CN101226477A - 一种适合移动应用的Linux操作系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，包括如下步骤：(1)在操作系统中使用GRUB引导程序进行系统引导；(2)在内核启动后，操作系统初始化时首先加入移动存储设备支持，然后再挂载根文件系统；(3)对操作系统的文件进行压缩，并将压缩后的文件存放到U盘或者USB Key之类的移动存储设备中。利用本发明，使用者在外出工作时只需要携带存储有该Linux操作系统的U盘而不需要携带笔记本电脑。实际使用时，把该U盘连接到任意一台电脑上就可以直接使用。即使在所连接的电脑没有硬盘的情况下也可以正常工作。

Description

一种适合移动应用的Linux操作系统的实现方法

技术领域

本发明涉及一种Linux操作系统的实现方法，尤其涉及一种存储在移动存储器上，随时连接主机并从移动存储器上直接启动系统的Linux操作系统的实现方法，属于计算机操作系统技术领域。

背景技术

Linux是一种开放源代码的操作系统，与目前通行的Windows操作系统相比，具有成本低、资源占用率低、适合高性能运算等多方面的优势，加之其具有良好的可扩展性和可维护性，因此受到了广大用户和程序员的普遍欢迎。

Linux操作系统以目录树的形式存放有关的文件，图1显示了一个典型的Linux系统的文件系统结构。在根目录下，分别包括/bin、/etc、/boot、/dev、/home、/lib、/mnt、/root、/sbin、/tmp、/usr、/var等文件夹。其中/bin用于存放必要的命令，/boot用于存放内核以及启动所需的文件等，/dev用于存放设备文件，/etc用于存放系统的配置文件，/home是用户文件的主目录，用户数据存放在其主目录中，/lib用于存放必要的运行库等。

Linux具有内核便于进行剪裁的特点，即根据用户的需要，删除或者修改文件系统中的部分文件，Linux操作系统的整体运行不受影响。因此，将Linux操作系统中的文件系统进行适当的剪裁和设置，就可以实现多种有用的功能，例如Live CD版所具有的无需安装就可以直接使用的功能。Live CD版使用了一种将物理内存虚拟成磁盘来运行Linux的技术。利用该技术，只用CD-ROM或者USB设备就可以运行Linux，可以不必考虑硬盘的存在，同时也避免了破坏硬盘数据的可能性。

目前，几种较为常见的Linux Live CD版本主要有基于Slack Ware的SLAX，基于Fedora Core 2的Fedora Core 2 Live CD，基于Debian的Knoppix，基于Mandrake的Mandrake Move和基于SUSE的SUSELINUX 9.1 Live-Eval ISO等。但是，上述的现有Live CD版普遍对USB存储设备的支持很弱，例如在有的版本中，系统启动后要等待根文件系统挂载完成后，再根据硬件探测是否在USB接口上有USB存储设备来决定是否需要加入USB存储设备支持。依照这样的执行逻辑，没有挂载根文件系统也就无法加入对USB存储设备的支持，这就在逻辑上形成了一个死锁状态，导致系统根本无法启动。

另外一方面，现有主流的Linux操作系统中，如果要使其具有完备的功能，安装所需要的空间在1.8G以上，而现有的主流USB移动存储设备如U盘等，其容量大多在1G以内，根本无法安装下一个完整版本的Linux桌面操作系统。虽然Linux操作系统具有内核便于进行剪裁的特点，但是这种剪裁势必导致相应功能的丧失，从而不能充分满足广大普通用户的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合移动应用的Linux操作系统的实现方法。经过该方法处理后的Linux操作系统的体积大为减小，并且具有不用安装就可以直接使用的特性。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在操作系统中使用GRUB引导程序进行系统引导；

(2)在内核启动后，所述操作系统初始化时首先加入移动存储设备支持，然后再挂载根文件系统；

(3)对所述操作系统的文件进行压缩，并将压缩后的文件存放到移动存储设备中。

其中，所述步骤(1)中，使用root＝/dev/sda1指令，使内核挂载/dev/sda1成根文件系统。

所述步骤(2)中，在移动存储设备的文件目录中生成一个完整的分区表空间；

在所述移动存储设备中创建新的安装分区，并在该安装分区上创建基文件系统；

在/dev/sda1分区上建立一个/base目录，将压缩镜像文件安装到/dev/sda1分区的/base目录下；

在/dev/sda1分区上建立/boot目录，在/boot目录中安装系统引导所需的文件；

生成Initrd.img文件，用于内核启动后执行生成正常系统的根文件系统。

所述基文件系统为ext3文件系统。

所述压缩镜像文件为用mksquashfs命令制作的/bin、/lib、/etc、/root、/sbin、/usr、/var、/opt、/boot目录的压缩镜像文件。

所述Initrd.img文件中包含/bin、/etc、/lib、/sbin、/sys、/proc、/dev、/sysroot目录和Init、Initlib文件；

所述Init脚本用于告诉内核在chroot到目标根系统前要做的工作，所述Initlib文件是Init脚本的函数库。

所述Init脚本通过如下的步骤获得：

a.指定环境变量；

b.挂载proc文件系统和sysfs文件系统；

c.向内核插入移动存储设备支持模块，再创建对应的块设备符；

d.加入ext3、unionfs、squashfs、loop文件系统支持；

e.创建unionfs文件系统类型的目标根文件系统；

f.挂载所有的.mo数据镜像文件模块，创建目标根系统中的内容；

g.生成最终目标系统实际使用的fstab；

h.在目标根文件系统中补全目录结构；

i.chroot到目标根系统$UNION，并执行目标根文件系统的正常启动过程。

所述步骤(3)中，使用squashfs文件系统对所述操作系统的文件进行压缩。

通过unionfs技术将只读的squashfs文件系统和可读写的文件系统整合成一个根文件系统中。

所述移动存储设备为支持USB接口的U盘或者USB Key。

本发明所提供的方法可以将具有完全功能的Linux操作系统和相关应用文件剪裁压缩到1个G以内，从而便于存放在U盘之类的移动存储设备上。利用本发明，使用者在外出工作时只需要携带存储有该Linux操作系统的U盘而不需要携带笔记本电脑。实际使用时，把该U盘连接到任意一台电脑上就可以直接使用。即使在所连接的电脑没有硬盘的情况下也可以正常工作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为一个典型的Linux操作系统的物理存储结构示意图。

图2为本发明所提供的Linux操作系统的物理存储结构示意图。

图3为现有的SLAX版本中，物理存储空间的划分方式示意图。

图4为本发明所提供的Linux操作系统中，物理存储空间的划分方式示意图。

具体实施方式

参见图2所示的Linux操作系统的物理存储结构，本发明的主要发明点就在于对构成Linux操作系统的各个文件进行合理的剪裁和配置，使之在减少体积的同时，保留操作系统的基本功能，同时具备直接通过存储在U盘中的操作系统启动并运行计算机的能力。

具体而言，鉴于现有用作引导盘的U盘中通常使用LILO引导程序，导致Linux桌面系统无法从U盘中启动的问题，本发明人在U盘中的操作系统中增加了GRUB引导程序。GRUB(GRand Unified Bootloader)是一个将引导装载程序安装到主引导记录的程序，主引导记录是位于一个硬盘开始的扇区。它允许位于主引导记录区中特定的指令来装载一个GRUB菜单或是GRUB的命令环境。这使得用户能够开始操作系统的选择，在内核引导时传递特定指令给内核，或是在内核引导前确定一些系统参数(如可用的RAM大小)。在现有的Linux操作系统如Red Hat Linux7.2中，GRUB取代LILO成为了默认的启动引导程序，但是，现有的系统启动引导程序GRUB是使用root＝/dev/hdx来引导硬盘启动系统的，而在本发明中，使用root＝/dev/sda1来告诉内核启动的根文件系统在U盘上，让内核挂载/dev/sda1成根/。需要说明的是，这里的/dev/sda1只是一个示例，表示根文件系统在U盘的sda1分区上。根据U盘上分区的不同，还可以有其它的命令形式。

另一方面，现有技术是在根文件系统挂载后，根据硬件探测是否有USB存储设备来决定是否需要加入USB存储设备支持，这就造成一个逻辑死锁状态，导致系统无法启动。针对这一问题，本发明人在Linux内核启动后，系统初始化时先加入USB存储设备支持，然后再挂载根文件系统，这样就解决了USB存储设备启动支持的问题。

基于上述两方面的技术方案，本发明主要采用了如下的具体实施步骤：

首先，选择一台普通的计算机，在该计算机的硬盘上安装一个普通的完整Linux源系统。该源系统中的数据文件为制作本发明所提供的特殊Linux系统的安装数据源。

作为本发明所述方法的第二步，用mksquashfs命令制作/bin、/lib、/etc、/root、/sbin、/usr、/var、/opt、/boot目录的压缩镜像文件。具体而言，命令mksquashfs bin bin.mo-keep-as-directory，制作出bin.mo，并将其权限改为只读权限，chmod 555 bin.mo，其他的目录镜像也类似处理。

在现有技术中，由于U盘上没有bios可访问的完整分区表部分，因此无法在U盘上生成操作系统启动引导程序的预装代码。为了解决这一问题，本发明人在U盘的起始物理地址空间上开辟出一个完整的分区表空间。具体的操作步骤是这样的：首先在安装有上述源操作系统的计算机上插接制作目标系统用的U盘，假定目标系统装载后，U盘上生成的文件目录为/dev/sda1，则在/dev/sda1上生成一个完整的分区表空间，操作指令为dd if＝/dev/zero of＝/dev/sda1 bs＝512count＝1。

下一个步骤是在U盘上创建新的安装分区，即使用fdisk分区工具在用户干预下创建新的分区。然后，在新创建的分区上创建基文件系统，在本发明中，采用稳定的ext3文件系统作为基文件系统，具体的操作指令是mkfs.ext3/dev/sda1。

然后，挂载U盘上的/dev/sda1分区到当前的源操作系统，操作指令为mount/dev/sda1/mnt。

接着，在/dev/sda1分区上建立一个/base目录，将前面制作的压缩镜像文件安装到/dev/sda1分区的/base目录下。

下一步，在/dev/sda1分区上建立/boot目录，在/boot目录中安装系统引导所需的文件，操作指令为cp-rf/boot/*/mnt/boot。

然后，生成一个新的Initrd.img文件，用于内核启动后执行生成正常系统的根文件系统。

在本发明中，为了支持U盘启动Linux系统，本发明人对原有的Initrd.img文件做了重大改动。在新的Initrd.img文件中，包含了/bin、/etc、/lib、/sbin、/sys、/proc、/dev、/sysroot目录和Init、Initlib文件。其中，/bin目录中为一些生成根文件系统所必需的最基本工具，包括busybox、unionctl、uniondbg、lsmod、modprobe、eject、blkid，以及到busybox的链接/bin/sh、/bin/ash、/bin/bash、/bin/[、/bin/mount、/bin/umount、/bin/poweroff、/bin/halt、/bin/reboot、/bin/ld、/bin/ls、/bin/head、/bin/cat、/bin/grep、/bin/sleep。/lib目录中是内核启动后访问U盘所需的内核驱动支持模块，内有文件系统支持模块unionfs.ko、squashfs.ko、loop.ko、ext3.ko，语言支持模块，USB支持模块usb-storage.ko、ehci-hcd.ko、ohci-hcd.ko、uhci-hcd.ko，硬盘控制模块scsi_mod.ko、sd_mod.ko、sg.ko、ide。/sbin是/bin目录的链接目录。/etc中有fstab和mtab文件，这二个文件是mount文件系统所需的。/dev目录中是系统启动所需的基本设备文件，包括额外所需的loop设备文件loop0～loop254和ram设备文件。/sys、/proc、/sysroot是空目录，/proc目录用作proc文件系统内核信息镜像挂载用，这是Initrd.img的通用做法。Init、和Initlib是内核在自解压完成和初始化基本硬件支持后，在转向目标根文件系统前所执行的脚本代码。Initlib是Init脚本的函数库，Init脚本的作用是告诉内核在chroot到目标根系统前要做的工作。

在本发明中，对现有Linux系统的最重要改进就体现在Init脚本上。现有的Linux系统中，Init脚本执行如下的动作：a.挂载proc文件系统和sysfs文件系统；b.创建基本的设备文件；c.chroot到引导程序参数中指定的根分区。本发明为了实现对U盘启动的支持，对Init脚本进行了如下的重要改动：

a.指定环境变量，操作指令为export PATH＝.:/:/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin；

b.挂载proc文件系统和sysfs文件系统；

c.为支持USB块设备，以便访问到U盘中内容，在此步向内核插入USB支持模块modprobe_moduleehci-hcd，modprobe_moduleohci-hcd，modprobe_moduleuhci-hcd，modprobe_modulescsi_mod，modprobe_moduleusb-storage，modprobe_modulesd_mod，modprobe_modulesg，再创建对应的块设备符create_block_devices；

d.加入ext3、unionfs、squashfs、loop文件系统支持；

e.创建unionfs文件系统类型的目标根文件系统，操作指令为mount-t unionfs-o dir＝$CHANGES＝rw unionfs $UNION；

f.挂载所有的.mo数据镜像文件模块，创建目标根系统中的内容，操作指令为union_insert_modules $UNION $DATA $IMAGES，union_insert_modules $UNION $MEMORY $IMAGES，这里的union_insert_modules过程实际是将每个.mo的squashfs文件系统格式镜像使用一个loop设备以只读方式挂载到$UNION目录上；

g.生成最终目标系统实际使用的fstab，操作指令为echo-ne＞$UNION/etc/fstab，fstab_update $UNION；

h.在目标根文件系统中补全目录结构，操作指令为mkdir-p$UNION/proc，mkdir-p $UNION/sys，mkdir-p $UNION/dev，mkdir-p$UNION/tmp；

i.chroot到目标根系统$UNION，并执行目标根文件系统的正常启动过程，操作指令为cd $UNION和exec chroot.sbin/Init<dev/console>dev/console 2＞$1。

另外，为了减少本发明所提供的Linux操作系统的体积，使之能够在存储容量为1个G的U盘中保存，需要对上述方法获得的操作系统进行进一步压缩。为此，本发明人使用squashfs文件系统将该桌面操作系统压缩到550M以内。但是，squashfs是一种只读的压缩文件系统格式，不支持写操作。为了解决这一问题，本发明人采用了unionfs技术。unionfs是一种堆栈式的联合文件系统，它把多个目录(也叫分支)内容合并在一起，而目录的物理位置是分开的。通过该技术，可以实现只读和可读写目录的并存，也就是说可以同时删除和增加内容。

具体的实现步骤是这样的：设定/tmp1和/tmp2目录为原物理磁盘存储目录，/tmp1目录下有目录A，文件为afile，/tmp2目录下有文件bfile，空目录/mnt/union为目标文件结构整合的最终实现位置，首先，使用如下指令：mount-t unionfs -o/tmp1＝ro:/tmp2＝ro unionfs/mnt/union，该指令用于将/tmp1和/tmp2目录整合。此时，再进入/mnt/union目录就会看到目录A，文件afile、bfile都在/mnt/union下，因为使用了ro参数，所以都是只读的。当然，还可以添加可写目录，例如设定还有一个/tmp3目录，其下有B目录，指令为unionctl/mnt/union-add-after/tmp2-mode rw/tmp3即可将其加入/mnt/union。在mnt/union中出现的B目录是可写的。

通过上述的技术措施，可以将只读的squashfs文件系统和可读写的文件系统整合成一个根文件系统中，从而屏蔽底层文件系统技术的差异，使用户的操作和已有习惯一致。

需要说明的是，在现有技术中，SLAX也可以实现基于U盘的启动，但是该版本的Linux系统其原形是工作在光盘介质上的。具体的工作方式是使用syslinux在fat16分区上工作引导系统，由于syslinux不支持直接ext2、ext3、fat32文件系统访问，但支持fat16文件系统，因此SLAX系统需要采用如图3所示的物理存储空间划分方式，先在fat16文件系统上启动引导器本身，再加载对其它文件系统的支持模块，然后引导在其它文件系统下的系统。而在本发明中，如图4所示，利用GRUB本身直接支持ext2、ext3文件系统的特性，无需建立独立的引导器分区，因此不需要ext2、ext3两个分区和fat16分区格式，只需要在512字节的分区表后具有linux的分区格式ext2或者ext3一个根分区即可工作。

在上述的实施例中，所使用的移动存储设备以支持USB接口的U盘为例。但本发明显然不限于在U盘上使用。例如在内部存储有数字证书的USB Key也很适合实现本发明。利用USB Key中内置的数字证书，还可以进一步实现针对Linux操作系统的版权保护功能，充分保障有关著作权人的权益。

上面对本发明所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在操作系统中使用GRUB引导程序进行系统引导；

(2)在内核启动后，所述操作系统初始化时首先加入移动存储设备支持，然后再挂载根文件系统；

(3)对所述操作系统的文件进行压缩，并将压缩后的文件存放到移动存储设备中。

2.如权利要求1所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，使用root＝/dev/sda1指令，使内核挂载/dev/sda1成根文件系统。

3.如权利要求2所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，在移动存储设备的文件目录中生成一个完整的分区表空间；

在所述移动存储设备中创建新的安装分区，并在该安装分区上创建基文件系统；

在/dev/sda1分区上建立一个/base目录，将压缩镜像文件安装到/dev/sda1分区的/base目录下；

在/dev/sda1分区上建立/boot目录，在/boot目录中安装系统引导所需的文件；

生成Initrd.img文件，用于内核启动后执行生成正常系统的根文件系统。

4.如权利要求3所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述基文件系统为ext3文件系统。

5.如权利要求3所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述压缩镜像文件为用mksquashfs命令制作的/bin、/lib、/etc、/root、/sbin、/usr、/var、/opt、/boot目录的压缩镜像文件。

6.如权利要求3所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述Initrd.img文件中包含/bin、/etc、/lib、/sbin、/sys、/proc、/dev、/sysroot目录和Init、Initlib文件；

所述Init脚本用于告诉内核在chroot到目标根系统前要做的工作，所述Initlib文件是Init脚本的函数库。

7.如权利要求6所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述Init脚本通过如下的步骤获得：

a.指定环境变量；

b.挂载proc文件系统和sysfs文件系统；

c.向内核插入移动存储设备支持模块，再创建对应的块设备符；

d.加入ext3、unionfs、squashfs、loop文件系统支持；

e.创建unionfs文件系统类型的目标根文件系统；

f.挂载所有的.mo数据镜像文件模块，创建目标根系统中的内容；

g.生成最终目标系统实际使用的fstab；

h.在目标根文件系统中补全目录结构；

i.chroot到目标根系统$UNION，并执行目标根文件系统的正常启动过程。

8.如权利要求1所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，使用squashfs文件系统对所述操作系统的文件进行压缩。

9.如权利要求8所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

通过unionfs技术将只读的squashfs文件系统和可读写的文件系统整合成一个根文件系统中。

10.如权利要求1～9中任意一项所述的适合移动应用的Linux操作系统的实现方法，其特征在于：

所述移动存储设备为支持USB接口的U盘或者USB Key。

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