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搭建基于 Ubuntu Server 的 PXE 自动安装环境的实用指南

作者: 梦见山

| 2021-08-17 22:33      

Ubuntu 在不断进化,从 20.04 开始,Ubuntu 决定更新实时服务器安装程序,只用 Subiquity 就能完全完成操作系统及附加程序的自动安装。以前用的 kickstart、debian-installer 都不是 Ubuntu 自家技术,用起来也不是很方便。

同时,PXE 技术虽然出来很久了,但是整个安装过程还不是特别顺畅,随着 Ubuntu 升级到 20.04,使用 cloud-init 安装配置实现 Subiquity 参数的自动填写,整个过程变得些微优雅起来,让我有较大兴趣尝试使用 PXE 安装 Ubuntu 20.04 Server。

本文,我想讲的是在 Ubuntu 20.04 Server 上搭建一套自动安装 Ubuntu 20.04 Server 的部署环境,其主要内容有两部分:

  1. 使用 PXE 自动从网络加载安装程序,发起安装。
  2. 使用 Ubuntu 的自动安装功能,自动加载 cloud-init 安装配置,完成操作系统的自动选择。

第一部分所有操作系统应该都是一样的,第二部分和 Ubuntu 20.04 版本紧密相关,其他的操作系统需要考虑其他方法。

PXE 安装流程

PXE(预启动执行环境Pre-boot Execution Environment)的实现依赖于网卡,只有支持 PXE 客户端的网卡才能实现网络自动安装。这种网卡实现了 DHCP 客户端和 TFTP 客户端,在 BIOS 的引导下通过 DHCP 协议自动分配 IP 地址,通过 TFTP 获取最小内核,然后在最小内核环境下通过 HTTP 协议或 NFS 协议获取 Ubuntu 安装版本。之后最小内核引导进行 Ubuntu 20.04 的安装。

下图是详细的安装流程。

上图有几个前提:

  1. 网卡支持 PXE,今年新出的网卡基本都支持,同时 BIOS 的启动项也要配置,请大家自行研究。
  2. UEFI 启动才会请求 bootx64.efi,如果是传统启动模式Legacy),那么 PXE 客户端会请求 pxelinux.0
  3. 可以采用 nfsboot 方式,这个流程采用的是 ISO 镜像下载再安装的方式。

安装必须的服务端软件

  1. 安装 DHCP、TFTP 服务器。dnsmasq 同时实现了 DHCP、TFTP、DNS 三种服务器

    sudo apt-get install dnsmasq

  2. 安装 HTTP 服务器

    HTTP 服务器有很多,大家可以使用自己的熟悉的服务器如 Nginx,这里使用的是apache2

    sudo apt-get install apache2

准备启动文件

  1. 下载 UEFI 引导文件:shim.signedgrub-efi-amd64-signed
    apt-get download shim.signed
    apt-get download grub-efi-amd64-signed
    
  2. 下载 Ubuntu 20.04 Server ISO 镜像

    直接去官网下载,我下载的是 ubuntu-20.04.2-live-server-amd64.iso,需要注意的是只有 Live 版本才能支持 subiquity。

创建 TFTP 文件夹

TFTP 文件夹是 TFTP 服务的根目录,PXE 启动过程中下载的文件都存在在该目录中:

tftp
├── boot
│   └── live-server
│       ├── initrd
│       └── vmlinuz
├── grub
│   ├── bootx64.efi
│   ├── font.pf2
│   └── grub.cfg
└── grubx64.efi

说明:

  1. bootx64.efigrubx64.efi 引导程序来自 shim.signed 安装包
  2. grub.cfg 自行创建
  3. 其他文件来自 Ubuntu 安装包
  4. 这五个文件是需要的,但是目录结构是自行创建的,大家可以根据自己的喜好修改

创建目录

在 /home/mine(可根据实际情况修改)目录下创建 tftp 目录:

mkdir /home/mine/tftp
mkdir /home/mine/tftp/grub
mkdir /home/mine/tftp/boot
mkdir /home/mine/tftp/boot/live-server

获取引导文件

  1. 在安装包下载目录创建一个 shim 文件夹
  2. 解压 shim 安装包到 shim文件夹:dpkg -x <%刚才下载的shim.signed 安装包包名%> shim
  3. 解压 grub 安装包到 grub 文件夹
  4. 拷贝引导文件到 tftp目录
cp ./sgrub/usr/lib/grub/x86_64-efi-signed/grubnetx64.efi.signed  /home/mine/tftp/grubx64.efi
cp ./shim/usr/lib/shim/shimx64.efi.signed  /home/mine/tftp/grub/bootx64.efi

获取内核镜像文件

  1. 在下载目录挂载 ISO 文件
    sudo mount ubuntu-20.04.2.0-desktop-amd64.iso /media
    

    系统会提示只读,不影响使用。

    mount: /media: WARNING: device write-protected, mounted read-only.
    
  2. 拷贝内核镜像文件
    cp /media/casper/initrd       /home/mine/tftp/boot/live-server
    cp /media/casper/vmlinuz      /home/mine/tftp/boot/live-server
    
  3. 拷贝 grub 文件

    grub.cfg 拷贝过来做个参考,内容会被全部修改掉。

    cp /media/grub/font.pf2       /home/mine/tftp/grub
    cp /media/grub/grub.cfg       /home/mine/tftp/grub
    

配置 dnsmasq

关键配置有以下几个:

  1. 配置 DHCP 地址段
  2. 配置引导文件目录
  3. 配置 tftp 根目录
  4. 配置日志路径
  5. 配置服务网卡,多网卡机器需关注
# 配置外网 DNS 服务器地址
server=114.114.114.144

# 指定服务的网卡
interface=enp2s0,lo

# 绑定端口
bind-interfaces

# 设置 DHCP 分发 IP 端范围、地址掩码、IP 地址有效时间
dhcp-range=192.168.1.100,192.168.1.150,255.255.255.0,12h

# 指定网关地址
# 和安装无关,应该可以不配置
dhcp-option=3,192.168.1.9

# 指定 DNS 服务器地址
# 和安装无关,应该可以不配置
dhcp-option=6,114.114.114.114

# 设置引导程序相对 tftp 根目录的路径
dhcp-match=set:efi-x86_64,option:client-arch,7
dhcp-boot=tag:efi-x86_64,grub/bootx64.efi

# 启用 tftp 服务
enable-tftp

# 设置 tftp 根路径
tftp-root=/home/mine/tftp

# 设置日志路径
log-facility=/var/log/dnsmasq.log

修改配置后,重启 dnsmasq 服务才能生效。

创建 HTTP 文件夹

Apache2 的默认服务根目录是 /var/www/html,在其下创建目录:

html/
├── autoinstall
│   ├── meta-data
│   └── user-data
├── index.html
└── iso
    └── ubuntu-20.04.2-live-server-amd64.iso

说明:

  1. autoinstall 目录存放参数自动配置文件,user-datameta-data 是cloud-init 要求的文件名
  2. iso 目录存放操作系统镜像文件

创建目录

mkdir /var/www/html/autoinstall
mkdir /var/www/html/iso

拷贝 ISO 文件

到下载目录拷贝 ISO 文件:

cp  ubuntu-20.04.2-live-server-amd64.iso /var/www/html/iso

创建参数自动配置文件

先创建空文件,meta-data 无需修改,user-data 后续会详细描述配置。

touch /var/www/html/autoinstall/user-data
touch /var/www/html/autoinstall/meta-data

配置 grub.cfg

if loadfont /grub/font.pf2 ; then
        set gfxmode=auto
        insmod efi_gop
        insmod efi_uga
        insmod gfxterm
        terminal_output gfxterm
fi

set menu_color_normal=white/black
set menu_color_highlight=black/light-gray
set timeout=5

menuentry "Ubuntu server 20.04 autoinstall" {
        set gfxpayload=keep
        linux  /boot/live-server/vmlinuz root=/dev/ram0 ramdisk_size=1500000 ip=dhcp url='http://192.168.1.9/iso/ubuntu-20.04.2-live-server-amd64.iso' autoinstall ds=nocloud-net\;s=http://192.168.1.9/autoins
tall/ ---
        initrd /boot/live-server/initrd
}

menuentry 之前是配置样式,也可以删除,重点关注 menuentry "Ubuntu server 20.04 autoinstall" 内的配置:

  1. 指定镜像文件相对于 tftp 根目录的路径 /boot/live-server/initrd
  2. root=/dev/ram0 ramdisk_size=1500000 为了指定内核镜像挂载空间,是否可删除我不确定
  3. ip=dhcp 指定内核镜像挂载后使用 DHCP 获取 IP 地址
  4. url= 指定 ISO 文件的网络存放路径
  5. autoinstall ds=nocloud-net\;s=http://192.168.1.9/autoinstall/ --- 该配置指明参数自动填写,并指明配置文件所在路径

网上很多文章配置是这么写的 ds=nocloud-net;s=http://192.168.1.9/autoinstall/,我试了很多次,都没有自动安装。

在网上查到,由于 UEFI 启动使用了 grub,它将 ; 识别为了特殊字符,所以要在 ;前加 \ 转义。

配置 user-data

#cloud-config
autoinstall:
  version: 1
  # 修改apt 服务地址
  apt:
    primary:
    - arches: [default]
      uri: https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu
  user-data:
    # 配置时区
    timezone: Asia/Shanghai
    # 去使能 root账号
    disable_root: true
  # 配置用户  
  identity:
    hostname: ubuntu-server
    password: "yours"
    username: ubuntu
  # 配置键盘  
  keyboard: {layout: us, variant: ''}
  locale: en_US.UTF-8
  # 配置代理
  proxy: http://192.168.1.112:3128
  # 默认安装ssh server
  ssh:
    install-server: true
  # 指定安装的包
  packages:
    - net-tools
    - python3-pip
  # 配置磁盘分区
  storage:
    grub:
      reorder_uefi: False
    config:
    - {ptable: gpt, path: /dev/sda, wipe: superblock-recursive, preserve: false, name: '',
      grub_device: false, type: disk, id: disk-sda}
    - {device: disk-sda, size: 536870912, wipe: superblock, flag: boot, number: 1,
      preserve: false, grub_device: true, type: partition, id: partition-0}
    - {fstype: fat32, volume: partition-0, preserve: false, type: format, id: format-0}
    - {device: disk-sda, size: -1, wipe: superblock, flag: '', number: 2,
      preserve: false, type: partition, id: partition-1}
    - {fstype: ext4, volume: partition-1, preserve: false, type: format, id: format-1}
    - {device: format-1, path: /, type: mount, id: mount-1}
    - {device: format-0, path: /boot/efi, type: mount, id: mount-0}

说明:

  1. 密码需要加密,可以先用工具对自己的密码进行加密后填入
  2. 代理不是必须的配置,与网络拓扑有关
  3. 磁盘分区配置要注意,配置不对会导致自动安装走不下去,提示 crash;这个配置的整体思路是先格式化 disk-sda,然后在 disk-sda 下划分 /dev/sda1/dev/sda2 ,然后分别挂载 //boot/efi 目录
  4. 安装过程日志在 /var/log/installer/,如果安装失败可以通过 nc 等工具实时发出去

网络拓扑

  1. 我在电脑上搭建了 DHCP、TFTP、HTTP 三种服务
  2. 我在代理机上搭建了 squid,作为 HTTP 代理
  3. 目标机器不能上网,三台机器在同一个局域网

配置静态 IP

在服务机开始服务前,需要在提供服务的网卡上配置静态 IP,Ubuntu 20.04 配置 netplan 即可,参考以下配置修改文件 /etc/netplan/00-installer-config.yaml,修改完成后执行 netplan apply 配置即可生效。

# This is the network config written by 'subiquity'
network:
  ethernets:
    enp2s0:
      addresses:
      - 192.168.1.9/24
      gateway4: 192.168.1.1
      nameservers:
        addresses:
        - 114.114.114.114
        search:
        - 114.114.114.114

鸣谢

  1. 文章的基石来自 Grffion,没有这篇文章我会摸索更长时间
  2. 这篇 askubuntu 的讨论 解决了坑
  3. user-data 磁盘分区配置来自 小崔

本文作者梦见山,授权转载。题图来源网络。



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