基于USB接口的微型桌面Linux系統(tǒng)設計方案

標簽：USB接口  微型桌面

1 引言

隨著USB 3.0 標準的發(fā)布，存儲容量為8GB 至128GB 的USB 接口移動存儲設備成為主流。由于USB盤體積小、攜帶方便、同時具有熱插拔功能，給移動數(shù)據(jù)存儲帶來了便利。而開源的Linux 操作系統(tǒng)具有的高可靠性和安全性、廣泛的硬件支持、靈活實用的可定制性等特點，使得Linux 桌面系統(tǒng)在辦公應用方面也逐步受到人們的青睞。如果在USB 接口的移動存儲設備上實現(xiàn)一個Linux 微型桌面系統(tǒng)，將是一個不錯選擇。然而，將標準的Linux 發(fā)行版系統(tǒng)安裝在USB盤上，將占用近2G 的存儲空間，其中有許多軟件我們移動辦公并不需要。同時，人們從數(shù)據(jù)安全性角度的考慮，希望在不使用原有宿主機操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的前提下進行便捷的移動辦公。因此本文將從LFS 系統(tǒng)開始，在USB 盤上搭建Linux 微型桌面系統(tǒng)，實現(xiàn)操作系統(tǒng)與辦公娛樂軟件的一體化，并采用squashfs 文件系統(tǒng)壓縮技術，對整個系統(tǒng)進行壓縮，最后通過grub和initrd 實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動。

2 微型桌面系統(tǒng)的構成

本文是在LFS Live CD 6.3 宿主系統(tǒng)上，通過LFS技術構建基本Linux 系統(tǒng)后，使用chroot 命令轉入基本系統(tǒng)，完成后續(xù)整個桌面系統(tǒng)的搭建。

基于USB 盤的微型桌面系統(tǒng)構成如圖1 所示，由以下幾部分組成的：

①啟動引導管理器：選用Grub 0.97.Grub 程序是計算機加電啟動，引導到USB 盤設備后運行的第一個程序，其目的是將Linux 內核從USB 盤加載到內核中。

然后轉由內核執(zhí)行后續(xù)操作。

②內核：作為Linux 操作系統(tǒng)的核心，它負責管理進程調度、內存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口、進程間通信，并提供對主板、顯卡、網(wǎng)卡、聲卡、存儲器、USB 設備等驅動的支持。由于是移動系統(tǒng)，面臨硬件平臺多樣性的問題，所以需要將一些常用基本驅動和USB 相關驅動編譯進內核，而將squashfs、aufs、聲卡、顯卡等相關支持以模塊的形式動態(tài)加載，這樣在減少內核鏡像大小的同時，提高了系統(tǒng)啟動時間。

③基本Linux 系統(tǒng)：包括能夠正常啟動字符界面的基本文件系統(tǒng)結構、最常用的應用程序、基本函數(shù)庫和相關的配置文件。

④圖形桌面系統(tǒng)：桌面系統(tǒng)采用xfce4.6.2,并安裝如下應用軟件：永中office 2009 辦公應用軟件(集Word、Excel、PowerPoint 于一體);fcitx 中文輸入法;MPlayer 媒體播放軟件;網(wǎng)絡配置工具軟件;遠程桌面連接控件軟件;QQ;Vnc;實驗室自主研發(fā)的播放瀏覽一體化的網(wǎng)絡瀏覽器Hfox[2];其他軟件：圖片查看器、文本編輯器、PDF 閱讀器、解壓縮軟件等。

圖1 基于USB 接口的微型桌面Linux 系統(tǒng)的組成

整個微型桌面系統(tǒng)安裝完成后要占用大約1.7GB磁盤空間，通過運行mksquashfs 命令壓縮成只讀系統(tǒng)鏡像system.squashfs(約495MB)。

3 關鍵技術

3.1 內核編譯

采用版本為2.6.27.27 的Linux 內核。為使系統(tǒng)更精簡，部分模塊將不會被編譯進內核：聲卡驅動模塊等。系統(tǒng)將由U 盤引導，需要將SCSI 設備、Usbcore、Usb-storage 、Loopback device support 、RAM disksupport 和Initrd 等編譯到內核中。

將Squshfs、AUFS 編譯成模塊，通過Initrd 引導加載。

常見的硬盤接口為IDE 和SATA,在Linux 中通常將這兩類硬盤標識為不同的盤符名。為了避免內核掛載U 盤根系統(tǒng)出現(xiàn)盤符名不一致的情況，需要將IDE 和SATA 硬盤中盤符統(tǒng)一成/dev/sdX,在內核編譯時需要加如下的選項：

編譯出來的內核會將這兩類硬盤同等對待。從而使不同接口硬盤的盤符名在Linux 中都統(tǒng)一為sdX,方便本系統(tǒng)的掛載。

3.2 LFS 構建系統(tǒng)

LFS(Linux From Scratch 的縮寫)，是從源代碼開始搭建的Linux 系統(tǒng)。LFS 有以下幾個優(yōu)點：

①LFS 是非常靈活的，可以根據(jù)自身需求定制。

②構建的LFS 系統(tǒng)是一個非常緊湊的系統(tǒng)，可以大大節(jié)省磁盤空間。

③LFS 可自定義安裝相關的安全補丁，系統(tǒng)有保障。

本文目的是設計一款微型桌面系統(tǒng)，根據(jù)其小巧靈活實用的特點，與使用標準的Linux 發(fā)行版和使用精簡的Linux 系統(tǒng)相比，LFS 更適合。

3.3 SquashFS+LZMA 只讀壓縮系統(tǒng)

構建一個小型或嵌入式Linux 系統(tǒng)，存儲設備(軟盤、U 盤等)的空間資源非常有限，因此壓縮應盡可能用在各個方面。

SquashFS 是一種在Linux 下使用的只讀壓縮文件系統(tǒng)，是目前最好的壓縮文件系統(tǒng)之一，它的目的是為通用只讀文件系統(tǒng)使用。目前，SquashFS 壓縮文件系統(tǒng)應用很廣，已在Linux Live CD 各發(fā)行版、嵌入式系統(tǒng)、以及在服務器及桌面系統(tǒng)中都有著大量的應用。

LZMA(Lempel-Ziv-Markov chain-Algorithm 的縮寫)，是一個Deflate和LZ77算法改良和優(yōu)化后的壓縮算法，是目前最好的壓縮算法之一。

SquashFS 默認的壓縮算法是GZIP,本文中采用給SquashFS 打補丁，使其支持LZMA 算法壓縮。實驗證明，通過LZMA 算法壓縮比GZIP 算法壓縮率更高，而壓縮時間比GZIP 算法稍長。通過對整個系統(tǒng)采用GZIP 和LZMA 算法進行Squashfs 壓縮，在壓縮時間和存儲空間的比較如表1 如示。

表1 兩種壓縮算法的比較

目前Linux 內核還不支持LZMA,在編譯內核時需要將CONFIG_SQUASHFS*中所有值置為N;再單獨將帶LZMA 支持的Squshfs 編譯成模塊，通過動態(tài)加載方式運行。

3.4 AUFS 聯(lián)合文件系統(tǒng)

AUFS( Another UnionFS 的縮寫)， 是一個與UnionFS 類似的可堆疊聯(lián)合文件系統(tǒng)，它將多個目錄整合成單一的目錄，是Linux 文件系統(tǒng)聯(lián)合掛載的實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]

SquashFS 壓縮系統(tǒng)是只讀的，從而避免了對磁盤不必要的擦寫，但同時也造成了修改數(shù)據(jù)不能保存的問題。

AUFS 的出現(xiàn)正好解決了上述問題，它管理一個基本文件系統(tǒng)(即本文中的系統(tǒng)Squashfs 鏡像，保持原只讀狀態(tài))和一個讀寫存儲文件系統(tǒng)(必須具有讀寫權限)。通過AUFS,用戶可以虛擬地修改基本文件系統(tǒng)上的文件，但修改后的結果卻保存在讀寫存儲文件系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的透明修改。

3.5 Initrd 初始化內存盤

Initrd(boot loader Initialized RAM Disk 的縮寫)，由boot loader 初始化。本系統(tǒng)使用的boot loader 為GNU GRUB 0.97.如果Grub 已配置Initrd,Linux 內核在啟動前，會把存儲設備中的Initrd 文件加載到內存，作為一個臨時根文件系統(tǒng);內核啟動時通過先執(zhí)行Initrd 中的init 文件，完成設備驅動模塊和squashsf、aufs 文件系統(tǒng)模塊的加載，并完成真正的根文件系統(tǒng)的掛載，然后執(zhí)行系統(tǒng)中的/sbin/init 進程。

與普通IDE、SATA 硬盤相比，USB 接口存儲設備從驅動模塊加載到設備可用，比較慢，需要幾秒鐘。

因此內核在掛載USB 存儲設備時，會出現(xiàn)：USB 設備沒有初始化完成，真正根文件系統(tǒng)掛載失敗的問題。為了解決此問題，筆者在Initrd 中修改init 可執(zhí)行文件，當加載USB 驅動后，系統(tǒng)將休眠5 秒，讓USB 設備初始化完成后再掛載USB 存儲設備中的根文件系統(tǒng)。本系統(tǒng)的init 文件配置如下：

本系統(tǒng)Initrd 中的最小化根文件系統(tǒng)由BusyBox創(chuàng)建，包含bin、dev、etc、lib、mnt、proc、sbin、sys這些必須的目錄和相關文件。由于BusyBox 生成的modprobe 命令不能正常執(zhí)行，所以需要復制宿主系統(tǒng)中的modprobe 命令并替換Initrd 中的sbin 目錄中的同名文件，同時通過ldd 查看modprobe 依賴的庫文件，并復制到Initrd 中的lib 目錄。

最后在宿主機器上通過命令：

find . | cpio –o –H newc | gzip > /boot/initrd.img-2.6.27.27 制作Initrd 鏡像文件。

3.6 Grub 啟動引導器

GNU GRUB (GNU GRand Unified Bootloader 的縮寫)，是GNU 項目中一個多操作系統(tǒng)啟動引導程序，也是Linux 系統(tǒng)中最常用引導工具之一。為了讓系統(tǒng)從USB 設備啟動，必須將GRUB 程序安裝在USB 存儲設備的主引導記錄(MBR)中。

以GRUB 0.9X 的安裝步驟如下：

安裝grub 程序在U 盤的/boot/grub 目錄下，確保其目錄存在menu.lst,stage1,stage2 三個文件。

進入grub 命令窗口，運行以下命令安裝到U 盤的MBR:

grub>root(hd1,0) #假定Linux 系統(tǒng)所在盤符為第二塊硬盤的第一個分區(qū)

grub>setup(hd1)

實際操作時根據(jù)硬盤分區(qū)不同作相應修改。

修改/boot/grub/menu.lst 文件，本文的menu.lst 如下：

3.7 Xfce 桌面環(huán)境

Xfce 是一款適用于多種*NIX 系統(tǒng)上運行的輕量級桌面環(huán)境，它的設計目的是在節(jié)省系統(tǒng)資源的情況下能夠快速加載并執(zhí)行應用程序。與Gnome 和KDE等比較臃腫的桌面環(huán)境相比，Xfce 占用的系統(tǒng)資源少，同時它擁有很小的依賴性和很好的模塊性。本系統(tǒng)所用的Xfce 4.6.2 主要由實用工具libxfce4util、微件庫libxfcegui4、擴展庫exo、菜單庫libxfce4menu、窗口管理xfwm4、桌面管理xfdesktop、面板xfce4-panel、會話管理xfce4-session、設置管理xfce4-settings、配置管理xfconf、文件管理thunar、實用程序xfce-utils、應用程序查找xfce4-appfinder 等部件構成。

4 具體實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)在USB 盤上的實現(xiàn)

在宿主系統(tǒng)上構建好整個Linux 桌面系統(tǒng)后，按前所述配置好只讀文件系統(tǒng)鏡像system.squashfs、初始化內存盤Initrd、內核鏡像vmlinuz、Grub 中的menu.lst 文件、USB 盤標志文件LABEL,然后按以下步驟將系統(tǒng)移植進USB 盤。

①準備一個8G 的USB 盤，分為兩個區(qū)：一個分區(qū)作為系統(tǒng)區(qū)，文件系統(tǒng)為EXT2,并激活為啟動分區(qū)，作為Linux 系統(tǒng)使用;一個分區(qū)為數(shù)據(jù)區(qū)，文件系統(tǒng)為FAT32,平時作為與Windows 系統(tǒng)交互的分區(qū)，保存移動辦公數(shù)據(jù)。

②將system.squashfs、Initrd、vmlinuz、LABEL 和Grub 相關文件復制到系統(tǒng)區(qū)，并在系統(tǒng)區(qū)中新建system_ro( 用于掛載squashfs 只讀文件系統(tǒng)) 、system_rw(用于掛載aufs 文件系統(tǒng)時的修改文件存儲目錄)、system(用于最終文件系統(tǒng)的掛載目錄)三個目錄。

③運行grub 程序中的root、setup 命令將啟動引導信息寫入USB 盤的系統(tǒng)區(qū)的MBR.

4.2 系統(tǒng)啟動過程

基于USB 接口的微型桌面Linux 系統(tǒng)的啟動過程如圖2 如示。

計算機開機自檢， BIOS 引導到USB 接口的磁盤設備，通過啟動引導管理器Grub,加載Linux 內核文件vmlinuz,內核將初始化內存盤initrd.img-2.6.27.27加載到內存，形成一個臨時根文件系統(tǒng)，通過執(zhí)行Initrd 中的init 可執(zhí)行文件，進行sysfs、proc 文件系統(tǒng)的加載，并對硬件進行初始化，相關硬件驅動、squashfs、aufs 模塊的加載后，掛載系統(tǒng)只讀鏡像system.squashfs,并通過聯(lián)合文件系統(tǒng)aufs 使其可寫，然后轉到真正的根文件系統(tǒng)執(zhí)行命令/sbin/init,完成微型桌面Linux 系統(tǒng)的啟動。

圖2 系統(tǒng)啟動過程

5 實驗結果

本文實現(xiàn)了在USB 接口的存儲設備上構建微型桌面Linux 系統(tǒng)，在具有USB 接口啟動功能的各種主流品牌臺式計算機、筆記本和兼容機上都能成功運行，并且在硬件配置比較低的老式486、586 等機器也能流暢地運行，根據(jù)機器硬件配置的不同，一般啟動時間為20 秒至50 秒，具有很好的實用價值，真正實現(xiàn)了便捷、高效的移動辦公需要。本系統(tǒng)成功啟動圖形桌面系統(tǒng)后的效果如圖3 所示。[!--empirenews.page--]

圖3 Linux 微型桌面系統(tǒng)

6 結論

本文在USB 接口的移動存儲設備構建微型操作系統(tǒng)，具有小型便捷、速度快、空間占用率低、安全可靠的特點，研究具有很高的應用價值，人們可以參照構建過程中的關鍵性技術，在U 盤上制作出更多小型的專用系統(tǒng)：比如系統(tǒng)維護盤、網(wǎng)絡防火墻、路由器、小型服務器、媒體播放器等以滿足一些特定需求，同時可以將其研究應用到Live CD 上，在光盤上制作出相應的微型桌面系統(tǒng)。并且在使用過程中，整個系統(tǒng)只占了移動磁盤存儲空間的小部分，而剩余的大部分空間可以另作他用，真正體現(xiàn)了資源的高效整合使用。