Raspberry Pi で簡単にネットワークブートができるようになったよ,という話

Raspberry Pi Advent Calendar 2017 2日目です.

結論

SDカードにbootcode.bin (49kBほど) というファイルを置いておくだけで,全バージョンのRaspberry Piで

  • ネットワークブート
  • USBストレージブート

ができます.

サーバの設定などは
Network Boot Your Raspberry Pi - Raspberry Pi Documentation
を参考にしてください.

経緯

まずRaspberry Piのブートは,おおまかには3段階からなります.

  • 1段目
    Raspberry PiのSoCにはROMが載っており,ここにファームウェアが書き込まれています.
    Raspberry Piに電源が投入されると,まずこのROM内のファームウェアがメモリに読み込まれます.
    読み込まれたコードはGPUにあるVPUというプロセッサによって実行されます.
  • 2段目
    ROM内のファームウェアによってSDカードが検出され,
    SDカード内の設定ファイル (config.txtcmdline.txt) と,
    ファームウェアがメモリにロードされます.
    このコードもVPUによって実行されます.
  • 3段目
    SDカード内のファームウェアがSDカード内のLinuxカーネル等を検出し,メモリにロードします.
    また,同時にCPUの初期化も行われ,LinuxカーネルはCPUによって実行されます.



「Raspberry Piにネットワークブートの機能を追加したい」となったときに初めに考えられたのは,3段目でネットワークブートを行う方法です.
この方法は,例えばLinuxカーネルのNFS root機能を使うことで実現されます.
NFS rootはカーネルの引数に設定を追加するだけなので,比較的容易に行えますが,CPUを起動するためのファームウェアとLinuxカーネルはSDカードに入れなければなりません.
これだと,ファームウェアとカーネルをアップデートするたびにSDカードへの書き込みが発生するので,SDカードの寿命が縮んでしまいます.
U-Bootを使う方法もありますが,結局SDカード上にファームウェアが必要なので,アップデートによるSDカードへの負荷は避けられません.



そこで考えられたのが,2段目でネットワークブートする方法です.
元々のRaspberry Piのファームウェアにはネットワークブート機能がなく,かつRaspberry Piのファームウェアはクローズドソースなので,2段目でネットワークブートするためには,別途VPU向けのファームウェアを書かなければなりません.
VPUの命令セットは非公開なのですが,実は有志によって解析されており,これを基にオープンソース版のファームウェアが開発されています
こちらのファームウェアを使うことでネットワークブートすることは可能なようですが,公式のファームウェアの一部の機能しか対応していなかったり,Raspberry Piの一部のバージョンに対応していなかったりするなど,動作が不安定なところがあるようです.
また,この方法にも,結局アップデート時にSDカード上のファームウェアを書き換える必要があるという欠点があります.



そこで考えられたのが,1段目でネットワークブートする方法です.
実は,Raspberry Pi 3からROM内のファームウェアに変更が施されており,SDカード無しでネットワークブートやUSBストレージブートなどができるようになっています.
(参考: Boot flow - Raspberry Pi Documentation)
ROMの内容を変更するのはRaspberry PiおよびそのSoCを開発する組織にしかできないので,ROMのファームウェアは中の人であるGordon Hollingworthを中心としたエンジニアによって開発されたようです.
この方法はSDカードさえ不要になるので画期的に思われましたが,ROM内のファームウェアにバグがあり,LAN内で他のマシンがbroadcast addressにpingし続けないとRaspberry Piがうまくネットワークを認識できないなど,ネットワークブートできない環境がありました.
OTP (one-time programmable) メモリのビットを立ててROMのファームウェアの挙動を制御するなどの対策が取られましたが,ROMの内容は後から変更できないため,バグを完全に取り除くことはできなかったようです.



ここでどうしようもなくなったので,公式のファームウェア (2段目) にネットワークブート機能が追加されました.
Raspberry Pi 3のROMに書いたコードを,バグを修正して移植したようです.

Raspberry Piを通常の方法で起動させる場合,SDカードには bootcode.binfixup.datstart.elfconfig.txtkernel.img などのファイルが必要です.
しかし,ネットワークブート機能は bootcode.bin に実装されたので,SDカードにbootcode.bin だけを入れれば,ネットワークブートができるようになります.
この際,残りのファイルは bootcode.bin がTFTPサーバ経由で持ってきてくれます.
さらに,bootcode.bin はアーキテクチャ特有の処理しかしないので,動くバージョンがあれば,基本的にそれを使い続けて大丈夫です(多分).
よって,bootcode.bin 以外のファームウェアや設定ファイルやLinuxカーネル,rootfsなどは全てSDカードでなくサーバ側に置いておくだけで良い のです.
これで,全バージョンのRaspberry PiでネットワークブートとUSBストレージブートができるようになり,アップデートによってSDカードに負荷がかかることもなくなりました.



サーバ側の設定などは
Network Boot Your Raspberry Pi - Raspberry Pi Documentation
を参考にしてください.

最後に

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