우리가 프로그래밍 및 개발을 진행하는데 있어서 테스트를 진행할 환경을 구축하는 경우가 있다. 이러한 테스트를 위해서 우리는 종종 몇몇 노드에 USB를 가져가서 OS를 설치하는 과정을 수행하게 되는데 한두개의 노드면 상관 없으나 테스트하는 경우에 따라 수십개의 노드에 동시에 OS를 설치하여 환경을 구성해야되는 경우가 있을 수 있다. 이번 포스팅에서는 이러한 경우를 위해 활용할 수 있는 네트워크 부팅 방식인 PXE 부팅에서 대해서 소개하고자 한다.

1. OS 설치 과정

PXE 부팅에 대해 소개하기 전에 일반적으로 OS 설치하게 되었을 때 내부적으로 동작하는 Process Flow에 대해서 이해하고 넘어가도록 하자. OS 설치 과정은 크게 부팅 프로세스와 인스톨 프로세스로 구분되며 세부적으로는 BIOS->MBR->Boot Loader->Kernel->Confiugration->Install 단계로 설치가 수행된다.

(1) BIOS

• Basic IO System
• 컴퓨터의 전원이 공급되면 시작되는 최초의 프로그램
• 컴퓨터는 BIOS의 설정에 따라 부팅 절차에 수행할 하드웨어의 우선순위를 지정하게 됨
• OS 설치 시에는 BIOS 설정에서 OS 설치 데이터가 들어 있는 CD나 USB를 최우선 순위로 둠으로써 부팅을 수행

BIOS 화면

(2) MBR

• 부팅 모드 (Legacy/UEFI)에 따라 접근 방식에 차이가 있으나 Legacy 모드를
• Master Boot Record
• Disk 의 첫 512byte
• Boot loader 가 적재되어 있음
• 설치시, MBR 이 기록된 USB 등 을 이용

(3) Boot Loader

• 운영 체제가 시동되기 전, 커널이 올바르게 시동되기 위한 작업을 수행하는 프로그램
• BIOS로 부터 메모리에 적재되어 실행
• Kernel 을 메모리에 적재함
• e.g. ISOLINUX, PXELINUX, GRUB

(4) Kernel

• 운영 체제의 핵심 프로그램
• 하드웨어 제어, 시스템 자원 관리 등을 담당
• 커널이 RAMDISK에 올라가게 되면 해당 커널 이미지를 이용하여 OS 설치 작업을 수행

(5) OS Installer

• OS를 하드디스크에 설치하는 프로그램
• 사용자로부터 설정을 입력받아 Configuration 진행

(a) Config

• 운영체제 설치 전, 필요한 설정값 입력
• 언어, 지역, 파티션, 패키지 등 설정

설정 화면 예시

(b) Install

• 입력받은 설정에 따라 OS 를 설치
• 커널 바이너리, 부트로더, 패키지 파일들을 하드디스크에 복사

2. 기존 OS 설치 과정의 문제점

• 기존 OS 설치 방법 (e.g. CD-ROM, USB 등)은 대규모 서버 구축 과정에 있어 부적합

(1) Concurrency Problem

• 다수의 원격 노드에 OS를 병렬로 설치하는데 한계 존재
• 병렬 설치를 위해서는 그에 해당하는 수의 설치 Device가 필요

(2) Configuration Problem

• 각 OS 설치 시마다 개별적인 Config 설정 작업 필요

3. PXE Booting 이란?

• Preboot eXecution Environment (developed in 1999)
• 네트워크 인터페이스를 이용하여 컴퓨터를 부팅할 수 있게 만들어주는 기술
• CD-ROM이나 USB와 같은 데이터 저장소에 구애받지 않고 운영체제 설치 가능

4. PXE Booting 필수 구성 요소

(1) PXE Server

(a) DHCP Server

• PXE Client의 IP 주소 자동 할당

(b) TFTP Server

• 부트로더 (PXELINUX) 및 커널 파일 전송

(C) HTTP (or NFS) Server

• OS install 관련 Configuration (kickstart or preseed file) 제공
• Kernel Image, 필수 Package 전송 (Mirror Site, Repository)

(2) PXE Client

• PXE 지원 네트워크 랜카드 (2000년도 이후 출시된 제품에는 대부분 장착)
• BIOS 설정 -> Boot Order -> Boot from LAN 선택 (BIOS 종류에 따라 相異)

5. Proccess Flow in PXE Booting

실제 PXE Booting 과정을 보았을 때 더 세부적인 프로세스 (DHCP: Request, Ack 등)가 있으나 이해를 위해 간략하게 설명하면 다음과 같은 프로세스로 동작한다.

• IP 할당을 위한 DHCP 요청을 Broadcast 형태로 해당 Subnet에 전달한다. (DHCP: Discover)
• 전달받은 DHCP 요청에 대해 DHCP Server가 Client한테 특정 IP에 대한 할당을 제안한다. (DHCP: Offer)
• 네트워크 연결 이후에 Client는 DHCP Server로부터 전달받은 IP 및 TFTP Server의 주소 정보를 토대로 TFTP Server의 부트로더를 다운로드한다. (TFTP: Request/Response)
• 다운받은 부트로더를 통해 Kernel파일을 로드하여 OS 인스톨러를 수행한다 (Boot Process: Load the Kernel)
• 이후 동작은 기존 OS 설치 과정과 유사하다 (OS 패키지 파일을 네트워크로 설치하는 등 몇몇 부분에 대해 차이가 있음)