基于Ubuntu 20.04 Server搭建PXE自动安装环境

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的配置实现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（Pre-boot Execution Environment/预启动执行环境）的实现依赖于网卡，只有支持PXE Client的网卡才能实现网络自动安装。这种网卡实现DHCP Client和 TFTP Client，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 Client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 Server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.signed、grub-efi-amd64-signed 安全启动链加载的引导程序

   apt-get download shim.signed
   apt-get download grub-efi-amd64-signed

2. 下载ubuntu 20.04 server iso
   这个直接去官网下载，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
   https://ubuntu.com/download/server

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.efi、grubx64.efi 引导程序，来自shim.signed 安装包
2. grub.cfg 自建
3. 其他文件来自 ubuntu安装包
4. 五个文件是需要的，但是目录结构是我自建的，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 ./grub/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mount iso文件

sudo mount ubuntu-20.04.2-live-server-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/boot/grub/font.pf2       /home/mine/tftp/grub
   cp /media/boot/grub/grub.cfg       /home/mine/tftp/grub

配置dnsmasq

dnsmasq的默认配置文件为/etc/dnsmasq.conf，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

# 打开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，不修改他，在他下面创建目录

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-data、meta-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后续章节会详细描述配置

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，是否可删除待确认
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

坑

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，grub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mount /,/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. 这篇讨论askubuntu解决了坑
3. user-data磁盘分区配置来自 小崔

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