Linux之PXE网络安装

概述

PXE（Preboot Execution Environment，预启动执行环境）是一种通过网络启动计算机的技术。它允许客户端（目标机器）从服务器获取操作系统镜像并完成安装，而无需本地存储介质（如光盘或U盘）。PXE 常用于批量部署操作系统，特别是在数据中心和企业环境中。

• 适用场景：
  • 无盘工作站（Diskless Workstation）。
  • 远程安装操作系统（如批量部署服务器或桌面）。
  • 系统恢复或故障诊断。
  • 虚拟化环境中的快速克隆。
• 优势：
  • 无需本地存储即可启动。
  • 集中管理，便于批量部署和更新。
  • 支持多系统选择和自动化安装。

核心组件及准备

在开始 PXE 安装之前，需要搭建一个支持 PXE 的网络环境，并配置相关的服务。

硬件准备

• 客户端：支持 PXE 的网卡（大多数现代主板都支持），且 BIOS/UEFI 支持网络引导。。
• 服务器：一台运行 DHCP、TFTP 和 HTTP/FTP/NFS 服务的服务器。
• 网络：客户端和服务器需连接在同一局域网中。

软件准备

• PXE 引导 ROM：网卡或主板的固件中内置的 PXE 启动代码，负责发起 DHCP/TFTP 请求等。
• DHCP 服务器：为客户端分配 IP 地址，并提供 PXE 引导所需的参数（如 TFTP 服务器地址和启动文件名）。
• TFTP 服务器：提供引导文件（如 pxelinux.0、grubx64.efi）、内核文件（vmlinuz）、初始化镜像文件（initrd.img）及配置文件。。
• HTTP/FTP/NFS 服务器：存储操作系统安装源文件（如 ISO 镜像、RPM/DEB 包等）和配置文件（如 ks.cfg）。。

关键技术细节

(1) PXE 引导协议栈

• BOOTP/DHCP：用于分配 IP 和引导参数。
• TFTP：轻量级协议，仅支持 read 和 write 操作，端口 69。
• HTTP/NFS/FTP：用于传输大型安装源文件。

(2) 引导程序类型

• pxelinux（Syslinux）：
  • 传统 BIOS 环境常用。
  • 配置文件 pxelinux.cfg 支持按 MAC/IP 匹配规则。
• GRUB（UEFI）：
  • 支持 UEFI 系统，使用 grub.cfg 配置。
  • 文件名通常为 grubx64.efi（x86_64）或 grubia32.efi（ARM）。

(3) initrd 初始化镜像

• 作用：提供临时根文件系统，包含驱动程序和工具，用于探测硬件并挂载真实根文件系统。
• 内容：内核模块、网络工具（ip、wget）、安装脚本等。

PXE 网络安装流程

步骤 1：客户端开机并启用 PXE

• 客户端（目标机器）开机后，BIOS/UEFI 会检测到支持 PXE 的网卡。
• 如果启用了 PXE 启动模式，会进入 PXE 引导模式，PXE ROM 会通过 DHCP 协议向网络中的 DHCP 服务器请求 IP 地址。

步骤 2： DHCP 分配 IP 地址

• DHCP 服务器收到客户端的请求后，分配一个 IP 地址给客户端。
• 同时，DHCP 服务器还会返回以下关键信息：
  • TFTP 服务器地址：告诉客户端从哪个服务器获取引导文件，如 option 66 指定 TFTP 服务器地址。
  • 引导文件名：通常是 pxelinux.0 或其他引导加载程序，如option 67 指定启动文件名。
• 示例 DHCP 配置（以 ISC DHCP 为例）：

  # 定义 PXE 引导相关选项
  next-server 192.168.1.100;  # TFTP 服务器地址
  filename "pxelinux.0";      # 初始引导程序文件名

  步骤 3： 下载引导程序并执行

1. 下载引导程序：客户端通过 TFTP 协议从指定的 TFTP 服务器（next-server）下载filename 指定的引导文件（如 pxelinux.0）。
2. 执行引导程序：下载的引导程序（如 pxelinux.0）开始运行，接管系统控制权，显示引导菜单或执行预设配置。

• 引导文件通常是一个小型的操作系统加载程序，负责后续的引导过程。

步骤 4： 加载内核和初始化镜像

1. 读取配置文件：引导程序（如 pxelinux）从 TFTP 服务器加载配置文件（如 pxelinux.cfg/default），根据客户端 MAC 地址、IP 或其他标识选择配置。
   • 示例配置文件 /var/lib/tftpboot/pxelinux.cfg/default：

     DEFAULT linux
     LABEL linux
         kernel vmlinuz    # 内核文件名
         append initrd=initrd.img root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.100:/path/to/install/root ip=dhcp

2. 下载内核和初始化镜像：根据配置文件，客户端通过 TFTP 下载操作系统内核（vmlinuz）和初始化镜像（initrd.img，包含启动所需的临时文件系统）。

步骤 5：启动内核并初始化安装环境

客户端下载内核和初始化镜像后，会进入操作系统的预安装环境：

1. 加载内核：内核启动后，挂载初始 RAM 磁盘（initrd）并初始化网络。
2. 挂载安装源：客户端会根据配置文件（如 ks.cfg 或 preseed.cfg）通过网络协议（如 NFS、HTTP 或 FTP）挂载操作系统安装源。例如：
   • NFS：nfsroot=192.168.1.100:/path/to/nfs/share
   • HTTP：通过 wget 或 curl 下载安装镜像。
   • 配置文件通常包含自动化的安装选项（如分区方案、语言设置、用户密码等）。
3. 启动安装程序：根据内核参数或用户交互，开始操作系统安装流程。

步骤 6： 系统安装与配置

1. 分区与格式化：用户选择磁盘分区方案或自动化脚本（如 Kickstart）执行。
2. 复制文件：将操作系统文件从网络安装源复制到本地磁盘。
3. 配置系统：设置网络、用户、时区等参数。
4. 安装引导程序：将 GRUB 或其他引导程序写入本地磁盘。

步骤 7： 安装完成并重启

• 操作系统安装完成后，客户端会重启。
• 此时，客户端将从本地硬盘启动，进入新安装的操作系统。

关键配置示例

DHCP 服务器配置（ISC DHCP）

# /etc/dhcp/dhcpd.conf
subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0 {
    range 192.168.1.10 192.168.1.100;
    option routers 192.168.1.1;
    next-server 192.168.1.100;  # TFTP 服务器地址
    filename "pxelinux.0";      # BIOS 环境引导程序
    # 或者 UEFI 环境：
    # filename "grubx64.efi";
}

TFTP 服务器配置示例

• 目录结构：

  /var/lib/tftpboot/  # TFTP 根目录
  ├── pxelinux.0      # BIOS 引导程序
  ├── grubx64.efi     # UEFI 引导程序
  ├── pxelinux.cfg/   # BIOS 引导配置目录
  │   └── default     # BIOS 引导配置文件
  ├── grub.cfg        # UEFI 引导配置文件
  ├── vmlinuz         # 内核文件
  ├── initrd.img      # 初始化镜像
  └── isolinux/       # 可选：ISO 镜像中的文件

• pxelinux.cfg/default 示例：

  DEFAULT linux
  LABEL linux
      KERNEL vmlinuz
      APPEND initrd=initrd.img ks=http://192.168.1.10/ks.cfg

  HTTP/FTP/NFS 服务器配置示例

配置示例（以 HTTP 为例）：

• 将 ISO 文件挂载到 /var/www/html/os/ 目录：

  mount -o loop /path/to/os.iso /var/www/html/os/

• 提供 Kickstart 配置文件（ks.cfg）：

  url --url=http://192.168.1.10/os/
  lang en_US
  keyboard us
  network --onboot yes --device eth0 --bootproto dhcp
  rootpw password
  firewall --disabled
  reboot

  UEFI 环境引导配置（grub.cfg）

  menuentry 'Install CentOS' {
      linux /vmlinuz inst.repo=http://192.168.1.100/centos8/
      initrd /initrd.img
  }

  扩展应用

• 自动化安装：通过 Kickstart（RHEL/CentOS）、Preseed（Debian/Ubuntu）脚本实现无人值守安装。
• 多系统部署：在 pxelinux.cfg 中配置多个 LABEL，支持不同操作系统或版本选择。
• UEFI 支持：使用 grubx64.efi 替代 pxelinux.0，并配置 UEFI 引导参数。
• 安全性增强：
  • 使用 HTTPS 替代 HTTP 传输安装源。
  • 通过 DHCP 的 class 或 host 定义限制 PXE 引导权限。
  • 结合 IPSec 或 SSH 加密网络流量。

自动化工具

为了简化 PXE 网络安装，可以使用以下工具：

• Cobbler：集成了 DHCP、TFTP 和 HTTP 服务，支持批量部署操作系统。
• Foreman：提供 Web 界面，支持 PXE 安装和生命周期管理。
• Kickstart（Red Hat/CentOS）或 Preseed（Debian/Ubuntu）：实现无人值守安装。

总结

PXE 是一种强大的网络启动技术，通过 DHCP-TFTP-HTTP/NFS 的协作，实现无盘启动和远程系统部署。其核心在于正确配置服务器组件，并确保客户端能按顺序下载和执行引导程序、内核及安装源文件。掌握这一流程后，可高效部署大规模服务器或桌面环境。