基于USB接口的微型桌面Linux系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　摘 要：針對便攜式移動辦公的需求，提出了在USB 接口的移動存儲設(shè)備上構(gòu)建Linux 微型桌面操作系統(tǒng)的方法，分析了整個微型桌面系統(tǒng)的構(gòu)成，并對構(gòu)建過程中的內(nèi)核編譯、LFS、Squashfs、AUFS、Grub、Initrd、 XFCE等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，介紹了移植進USB 盤的方法、系統(tǒng)的啟動過程和實現(xiàn)。本系統(tǒng)小型便捷、啟動速度快、占用空間低、安全可靠的特點具有較高的應(yīng)用價值。

　　1 引言

　　隨著USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，存儲容量為8GB 至128GB 的USB 接口移動存儲設(shè)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(yīng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)，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(gòu)成

　　本文是在LFS Live CD 6.3 宿主系統(tǒng)上，通過LFS技術(shù)構(gòu)建基本Linux 系統(tǒng)后，使用chroot 命令轉(zhuǎn)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(gòu)成如圖1 所示，由以下幾部分組成的：

　?、賳右龑?dǎo)管理器：選用Grub 0.97.Grub 程序是計算機加電啟動，引導(dǎo)到USB 盤設(shè)備后運行的第一個程序，其目的是將Linux 內(nèi)核從USB 盤加載到內(nèi)核中。

　　然后轉(zhuǎn)由內(nèi)核執(zhí)行后續(xù)操作。

　?、趦?nèi)核：作為Linux 操作系統(tǒng)的核心，它負責(zé)管理進程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)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(shè)備等驅(qū)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(qū)動和USB 相關(guān)驅(qū)動編譯進內(nèi)核，而將squashfs、aufs、聲卡、顯卡等相關(guān)支持以模塊的形式動態(tài)加載，這樣在減少內(nèi)核鏡像大小的同時，提高了系統(tǒng)啟動時間。

　?、刍綥inux 系統(tǒng)：包括能夠正常啟動字符界面的基本文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、最常用的應(yīng)用程序、基本函數(shù)庫和相關(guān)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(yīng)用軟件：永中office 2009 辦公應(yīng)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(luò)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(luò)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(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 內(nèi)核編譯

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

　　將Squshfs、AUFS 編譯成模塊，通過Initrd 引導(dǎo)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(biāo)識為不同的盤符名。為了避免內(nèi)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(nèi)核編譯時需要加如下的選項：

　　編譯出來的內(nèi)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(gòu)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：

　?、貺FS 是非常靈活的，可以根據(jù)自身需求定制。

　　②構(gòu)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(guān)的安全補丁，系統(tǒng)有保障。

　　本文目的是設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建一個小型或嵌入式Linux 系統(tǒng)，存儲設(shè)備（軟盤、U 盤等）的空間資源非常有限，因此壓縮應(yīng)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(yīng)用很廣，已在Linux Live CD 各發(fā)行版、嵌入式系統(tǒng)、以及在服務(wù)器及桌面系統(tǒng)中都有著大量的應(yīng)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(nèi)核還不支持LZMA，在編譯內(nèi)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)。

　　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(quán)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(jié)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(nèi)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(nèi)核在啟動前，會把存儲設(shè)備中的Initrd 文件加載到內(nèi)存，作為一個臨時根文件系統(tǒng)；內(nèi)核啟動時通過先執(zhí)行Initrd 中的init 文件，完成設(shè)備驅(qū)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(shè)備從驅(qū)動模塊加載到設(shè)備可用，比較慢，需要幾秒鐘。

　　因此內(nèi)核在掛載USB 存儲設(shè)備時，會出現(xiàn)：USB 設(shè)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(dāng)加載USB 驅(qū)動后，系統(tǒng)將休眠5 秒，讓USB 設(shè)備初始化完成后再掛載USB 存儲設(shè)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(guān)文件。由于 BusyBox 生成的modprobe 命令不能正常執(zhí)行，所以需要復(fù)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)程序，也是Linux 系統(tǒng)中最常用引導(dǎo)工具之一。為了讓系統(tǒng)從USB 設(shè)備啟動，必須將GRUB 程序安裝在USB 存儲設(shè)備的主引導(dǎo)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)置管理xfce4-settings、配置管理xfconf、文件管理thunar、實用程序xfce-utils、應(yīng)用程序查找xfce4-appfinder 等部件構(gòu)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(gòu)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(nèi)存盤Initrd、內(nèi)核鏡像vmlinuz、Grub 中的menu.lst 文件、USB 盤標(biāo)志文件LABEL，然后按以下步驟將系統(tǒng)移植進USB 盤。

　　①準(zhǔn)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)。

　?、趯ystem.squashfs、Initrd、vmlinuz、LABEL 和Grub 相關(guān)文件復(fù)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g(shù)rub 程序中的root、setup 命令將啟動引導(dǎo)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(dǎo)到USB 接口的磁盤設(shè)備，通過啟動引導(dǎo)管理器Grub，加載Linux 內(nèi)核文件vmlinuz，內(nèi)核將初始化內(nèi)存盤initrd.img-2.6.27.27加載到內(nèi)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(guān)硬件驅(qū)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(zhuǎn)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(jié)果

　　本文實現(xiàn)了在USB 接口的存儲設(shè)備上構(gòu)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。

　　圖3 Linux 微型桌面系統(tǒng)。

　　6 結(jié)論

　　本文在USB 接口的移動存儲設(shè)備構(gòu)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(yīng)用價值，人們可以參照構(gòu)建過程中的關(guān)鍵性技術(shù)，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(luò)防火墻、路由器、小型服務(wù)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(yīng)用到Live CD 上，在光盤上制作出相應(yīng)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。