Documentation/driver-api/early-userspace/early_userspace_support.rst

   1 =======================
   2 Early userspace support
   3 =======================
   4
   5 Last update: 2004-12-20 tlh
   6
   7
   8 "Early userspace" is a set of libraries and programs that provide
   9 various pieces of functionality that are important enough to be
  10 available while a Linux kernel is coming up, but that don't need to be
  11 run inside the kernel itself.
  12
  13 It consists of several major infrastructure components:
  14
  15 - gen_init_cpio, a program that builds a cpio-format archive
  16   containing a root filesystem image.  This archive is compressed, and
  17   the compressed image is linked into the kernel image.
  18 - initramfs, a chunk of code that unpacks the compressed cpio image
  19   midway through the kernel boot process.
  20 - klibc, a userspace C library, currently packaged separately, that is
  21   optimized for correctness and small size.
  22
  23 The cpio file format used by initramfs is the "newc" (aka "cpio -H newc")
  24 format, and is documented in the file "buffer-format.txt".  There are
  25 two ways to add an early userspace image: specify an existing cpio
  26 archive to be used as the image or have the kernel build process build
  27 the image from specifications.
  28
  29 CPIO ARCHIVE method
  30 -------------------
  31
  32 You can create a cpio archive that contains the early userspace image.
  33 Your cpio archive should be specified in CONFIG_INITRAMFS_SOURCE and it
  34 will be used directly.  Only a single cpio file may be specified in
  35 CONFIG_INITRAMFS_SOURCE and directory and file names are not allowed in
  36 combination with a cpio archive.
  37
  38 IMAGE BUILDING method
  39 ---------------------
  40
  41 The kernel build process can also build an early userspace image from
  42 source parts rather than supplying a cpio archive.  This method provides
  43 a way to create images with root-owned files even though the image was
  44 built by an unprivileged user.
  45
  46 The image is specified as one or more sources in
  47 CONFIG_INITRAMFS_SOURCE.  Sources can be either directories or files -
  48 cpio archives are *not* allowed when building from sources.
  49
  50 A source directory will have it and all of its contents packaged.  The
  51 specified directory name will be mapped to '/'.  When packaging a
  52 directory, limited user and group ID translation can be performed.
  53 INITRAMFS_ROOT_UID can be set to a user ID that needs to be mapped to
  54 user root (0).  INITRAMFS_ROOT_GID can be set to a group ID that needs
  55 to be mapped to group root (0).
  56
  57 A source file must be directives in the format required by the
  58 usr/gen_init_cpio utility (run 'usr/gen_init_cpio -h' to get the
  59 file format).  The directives in the file will be passed directly to
  60 usr/gen_init_cpio.
  61
  62 When a combination of directories and files are specified then the
  63 initramfs image will be an aggregate of all of them.  In this way a user
  64 can create a 'root-image' directory and install all files into it.
  65 Because device-special files cannot be created by a unprivileged user,
  66 special files can be listed in a 'root-files' file.  Both 'root-image'
  67 and 'root-files' can be listed in CONFIG_INITRAMFS_SOURCE and a complete
  68 early userspace image can be built by an unprivileged user.
  69
  70 As a technical note, when directories and files are specified, the
  71 entire CONFIG_INITRAMFS_SOURCE is passed to
  72 usr/gen_initramfs_list.sh.  This means that CONFIG_INITRAMFS_SOURCE
  73 can really be interpreted as any legal argument to
  74 gen_initramfs_list.sh.  If a directory is specified as an argument then
  75 the contents are scanned, uid/gid translation is performed, and
  76 usr/gen_init_cpio file directives are output.  If a directory is
  77 specified as an argument to usr/gen_initramfs_list.sh then the
  78 contents of the file are simply copied to the output.  All of the output
  79 directives from directory scanning and file contents copying are
  80 processed by usr/gen_init_cpio.
  81
  82 See also 'usr/gen_initramfs_list.sh -h'.
  83
  84 Where's this all leading?
  85 =========================
  86
  87 The klibc distribution contains some of the necessary software to make
  88 early userspace useful.  The klibc distribution is currently
  89 maintained separately from the kernel.
  90
  91 You can obtain somewhat infrequent snapshots of klibc from
  92 https://www.kernel.org/pub/linux/libs/klibc/
  93
  94 For active users, you are better off using the klibc git
  95 repository, at https://git.kernel.org/?p=libs/klibc/klibc.git
  96
  97 The standalone klibc distribution currently provides three components,
  98 in addition to the klibc library:
  99
 100 - ipconfig, a program that configures network interfaces.  It can
 101   configure them statically, or use DHCP to obtain information
 102   dynamically (aka "IP autoconfiguration").
 103 - nfsmount, a program that can mount an NFS filesystem.
 104 - kinit, the "glue" that uses ipconfig and nfsmount to replace the old
 105   support for IP autoconfig, mount a filesystem over NFS, and continue
 106   system boot using that filesystem as root.
 107
 108 kinit is built as a single statically linked binary to save space.
 109
 110 Eventually, several more chunks of kernel functionality will hopefully
 111 move to early userspace:
 112
 113 - Almost all of init/do_mounts* (the beginning of this is already in
 114   place)
 115 - ACPI table parsing
 116 - Insert unwieldy subsystem that doesn't really need to be in kernel
 117   space here
 118
 119 If kinit doesn't meet your current needs and you've got bytes to burn,
 120 the klibc distribution includes a small Bourne-compatible shell (ash)
 121 and a number of other utilities, so you can replace kinit and build
 122 custom initramfs images that meet your needs exactly.
 123
 124 For questions and help, you can sign up for the early userspace
 125 mailing list at https://www.zytor.com/mailman/listinfo/klibc
 126
 127 How does it work?
 128 =================
 129
 130 The kernel has currently 3 ways to mount the root filesystem:
 131
 132 a) all required device and filesystem drivers compiled into the kernel, no
 133    initrd.  init/main.c:init() will call prepare_namespace() to mount the
 134    final root filesystem, based on the root= option and optional init= to run
 135    some other init binary than listed at the end of init/main.c:init().
 136
 137 b) some device and filesystem drivers built as modules and stored in an
 138    initrd.  The initrd must contain a binary '/linuxrc' which is supposed to
 139    load these driver modules.  It is also possible to mount the final root
 140    filesystem via linuxrc and use the pivot_root syscall.  The initrd is
 141    mounted and executed via prepare_namespace().
 142
 143 c) using initramfs.  The call to prepare_namespace() must be skipped.
 144    This means that a binary must do all the work.  Said binary can be stored
 145    into initramfs either via modifying usr/gen_init_cpio.c or via the new
 146    initrd format, an cpio archive.  It must be called "/init".  This binary
 147    is responsible to do all the things prepare_namespace() would do.
 148
 149    To maintain backwards compatibility, the /init binary will only run if it
 150    comes via an initramfs cpio archive.  If this is not the case,
 151    init/main.c:init() will run prepare_namespace() to mount the final root
 152    and exec one of the predefined init binaries.
 153
 154 Bryan O'Sullivan <bos@serpentine.com>