ラズパイ最小インストールチャレンジ #Ubuntu

更新：Debian標準カーネルが普通に起動できるようになったので、純正 Debian を作るときには https://qiita.com/kakinaguru_zo/items/e69adff9c92a959c9453 を見て下さい。おおよそ以下のことを自動的にやるスクリプトが https://github.com/emojifreak/debian-rpi-image-script/blob/main/raspberripyOS-rpi-sd-builder.sh にあります

なるべく少ないパッケージで起動・ログインできるラズパイSDカードを作るチャレンジです。topで表示される使用メモリ量は40 MB (32bit版)、ps uww --ppid 2 -p 2 --deselect で表示されるユーザープロセスは15個です。キーボードとディスプレイを繋がず、有線イーサネットを繋いでリモートログインできることを目指します。DebianまたはUbuntu Linux上でSDカードにddまたはcpで書き込めるイメージファイルを作る手順を示します。64-bit版作る手順を記述し、32bit版での違いはその都度注釈します。下記の動作確認はラズパイ 4Bで行っています。インストールするディストリビューションはラズパイカーネル・ラズパイブートローダーに、Debian 11 Bullseye または Ubuntu 20.04 Focal または 純正Raspbian OS を組み合わせたものになります。以下の手順で作ったSDカードイメージを http://34.83.134.122/raspi/ からダウンロードできます。ダウンロードしたSDカードイメージに何か不具合があったらこの記事へのコメントで教えて下さい。rootのパスワードはrootです。なお、ウブンツブートローダーとウブンツカーネルを以下の手順で入れようとすると、付属するlinux-firmware-raspi2でエラーが出て入りません。

どの程度のメモリフットプリントを実現できるのか

top の出力の一部

top - 08:31:57 up 1 min,  1 user,  load average: 0.16, 0.07, 0.02
Tasks: 107 total,   1 running, 106 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.0 us,  4.1 sy,  0.0 ni, 95.9 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
MiB Mem :   7875.9 total,   7771.9 free,     38.9 used,     65.2 buff/cache
MiB Swap:      0.0 total,      0.0 free,      0.0 used.   7758.9 avail Mem

sshでログイン後に表示されるユーザープロセス一覧

root@raspi32bit:~# ps uww --ppid 2 -p 2 --deselect
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  2.4  0.1  34364  8368 ?        Ss   08:30   0:02 /sbin/init
root       111  0.7  0.0  31284  7176 ?        Ss   08:30   0:00 /lib/systemd/systemd-journald
root       130  0.4  0.0  17748  3784 ?        Ss   08:30   0:00 /lib/systemd/systemd-udevd
systemd+   137  0.4  0.0  24852  5496 ?        Ss   08:30   0:00 /lib/systemd/systemd-networkd
systemd+   190  0.5  0.0  24232  3120 ?        Ssl  08:30   0:00 /lib/systemd/systemd-timesyncd
message+   197  0.1  0.0   7464  3348 ?        Ss   08:30   0:00 /usr/bin/dbus-daemon --system --address=systemd: --nofork --nopidfile --systemd-activation --syslog-only
root       200  0.3  0.0  14964  6308 ?        Ss   08:30   0:00 /lib/systemd/systemd-logind
root       202  0.0  0.0   4256  1416 tty1     Ss+  08:30   0:00 /sbin/agetty -o -p -- \u --noclear tty1 linux
root       208  0.0  0.0  11096  5428 ?        Ss   08:30   0:00 sshd: /usr/sbin/sshd -D [listener] 0 of 10-100 startups
root       332  0.4  0.0  13336  6812 ?        Ss   08:31   0:00 sshd: root@pts/0
root       340  1.0  0.0  16336  7588 ?        Ss   08:31   0:00 /lib/systemd/systemd --user
root       344  0.0  0.0  35704  3200 ?        S    08:31   0:00 (sd-pam)
root       367  0.0  0.0   7888  3068 pts/0    Ss   08:31   0:00 -bash
root       373  0.0  0.0   9804  2636 pts/0    R+   08:32   0:00 ps uww --ppid 2 -p 2 --deselect

ホストLinuxへの必要なツールのインストール

apt-get install systemd-container qemu-user-static binfmt-support mmdebstrap gparted

Raspberry Piアーカイブの署名鍵を

からダウンロードして、それを dpkg -i でインストールする。

また、UbuntuならびにDebianの最新の署名鍵を以下からダウンロードして dpkg -iでインストールする。

SDカードイメージファイルの作成とフォーマット

dd seek=4096000 count=1 if=/dev/zero of=/var/tmp/rpisd.img を実行すると大きさ約2 GBで、ディスク容量をほとんど食わないスカスカのファイルができる
losetup -P -f /var/tmp/rpisd.img でこのファイルがデバイスっぽく見えるようになり、fdisk を使えるようになる
fdisk /dev/loop0 でパーティションID 0x0cの大きさ256 MBの第一パーティションと、パーティションID 0x83で残り全部を占める第二パーティションを作り、 w コマンドでパーティションテーブルを書き込んで fdisk を終了する
mkfs.vfat -F 32 /dev/loop0p1; mkfs.ext4 /dev/loop0p2 でそれぞれのパーティションをFAT32形式とext4形式でフォーマットする。ラズベリーパイカーネルはbtrfsを含んでいないので、btrfsを使いたいならinitramfsを駆使する必要があり、この記事では扱わない

`mmdebstrap` を用いたパッケージのインストール

`mmdebstrap` の下準備と実行

今更古臭くなったDebian Busterのパッケージを入れたくないので、Debian Bullseye (Testing) のパッケージを主に入れることにする。32bit版ならびにUbuntu Focalを入れる際の変更箇所はその都度述べる。64bit版の場合は、Raspbserry Pi Foundationが用意したパッケージとDebianのパッケージを混ぜてインストールする必要がある（これは普通のRaspberry Piでも同じ）

/var/tmp/rpi-sources.txt

deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main
# 純正Raspbian OS 64bitの最小構成を作りたいなら
# deb http://deb.debian.org/debian buster main contrib non-free
# deb http://deb.debian.org/debian buster-updates main contrib non-free
# deb http://deb.debian.org/debian-security/ buster/updates main contrib non-free
# だけ書いて次行以降は無視する
# 純正Rasibian OSでも バックポート deb http://deb.debian.org/debian buster-backports main contrib non-free は使える
deb http://deb.debian.org/debian bullseye main contrib non-free
deb http://deb.debian.org/debian sid main contrib non-free
deb http://deb.debian.org/debian experimental main contrib non-free

32bitの場合Debian・Ubuntuと混ぜられる場合と混ぜられない場合があり、（混ぜられない場合では）以下を使う。

/var/tmp/rpi-sources.txt

deb http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ buster main contrib non-free rpi
# もしBullseyeの新しいパッケージ要らなければ次行コメントアウト
deb http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ bullseye main contrib non-free rpi
deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main
#まだ無い deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ bullseye main

上記のファイルを用意する
mount -o async,discard,lazytime /dev/loop0p2 /mnt
mmdebstrap --architectures=arm64 (←32bit版はarmhf) --variant=apt --include=あとで詳しく述べる bullseye /mnt - </var/tmp/rpi-sources.txt とすると優先度が「Essential」のパッケージ、apt、--include で指定されたパッケージがaptを用いて /mnt 以下にインストールされる

Ubuntu インストールの際の変更点

/var/tmp/rpi-sources.txt

deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main
deb http://ports.ubuntu.com/ubuntu-ports/  focal main restricted universe multiverse
deb http://ports.ubuntu.com/ubuntu-ports/  focal-updates main universe restricted multiverse
deb http://ports.ubuntu.com/ubuntu-ports/  focal-security main universe restricted multiverse

mmdebstrap の標準入力に与える内容を上記のように変える
bullseye を focal に変える
インストールするパッケージに language-pack-en と language-pack-ja を追加する

ここまでUbuntuのための変更点

`mmdebstrap` に指示するパッケージ

以下のパッケージをカンマで区切ってスペースなどを入れずに --include= に続けて mmdebstrap に与える。

Raspberry Pi 特有のパッケージ（Raspberry Pi Foundation製）

raspberrypi-archive-keyring
(Debian・UbuntuではなくてRasbianを用いる場合のみ) raspbian-archive-keyring
raspberrypi-bootloader
raspberrypi-kernel
libraspberrypi-bin
libraspberrypi0
bluez-firmware
firmware-atheros
firmware-brcm80211
firmware-libertas
firmware-misc-nonfree
firmware-realtek

起動とログイン必要なパッケージ

udev
kmod
e2fsprogs
systemd-sysv
libpam-systemd
libnss-systemd
dbus-user-session
locales
tzdata
openssh-server
bash

無くても何とかなるけどこれくらいは欲しいパッケージ

apt-utils
whiptail
vim-tiny (あるいはnano）
less

Ubuntu を入れるときの追加パッケージ

language-pack-en
language-pack-ja
これらを入れないと色々な奇妙な動作をUbuntuがする…

ここまでを mmdebstrap の --include に渡す。もっと多くのパッケージを入れたい場合は --variant= のところを apt ではなく required や important や standard にすると良い。

SDカードの`/boot` の構成

mount -o async,discard,lazytime /dev/loop0p1 /mnt2
cp -Rp /mnt/boot/* /mnt2
rm -rf /mnt/boot
mkdir /mnt/boot
umount /mnt2
mount -o async,discard,lazytime /dev/loop0p1 /mnt/boot

ここまで終わると /mnt 以下に Raspberry Pi起動後のファイルシステムが現れる。以下 /mnt 以下にある設定ファイルを適切に編集していく。

設定

`/mnt/boot` 以下の設定

既に可動実績があるSDカードの中の /boot/config.txt と /boot/cmdline.txt を /mnt/boot 以下にコピーする
blkid /dev/loop0p2 で今作っているルートファイルシステムの PARTUUID を調べる
それを /mnt/boot/cmdline.txt に書く
cmdline.txt の中にinit= がもしあればinit=/sbin/init とでも変えておく

`/mnt/etc` 以下の設定

/dev/loop0p1 と /dev/loop0p2 のPARTUUIDを例えば以下のように /mnt/etc/fstabに反映させる

/etc/fstab

PARTUUID=1a25766f-01 /boot vfat defaults,lazytime,async,discard 0 2
PARTUUID=1a25766f-02 /     ext4 defaults,lazytime,async,discard 0 1

/mnt/etc/hostname を適切に設定する
/mnt/etc/resolv.conf を適切に設定して (chattr +i して)おく。例えば

/etc/resolv.conf

options inet6 edns0
nameserver 8.8.4.4
nameserver 8.8.8.8
nameserver 1.0.0.1

/mnt/etc/apt/apt.conf.d/00myconf に APT::Default-Release "bullseye"; を書いておいて unstable などのパッケージが入らないようにする。ここはDebian BusterやUbuntu Focalを入れようとしているなら不要。
異常が起きたときにディスプレイとキーボードを繋いでいないため Storage=persistent を /mnt/etc/systemd/journald.conf に書いておいて、ログがSDカード内の /var/log/journal に残るようにする。好みに合わせて同じディレクトリの logind.conf, user.conf, systemd.conf も変更する
/mnt/etc/ssh/sshd_config のPermitRootLogin をyesにする。SSH公開鍵を使っているならそれを /mnt/root/.ssh/authorized_keys に含める
IPアドレスなどネットワークの設定を行うパッケージは systemd 以外何も入っていないので、例えば以下のようなファイルを作りネットワークの設定をsystemd に教え込む

/mnt/etc/systemd/network/ether.network

[Match]
Name=e*
[Network]
DHCP=yes
NTP=ntp.nict.jp

Raspberry Pi エミュレータの中での設定

systemd-nspawn -D /mnt -a でARMエミュレーターに入る
passwd でrootパスワードを設定
dpkg-reconfigure tzdata でタイムゾーンを設定
dpkg-reconfigure locales でロケールを設定
systemctl enable systemd-networkd でsystemdによるネットワーク設定が行われるようにする
systemctl enable ssh でsshサーバーを自動起動させる
追加のパッケージインストールや設定をここで行える（後述）
exit 0

後始末

umount /mnt/boot
umount /mnt
losetup -D

作成したSDカードイメージ

ここまでの手順で作成したイメージファイルは http://34.83.134.122/raspi/ からダウンロードできます。rootのパスワードはrootです。

SDカードへの書き込みとルートパーティションの拡大

cp /var/tmp/rpisd.img /dev/mmcblk0; sync
gparted /dev/mmcblk0 で第二パーティションのext4ファイルシステムをSDカード一杯にリサイズする
blkid /dev/mmcblk0p* でPARTUUIDが変わっていないか確認する。変わっていたら SD カード内の /boot/cmdline.txt と /etc/fstab を必要に応じて更新する

追加パッケージ

好みや用途に合わせてsystemd-nspawnして起動するエミュレーターの中でパッケージや設定の追加もできます。余計なパッケージが入らないようにしたい場合 /etc/apt/apt.conf.d/00myconf に APT::Install-Recommends 0; と書いておくか apt-getに--no-install-recommends を付けてインストールすると良いです。

無線の設定

無線LANはラズパイのLinuxからwlan0と見えているとします。名前は ip l コマンドで確認できます。

/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant-wlan0.conf

country=JP
network={
  ssid="あなたのSSID"
  scan_ssid=1
  key_mgmt=WPA-PSK
  psk="パスワードを平文で"
}

上記のように設定ファイルを作る
apt-get install crda wpasupplicant
systemctl disable --now wpa_supplicant
systemctl enable wpa_supplicant@wlan0
/etc/systemd/network/wireless.network を前述のether.network と同様に適切に作成する
systemctl reboot

挑戦者をお待ちしております

出来合いのSDカードイメージをSDカードに書き込むだけではなくて、自分の用途に合わせてどんどん自作しましょう。Qiita記事やブログ書いたらコメント欄などで教えて下さい

先人の記事

GUIの追加

GUI使うなら純正Raspberry Pi OS使っとけばいいと思いますけど、一応書いておきます。

Ubuntu の場合

Ubuntu MATE for Raspberry Pi を使いましょう。かなりよく出来ています。4Kディスプレイにつないで割と快適にユーチューブ見られます。

Debian の場合

network manager を使うから、/etc/systemd/network/ 以下にある systemd-networkd の設定はすべて消すか [Link] Unmanaged=yes を入れておく
apt-get --no-install-recommends install wpasupplicant crda network-manager ca-certificates libglib2.0-data shared-mime-info xdg-user-dirs publicsuffix man-db manpages manpages-ja console-setup keyboard-configuration
apt-get --install-recommends install appmenu-gtk3-module libcanberra-gtk3-module task-gnome-desktop task-japanese-gnome-desktop task-japanese-desktop Gnome 以外のデスクトップを使うときは、task-gnome-desktop の部分を task-mate-desktop などに置き換えて下さい。

前述のUbuntu Mate よりもDebian Gnome (Wayland)は遥かに画面描画などが遅いです。ユーチューブ視聴が困難なレベルです。
Debian Mateはそこそこ使えますけど、前述のUbuntu Mateのほうが描画をよく最適化してきて快適です。
Debian Bullseye と勝手に組み合わせると xserver-xorg-video-fbturbo はエラーが出てX自体が立ち上がらなくなるため、インストールしないで下さい。

ラズパイ最小インストールチャレンジ

どの程度のメモリフットプリントを実現できるのか

ホストLinuxへの必要なツールのインストール

SDカードイメージファイルの作成とフォーマット

mmdebstrap を用いたパッケージのインストール

mmdebstrap の下準備と実行

Ubuntu インストールの際の変更点

mmdebstrap に指示するパッケージ

Raspberry Pi 特有のパッケージ（Raspberry Pi Foundation製）

起動とログイン必要なパッケージ

無くても何とかなるけどこれくらいは欲しいパッケージ

Ubuntu を入れるときの追加パッケージ

SDカードの/boot の構成

設定

/mnt/boot 以下の設定

/mnt/etc 以下の設定

Raspberry Pi エミュレータの中での設定

後始末

作成したSDカードイメージ

SDカードへの書き込みとルートパーティションの拡大

追加パッケージ

無線の設定

挑戦者をお待ちしております

先人の記事

GUIの追加

Ubuntu の場合

Debian の場合

`mmdebstrap` を用いたパッケージのインストール

`mmdebstrap` の下準備と実行

`mmdebstrap` に指示するパッケージ

SDカードの`/boot` の構成

`/mnt/boot` 以下の設定

`/mnt/etc` 以下の設定