CN103106091A - 一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统，包括：计算机设备，所述计算机设备具有内部存储介质，存放有操作系统启动引导文件、用户数据文件，所述启动系统还包括可移动存储介质，存放有根文件系统镜像文件。本发明还提供所述操作系统的启动方法，操作系统启动时，连接可移动存储介质，计算机设备根据内部存储介质中的系统引导分区记录，启动和装载引导管理程序，加载可移动存储介质中的根文件系统镜像文件。本发明通过将根文件系统镜像文件存放在外接的可移动存储介质中，既保证操作系统的安全性，又能方便用户自行修改相关数据。

Description

一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统和方法

技术领域

本发明涉及计算机领域，具体涉及一种计算机操作系统的启动系统和方法。

背景技术

目前通用Linux操作系统启动使用，一般都通过引导程序，加载内核，然后挂载根文件系统。基于这种方式运行的操作系统和运行方式有两种情况：

一种是操作系统直接安装在磁盘上，系统启动时通过引导程序，引导启动磁盘上的内核程序和挂载本地磁盘上的根文件系统，或是通过网络挂载NFS（网络文件系统），启动操作系统和运行程序。可读写的操作系统，通过各种方法安装或是写入可读写的磁盘存储介质上，设备上电后，通过引导程序直接启动磁盘上的内核和根文件系统，该系统的特点是文件系统启动后，系统是可写入和修改的。存在着系统在被严重修改或是磁盘数据不一致的情况下，操作系统将无法启动和运行起来的问题，必须重新安装系统才可以。另外，安装在磁盘上的可读写操作系统，根文件系统因为反复读写容易出现数据的不一致，关键数据容易被破坏，或是被黑客篡改，容易受到攻击。存在一定的安全性和不稳定的问题。操作系统损坏后必须重新安装系统和重新修改操作系统，重新安装操作系统和更换修复系统需要各种设备支持，不方便操作。

另一种是操作系统运行在U盘或是光盘介质上的liveCD或称为liveUSB，该系统为只读文件系统，该方式的文件系统为只读文件系统，所有文件包和启动程序都在同一个存储介质上，并且文件系统无法修改，一般作为操作系统的安装系统和测试环境所使用。只读文件系统，关机或是下电后，系统修改数据和用户不保存，通常只能作为工具使用，无法满足用户自己添加程序和修改系统数据的需求，只读文件系统和liveCD或是liveUSB定制和制作比较困难，不方便工业使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统和方法，用于Linux操作系统，既保证操作系统的安全性，又能方便用户自行修改相关数据。

本发明的操作系统的启动系统，包括：计算机设备，所述计算机设备包含内部存储介质，存放有系统启动引导文件、用户数据文件，所述启动系统还包括可移动存储介质，所述可移动存储介质中存放根文件系统文件。储存的根文件系统为镜像文件格式，本专利文件中称作“根文件系统镜像文件”。操作系统启动时将根文件系统镜像文件联合到计算机内部存储介质的临时内存文件系统，生成运行时的根文件系统，本专利文件中称作“运行时根文件系统”。

所述可移动存储介质可以采用计算机设备的通用总线接口与计算机设备连接，也可以采用计算机设备的通用接口外接线缆连接卡座的方式与计算机设备连接。

根据本发明的操作系统启动方法，启动操作系统时，连接带有根文件系统的可移动存储介质，计算机设备系统上电，根据在计算机设备内部装配的存储介质中的系统引导分区记录，启动和装载引导管理程序，启动内存文件系统定制的初始化程序，加载可移动存储介质中的根文件系统镜像文件，启动运行时根文件系统定制的初始化程序，从而启动整个操作系统。

所述启动内存文件系统定制的初始化程序包括：

加载系统驱动模块，配置基本运行环境，挂载虚拟文件系统（sysfs）、临时文件系统（proc）；

启动自定义脚本程序，识别外接可移动存储介质后，将所有存储介质进行统一管理，然后检测外接可移动存储介质中是否存在指定名称后缀的只读根文件系统镜像文件，找到指定的根文件系统镜像文件后将该文件挂载指定目录下；

加载另一种联合文件系统模块(AUFS)，通过联合文件系统模块将指定名称后缀的只读根文件系统镜像根据配置策略文件解压后和其他几个临时文件系统目录，以及用户数据存储分区一起联合成一个新的可读写根文件系统目录，且作为新的运行时根文件系统；

进入系统命令切换到新的运行时根文件系统目录且运行新的运行时根文件系统所连接到只读根文件系统的初始化程序。

所述的启动运行时根文件系统定制的初始化程序包括：

删除系统启动初始化列表文件（inittab），自建初始化列表的初始化过程，挂载用户应用程序数据分区；

启动系统默认的运行级别和系统服务，以及系统各种启动任务；

系统运行环境配置成功后，调用用户应用程序启动脚本，启动所有用户程序数据分区的应用程序，并且指定系统运行修改的用户数据和系统需要修改的配置文件存放到用户数据存储分区上。

本发明在计算机设备外连接可移动存储介质，作为操作系统的根文件系统镜像文件的存储介质，将操作系统引导文件与根文件系统镜像文件分别存储在两个不同存储介质中，实现系统引导文件和根文件系统的存储完全分离，系统启动时，自动识别、挂载和加载可移动存储介质中的根文件系统的镜像文件，构建新的运行时根文件系统，既保证计算机设备操作系统的安全性，又能方便用户自行修改相关数据。

附图说明                                                                                                             

图1是本发明一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统的结构示意图。

图2是本发明一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统的另一结构示意图。

图3是本发明启动系统所应用的操作系统的系统模块图。

图4是本发明的启动系统启动方法中初始化内存文件系统（Initrd.img）的镜像文件制作的流程图。

图5是本发明的启动系统启动方法中启动内存文件系统定制的初始化程序的流程图。

图6是本发明的启动系统启动方法中启动运行时根文件系统定制的初始化程序的流程图。

图7是本发明的启动系统运行方法中根文件系统镜像打包的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统，包括具有内部存储介质的计算机设备以及可移动存储介质，将计算机设备操作系统中的根文件系统存放于可移动存储介质中，系统启动时，自动识别、挂载和加载可移动存储介质中的根文件系统。本发明的操作系统的启动系统，既保证操作系统的安全性，又能方便用户自行修改相关数据。

图1是本发明一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统的结构示意图。计算机设备101通过设备总线装配有内部存储介质102，例如通过SATA总线内置挂载硬盘介质用作数据存放点。计算机设备101通过通用总线接口外接可移动存储介质103，例如通过USB总线接口，连接闪存盘，存放根文件系统。而计算机设备101装配的内部存储介质102存放系统启动引导程序以及用户数据。

图2是本发明一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统的另一结构示意图。计算机设备101通过通用接口和外接线缆方式，将可移动存储介质103的卡座204外挂绑定在计算机设备101上，可移动存储介质103通过卡座204插拔连接计算机设备101。

外接的可移动存储介质，以比较小和灵活的方式通过通用传输总线，比如说USB接口接入到计算机设备，计算机设备内置的存储介质存放引导程序、内核程序和用户程序数据，即可支持存放在可移动存储介质中的根文件系统的可插拔和可更换特性。

可移动存储介质中的只读根文件系统镜像文件可根据配置策略文件生成和系统启动加载加解密处理，在系统启动过程中，将只读根文件系统作为联合文件系统的一部分映射到新的操作系统根文件系统中，以一种临时的内存文件系统方式运行，运行时可支持文件系统的读写，但不可修改系统分区和外接可移动存储介质的数据文件。同时在只读根文件系统中定制的应用程序启动后，提供具体应用操作的数据存储，可将用户数据和与系统无关的数据存放到用户数据存储分区指定目录中。

 

参照图3，本发明所述的操作系统由三部分组成：系统启动引导区301，存放系统启动引导文件；可移动存储介质根文件系统区302，保存可移动和可更换的根文件系统核心数据内容；用户数据存储区303，可定义用户程序或是用户存储数据。所述系统启动引导区301和所述用户数据存储区303设置于计算机设备内部存储介质内，所述根文件系统区302设置于可移动存储介质内。

这三个区域承担着不同的功能和作用：

系统启动引导分区301：

存放系统启动引导文件，包括操作系统启动必须的引导装载程序，Linux操作系统的内核程序，原始初始化内存文件系统（initrd.img）程序，要求内核模块、初始化内存系统程序、用户数据存储区和外接可移动存储介质存放的根文件系统分开。该区域存放的数据在启动后，以只读形式存在，用户程序不可修改该区域的文件数据，安全性高。

可移动存储介质根文件系统区302：

该区域作为外接的可插拔的存储区存在，存放了只读文件系统镜像文件和配置策略文件，只读根文件系统镜像文件可采用高压缩率算法压缩的文件系统，它作为根文件系统的启动最关键部分数据，该文件系统主要承担了操作系统和应用程序对外发布功能，设备发布出厂后，所有设备只需要改变该只读文件系统镜像文件和配置策略文件即可变更操作系统的版本以及发布新版本的应用程序。而只读文件系统镜像文件和配置策略文件可承担加密功能，使得操作系统文件稳定、安全、可靠，变更快捷的功能特性。

用户数据存储区303：

存放用户数据文件。用户数据存储分区作为用户应用可选项，可定义存储用户程序或是用户存储数据。

 

根据本发明的操作系统启动方法，操作系统启动时，连接带有根文件系统的可移动存储介质到计算机设备，计算机设备系统上电，启动计算机设备内部存储介质中的存储文件，并加载可移动存储介质中的根文件系统完成启动。

具体地说，系统根据在计算机设备内部存储介质中的系统引导分区记录，启动和装载引导管理程序，启动内存文件系统定制的初始化程序，启动运行时根文件系统定制的初始化程序，从而启动整个操作系统。

 

启动内存文件系统定制的初始化程序，包括：加载内核，启动临时内存文件系统，加载根文件镜像文件，合并和生成运行时根文件系统。

引导管理程序从计算机设备内部存储介质中的系统引导区里面加载Linux操作系统可引导的、压缩的内核文件（vmlinuz）；内核加载后期将初始化内存文件系统（例如initrd.img）加载到内存，形成一个临时根文件系统，然后通过执行原始初始化内存文件系统中的初始化入口程序（init）程序启动和完成执行外部可移动存储介质的根文件系统镜像文件的识别，挂载，文件系统合并以及生产运行时根文件系统的启动程序。

初始化内存文件系统是Linux操作系统中一种常见的运行在内存中的内存文件系统，以initrd.img文件形式存在，一个很小的映射，包含了最小化的文件系统和应用功能，可采用Linux操作系统最常用命令和最简软件工具包（busybox工具）进行定制，但在Linux2.6内核版本后各个Linux操作系统发行版本基本上都支持和采用此文件系统进行系统的启动初始化。

为了支持外部可移动存储介质的根文件系统镜像文件的加载，合并临时根文件系统，生产最后操作系统运行时的根文件系统，需要对此内存文件系统（initrd.img）进行定制。

Initrd.img文件系统镜像文件制作，可采用现有Linux操作系统发布的initrd.img文件来定制，如图4所示，定制方法如下：

S41：通过解压工具和命令将发行版的initrd.img文件解压。

S42：增加自定义脚本使得在初始化挂载和识别硬盘分区前加载好外面存储介质驱动程序，保证外接存储介质的能够识别和可驱动起来；同时加载高压缩算法的功能驱动模块和另一种联合文件系统的功能驱动模块。

S43：添加自定义配置启动策略的自动化脚本：

1）脚本实现对外接可移动存储介质的识别，将计算机终端的本地磁盘分区和外接可移动存储分区统一编码管理。

2）引入启动配置策略文件，启动过程脚本根据启动配置策略文件启动对外接磁盘分区上的指定的根文件系统镜像文件自动识别，识别采用配置选项形式定义，配置脚本功能可支持识别文件系统镜像文件个数识别和错误提示；文件系统加解密配置可进行对只读文件系统镜像文件加解密处理；和进行错误提示；系统文件完整性安全检查和功能提示。

 S44：增加自定义根文件系统挂载脚本程序。

在内存文件系统挂载起来后，配置基本运行环境，建立暂时临时文件系统（tmpfs），挂载虚拟文件系统（sysfs）、临时文件系统（proc）。将外接可移动存储介质分区中的只读文件系统挂载在一个联合文件系统的最底层，临时文件系统作为顶层，以及内部装配的用户存储区的分区作为用户数据存储目录，一起挂载合并到联合文件系统上，构建成一个全新的运行时根文件系统。新的运行时根文件系统变成读写系统，但是外接可移动存储介质上的只读根文件系统镜像文件内容只做一个映射到全新的运行时根文件系统，不会受文件系统的可读写影响。

S45：系统环境时，直接运行只读文件系统所映射目录下的初始化启动程序。

 

内存文件系统定制的初始化程序主要用在加载外部可移动存储介质的根镜像文件以及生成运行时根文件系统，如图5所示，内存文件系统定制的初始化程序启动的主要执行过程如下：

S51：加载系统驱动模块，配置基本运行环境，挂载虚拟文件系统（sysfs）、临时文件系统（proc）。

S52：启动自定义脚本程序，识别外接可移动存储介质后，将所有存储介质进行统一管理，然后检测外接可移动存储介质中是否存在指定名称后缀的文件系统镜像，找到指定的文件系统镜像后将该文件挂载指定目录下。

S53：加载另一种联合文件系统模块(AUFS)，通过联合文件系统模块将指定名称后缀的只读文件系统镜像根据配置策略文件解压后和其他几个临时文件系统目录，以及用户数据存储分区合并一起联合成一个新的可读写根文件系统目录，且作为新的运行时根文件系统，此时外接可移动存储介质中的只读文件系统内容已经完全映射到新的运行时根文件系统中。

S54：通过系统命令切换到新的运行时根文件系统目录且运行新的运行时根文件系统所映射到只读根文件系统的初始化程序。

 

系统启动内存文件系统定制的初始化程序后，启动运行时根文件系统定制的初始化程序，从而启动操作系统服务和用户程序。

根据合并后的文件系统所定义的系统服务和系统配置，启动系统服务和应用程序软件，完成桌面Linux 操作系统的启动和应用程序的全部启动。

运行时根文件系统定制的初始化程序启动操作系统服务和用户程序过程：

在第一阶段的内存文件系统初始化程序启动过程中，挂载可移动存储介质的只读根文件系统镜像文件和其他临时文件系统后，进入联合文件系统对应只读文件系统中新映射的目录后，系统切换并且需要运行时根文件系统的系统启动程序。在运行时根文件系统启动程序中，可通过定制的启动脚本用来挂载用户数据存储区的磁盘分区，并且启动系统服务和桌面服务，完成应用程序的所有启动任务。

Linux操作系统服务启动和应用程序启动保持和原操作系统不变，但因为源操作系统的文件系统为可读写文件系统，所有操作系统目录都打包进入了只读根文件系统镜像包中，应用程序的数据读写将得到不到保存，如果应用程序稳定，可完全固化，则选择和操作系统完成打包成只读根文件系统镜像包，可跳过下面步骤直接在系统配置服务完毕后启动应用服务。如果用户程序应用有可变数据存储和支持持续升级，则进入下面操作步骤，如图6所示：

S61：删除系统启动初始化列表文件（inittab），自建inittab初始化过程，挂载用户应用程序数据分区。

该分区用作用户应用程序和定制程序的存储和读写，用户程序需要修改的系统配置文件和系统文件也存放在此分区中。

S62：启动脚本挂载用户应用程序数据分区后，启动系统默认的运行级别和系统服务，以及系统各种启动任务。

S63：系统运行环境配置成功后，调用用户应用程序启动脚本，启动所有用户程序数据分区的应用程序，并且指定系统运行修改的用户数据和系统需要修改的配置文件存放到用户数据存储分区上，保持系统重启后系统配置能够保持用户配置和用户数据不丢失掉。

 

本发明中，可移动存储介质中的根文件系统镜像文件通过自动化打包拷贝到可移动存储介质中。可移动存储介质的只读根文件系统镜像文件是可移动存储介质操作系统运行的核心部分，是一个包含了原始Linux操作系统和用户应用程序的高密度压缩包。

如图7所示，可移动存储介质的只读根文件系统镜像文件自动化打包装置实现过程：

S71：镜像文件自动化脚本启动运行；

S72：读取指定位置处的打包配置定向文件，根据重定向配置输入处理原始操作系统和用户程序数据，打包配置定向文件是提供给用户自定义填写的配置需求项，采用简单可视化脚本(例如python)窗体格式提供给用户填写；

S73：根据打包配置定向文件，将原始操作系统根据配置定向文件的要求打包成多种类型选项文件，比如说原始操作系统只读根文件系统镜像文件的镜像包（无需加入配置策略文件，在系统启动过程状态保持和原始操作系统启动过程和启动服务一致）或是配置策略文件加原始操作系统只读文件系统的镜像包或是配置策略文件外加多只读文件系统定制的镜像包（操作系统更加用户需求拆分多个分区镜像包）；

S74：自动化工具在只读根文件系统镜像文件的镜像包打包成功后，自动检测和提示用户插入可移动存储介质；

S75：查找到可移动存储介质插入后，挂载该存储介质，将镜像包自动拷贝到该可移动存储介质中，提示用户打包成功，拔出可移动存储介质。

操作系统的只读根文件系统镜像文件可通过自动化脚步进行定制操作系统和配置用户程序。外接的存储介质上的只读根文件系统镜像文件可通过定制装置的配置策略文件灵活配置，自动生成，更新后插入计算设备接口上即可。无需重新安装操作系统，即可实现操作系统和应用程序的更新和版本的升级。

 

以上对本发明所提供的一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统和方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于可移动存储介质的操作系统的启动系统，包括：计算机设备，所述计算机设备包含内部存储介质，存放有系统启动引导文件、用户数据文件，其特征在于，所述启动系统还包括可移动存储介质，所述可移动存储介质中存放根文件系统文件，所述根文件系统文件在操作系统启动时被加载到所述内部存储介质中以完成操作系统的启动。

2.根据权利要求1所述的基于可移动存储介质的操作系统的启动系统，其特征在于，所述根文件系统文件以镜像文件格式存储在可移动存储介质中。

3.根据权利要求1所述的基于可移动存储介质的操作系统的启动系统，其特征在于，所述可移动存储介质采用计算机设备的通用总线接口与计算机设备连接。

4.根据权利要求1所述的基于可移动存储介质的操作系统的启动系统，其特征在于，所述可移动存储介质采用计算机设备的通用接口外接线缆连接卡座的方式与计算机设备连接。

5.一种基于可移动存储介质的操作系统启动方法，包括：

步骤一：带有根文件系统文件的可移动存储介质与计算机设备连接，计算机设备上电；

步骤二：启动计算机设备内部存储介质中的存储文件，并加载可移动存储介质中的根文件系统完成启动。

6.根据权利要求5所述的基于可移动存储介质的操作系统启动方法，其特征在于，所述步骤二包括：

根据在计算机设备内部存储介质中的系统引导分区记录，启动和装载引导管理程序；

启动内存文件系统定制的初始化程序；

启动运行时根文件系统定制的初始化程序。

7.根据权利要求6所述的基于可移动存储介质的操作系统启动方法，其特征在于，所述启动内存文件系统定制的初始化程序包括：

加载系统驱动模块，配置基本运行环境，挂载虚拟文件系统（sysfs）、临时文件系统（proc）；

启动自定义脚本程序，识别外接可移动存储设备后，将所有存储设备进行统一管理，检测外接可移动存储设备中是否存在指定后缀名称的只读根文件系统镜像文件，找到指定的根文件系统镜像文件后将该文件挂载指定目录下；

加载另一种联合文件系统模块(AUFS)，通过联合文件系统模块将指定后缀名称的只读根文件系统镜像根据配置策略文件解压后和其他几个临时文件系统目录，以及用户数据存储分区一起联合成一个新的可读写根文件系统目录，且作为新的运行时根文件系统；

命令切换进入系统到新的运行时根文件系统目录，且运行新的运行时根文件系统所连接到只读根文件系统的初始化程序。

8.根据权利要求6所述的基于可移动存储介质的操作系统启动方法，其特征在于，所述启动运行时根文件系统定制的初始化程序包括： 

删除系统启动初始化列表文件（inittab），自建初始化列表初始化过程，挂载用户应用程序数据分区；

启动系统默认的运行级别和系统服务，以及系统各种启动任务；

系统运行环境配置成功后，调用用户应用程序启动脚本，启动所有用户程序数据分区的应用程序，并且指定系统运行修改的用户数据和系统需要修改的配置文件存放到用户数据存储分区上。

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