LeavaTailの日記

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Linuxエンジニアを目指した技術者の備忘録

Raspberry Pi 4 Model B をネットワークブートで起動させる

Device Device/Raspberry Pi

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概要

Raspberry Pi 4 Model BからLinuxカーネル (Raspbian)をネットワークブートするための環境を構築する方法を解説する。

Raspberry Pi 用カーネルのLinux Kernel 5.10をビルドし、ルートファイルシステムに必要なパッケージをインストールする。

Raspberry Pi 4 Model Bは、SDカードを挿入せずにネットワーク上にあるネットワークサーバからブートイメージとルートファイルシステムを取得する。

はじめに

Raspberry Pi 4 Model B (Raspberry Pi 4) は安価に手に入るシングルボードコンピュータとして広く利用されている。
Raspberry Pi は、DebianベースOSのRaspberry Pi OSが搭載されている。 そのため、組込みLinuxの動作確認用のボードとして手軽に使うことができる。

そして、組込みシステムの開発段階やデバッグ段階では、ネットワーク経由からシステムを起動（ネットワークブート）できることが理想的である。 Raspberry Pi 4では、ネットワーク経由からブートイメージの取得ルートファイルシステムのマウントして起動させることができる。

そこで、本記事ではRaspberry Pi 用カーネルのLinux Kernel 5.10を自前でビルドして、ネットワークブートを利用して起動する方法を記載する。

また、作成する環境でdm-verityとfs-verityが使えるようにセットアップする。

実行環境

下記の環境を使用して説明する。

ネットワーク構成図

開発用セグメントに、使用するRaspberry Pi 4 Model Bを接続する。

ネットワークブートサーバの詳細は下記のとおりである。

名前 詳細
OS Ubuntu 20.04.01 LTS
Kernel 5.4.0-58-generic
IPアドレス (eth0) 192.168.1.11
IPアドレス (eth1) 172.16.1.1
ユーザ名 leava
ホスト名 server
Raspberry Pi 4のブートイメージ格納予定 /srv/boot
Raspberry Pi 4のルートファイルシステム格納予定 /srv/rootfs

計測対象のRaspberry Pi 4 Model Bの詳細は下記のとおりである。

名前 詳細
Hardware Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.2 (4GB)
OS Raspbian GNU/Linux 10 (buster)
Kernel Linux version 5.10.3-v7l+
SDカード HDMCSDH16GCL10UIJP-WOA
USBメモリ SILICON POWER SP032GBUF3B02V1K
IPアドレス (eth0) 172.16.1.3
ユーザ名 pi
ホスト名 raspberry

構築手順

Raspbian GNU/Linux 10 (buster)は、Linux Kernel 5.4.79ベースのOSとなっている。
この記事では、Linux Kernel 5.10.3を自前でビルドする。

ここでは、次回以降の検証のためにdm-verityとfs-verity関連のコンフィグを有効化しているので、不要の人はスキップしてほしい。

ネットワークブートへの対応

ネットワークブートサーバの構築方法については気になる方は、下記のページを参照してほしい。

leavatail.hatenablog.com

  1. 必要パッケージのインストール

     pi@raspberrypi:~ $ sudo apt update
 pi@raspberrypi:~ $ sudo apt full-upgrade
 pi@raspberrypi:~ $ sudo apt install rpi-eeprom

  2. EEPROM のアップデート (著者の環境は既にアップデート済み状態)

     pi@raspberrypi:~ $ sudo rpi-eeprom-update
 BCM2711 detected
 Dedicated VL805 EEPROM detected
 BOOTLOADER: up-to-date
 CURRENT: 2020年 12月 11日 金曜日 11:15:17 UTC (1607685317)
  LATEST: 2020年 12月 11日 金曜日 11:15:17 UTC (1607685317)
  FW DIR: /lib/firmware/raspberrypi/bootloader/stable
 VL805: up-to-date
 CURRENT: 000138a1
  LATEST: 000138a1

  3. 既存のEEPROMの設定を確認する

     pi@raspberrypi:~ $ vcgencmd bootloader_config
 [all]
 BOOT_UART=0
 BOOT_ORDER=0x1

  4. EEPROMの設定を更新する

     pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config
     ->6 Advanced Options     Configure advanced settings
       -> A6 Boot Order              Choose network or USB device boot 
         -> B2 Network Boot Boot from network if SD card boot fails

  5. EEPROMの設定が更新されていることを確認する

     pi@raspberrypi:~ $ vcgencmd bootloader_config
 [all]
 BOOT_UART=0
 BOOT_ORDER=0xf21

  6. 起動させるカーネルイメージを用意する。公式イメージの「Raspberry Pi OS Lite」から抽出する。

     leava@server:~ $ wget https://downloads.raspberrypi.org/raspios_lite_armhf/images/raspios_lite_armhf-2020-12-04/2020-12-02-raspios-buster-armhf-lite.zip
 leava@server:~ $ unzip 2020-12-02-raspios-buster-armhf-lite.zip
 leava@server:~ $ sudo kpartx -av 2020-12-02-raspios-buster-armhf-lite.img
 add map loop4p1 (253:0): 0 524288 linear 7:4 8192
 add map loop4p2 (253:1): 0 3096576 linear 7:4 532480

 leava@server:~ $ sudo mount /dev/mapper/loop4p1 /mnt/boot
 leava@server:~ $ sudo mount /dev/mapper/loop4p2 /mnt/rootfs
 leava@server:~ $ sudo rsync -av /mnt/boot/ /srv/boot/
 leava@server:~ $ sudo rsync -av /mnt/rootfs/ /srv/rootfs/
 leava@server:~ $ sudo umount /mnt/boot
 leava@server:~ $ sudo umount /mnt/rootfs

 leava@server:~ $ sudo kpartx -d 2020-12-02-raspios-buster-armhf-lite.img

 leava@server:~ $ sudo mv /srv/tftpboot/cmdline.txt /srv/tftpboot/cmdline.txt.old
 leava@server:~ $ echo "console=serial0,115200 console=tty1 root=/dev/nfs nfsroot=172.16.1.1:/srv/rootfs,vers=3,proto=tcp rw ip=dhcp rootwait elevator=deadline" | sudo tee /srv/tftpboot/cmdline.txt

  7. Raspberry Pi 4 のSDカードを抜去して、電源を再投入する

カーネルをビルド

公式ページのCross-compileを参考に32-bit カーネルをビルドする。

  1. ビルドに必要なパッケージをインストール

     leava@server:~ $ sudo apt install git bc bison flex libssl-dev make libc6-dev libncurses5-dev crossbuild-essential-armhf

  2. Raspberry Pi 公式のカーネルソースをダウンロードする

     leava@server:~ $ git clone --depth=1 --branch rpi-5.10.y https://github.com/raspberrypi/linux

  3. デフォルトのコンフィグを生成する

     leava@server:~ $ cd linux
 leava@server:~/linux $ KERNEL=kernel7l
 leava@server:~/linux $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2711_defconfig

  4. コンフィグを修正する (fs-verityとdm-verityの有効化)

     leava@server:~/linux $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig  

   File systems  --->   
     [*] FS Verity (read-only file-based authenticity protection)       
     [*]   FS Verity builtin signature support    
  Device Drivers  ---> 
     [*] Multiple devices driver support (RAID and LVM)  --->  
       <*>   Device mapper support 
       [*]     Device mapper debugging support    
       <*>     Verity target support
       [*]       Verity data device root hash signature verification support

  5. カーネルのビルド

     leava@server:~/linux $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j$(nproc) zImage modules dtbs

  6. カーネルモジュールのインストール

     leava@server:~/linux $ sudo env PATH=$PATH make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- INSTALL_MOD_PATH=/srv/rootfs modules_install

  7. カーネルイメージのインストール

     leava@server:~/linux $ sudo cp arch/arm/boot/zImage /srv/boot/$KERNEL.img
 leava@server:~/linux $ sudo cp arch/arm/boot/dts/*.dtb /srv/boot
 leava@server:~/linux $ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* /srv/boot/overlays/
 leava@server:~/linux $ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/README /srv/boot/overlays/

ルートファイルシステムの更新

QEMUを利用して、ルートファイルシステムに必要なパッケージをインストールする。

  1. 必要なパッケージをインストール

     leava@server:~ $ sudo apt-get install qemu-user-static

  2. Raspberry Pi 4B の ルートファイルシステム にユーザモードエミュレータをコピーする

     leava@server:~ $ sudo update-binfmts --display | grep arm
 qemu-arm (enabled):
  interpreter = /usr/bin/qemu-arm-static
 qemu-armeb (enabled):
  interpreter = /usr/bin/qemu-armeb-static

 leava@server:~ $ sudo cp /usr/bin/qemu-arm-static /srv/rootfs/usr/bin/

  3. chrootでルートファイルシステムを変更するための準備

     leava@server:~ $ sudo mount -t sysfs sysfs arm/raspbian/sys
 leava@server:~ $ sudo mount -t proc proc arm/raspbian/proc
 leava@server:~ $ sudo mount -t devtmpfs udev arm/raspbian/dev
 leava@server:~ $ sudo mount -t devpts devpts arm/raspbian/dev/pts

  4. chrootでルートファイルシステムを変更する

     leava@server:~ $ sudo chroot /srv/rootfs/ /usr/bin/bash
 root@server:/# root@mainserver:/# lsb_release -a
 No LSB modules are available.
 Distributor ID: Raspbian
 Description:    Raspbian GNU/Linux 10 (buster)
 Release:        10
 Codename:       buster

  5. Raspberry Pi 4用のrootfsにに最低限の設定をする

     root@server:/# systemctl enable ssh.service

  6. Raspberry Pi 4用のrootfsに必要最低限のパッケージをインストールする

     root@server:/# apt-get install libssl-dev fio
 root@server:/# wget https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/ebiggers/fsverity-utils.git/snapshot/fsverity-utils-1.2.tar.gz
 root@server:/# tar xf fsverity-utils-1.2.tar.gz
 root@server:/# cd fsverity-utils-1.2
 root@server:/fsverity-utils-1.2# make && make install

実行結果

  1. Raspberry Pi 4 の電源を再投入する

  2. シリアルコンソール経由でアクセスする。

     Raspbian GNU/Linux 10 raspberrypi ttyS0

 raspberrypi login: root
 Password: 
 Last login: Thu Dec  3 16:27:35 GMT 2020 on ttyS0
 Linux raspberrypi 5.10.3-v7l+ #1 SMP Mon Dec 28 05:53:15 UTC 2020 armv7l

 The programs included with the Debian GNU/Linux system are free software;
 the exact distribution terms for each program are described in the
 individual files in /usr/share/doc/*/copyright.

 Debian GNU/Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent
 permitted by applicable law.

 SSH is enabled and the default password for the 'pi' user has not been changed.
 This is a security risk - please login as the 'pi' user and type 'passwd' to set a new password.


 Wi-Fi is currently blocked by rfkill.
 Use raspi-config to set the country before use.

 root@raspberrypi:~#

おわりに

本記事ではRaspberry Pi 用カーネルのLinux Kernel 5.10を自前でビルドして、ネットワークブートを利用して起動する方法を記載する。
次回は、作成した環境でdm-verityとfs-verityの使い方について確認する。

変更履歴

  • 2021/1/1: 記事公開
  • 2021/2/22: dm-verityとfs-verityの記事は別記事で管理する

参考