #UEFI引导安装时需要，传统LEGACY引导时可屏蔽此选项
part swap --fstype="swap" --size=8000
part /tmp --fstype="xfs" --grow --size=1

%packages #设定所需要的软件包，按需要调整
@base #@表示一组软件包
@network-server
@performance
@system-admin-tools	
@^minimal	# 最小化安装
@core		# 核心软件包
sdparm
tree
tuned
tuned-utils
ypbind
nfs-utils
vim-enhanced
#-表示从默认软件包的需要去除的软件包
-lvm2
-nano
-pcmciautils
-plymouth
-rfkill
-rsync
-system-config-firewall-tui
-system-config-network-tui
-unzip
-vconfig
-wireless-tools
%end #%packages结尾

%pre #预安装脚本，非必须
date
%end #%pre结尾

%post #安装后脚本，非必须
cat >>/root/.bashrc <>/etc/fstab
%end #%post结尾

文件需要放在 /var/www/html 目录下，由 httpd 提供下载服务。

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