1 引言

隨著USB3.0標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,，存儲容量為8GB 至128GB的USB接口移動存儲設(shè)備成為主流。由于USB盤體積小,、攜帶方便,、同時(shí)具有熱插拔功能,，給移動數(shù)據(jù)存儲帶來了便利,。而開源的Linux 操作系統(tǒng)具有的高可靠性和安全性、廣泛的硬件支持,、靈活實(shí)用的可定制性等特點(diǎn),，使得Linux 桌面系統(tǒng)在辦公應(yīng)用方面也逐步受到人們的青睞。如果在USB 接口的移動存儲設(shè)備上實(shí)現(xiàn)一個(gè)Linux 微型桌面系統(tǒng),，將是一個(gè)不錯(cuò)選擇,。然而，將標(biāo)準(zhǔn)的Linux 發(fā)行版系統(tǒng)安裝在USB盤上,，將占用近2G 的存儲空間,，其中有許多軟件我們移動辦公并不需要,。同時(shí)，人們從數(shù)據(jù)安全性角度的考慮,，希望在不使用原有宿主機(jī)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行便捷的移動辦公,。因此本文將從LFS 系統(tǒng)開始，在USB 盤上搭建Linux 微型桌面系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與辦公娛樂軟件的一體化,，并采用squashfs 文件系統(tǒng)壓縮技術(shù)，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行壓縮,，最后通過grub和initrd 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動,。

2 微型桌面系統(tǒng)的構(gòu)成

本文是在LFS Live CD 6.3 宿主系統(tǒng)上，通過LFS技術(shù)構(gòu)建基本Linux 系統(tǒng)后,，使用chroot 命令轉(zhuǎn)入基本系統(tǒng),，完成后續(xù)整個(gè)桌面系統(tǒng)的搭建。

基于USB 盤的微型桌面系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示,，由以下幾部分組成的：

①啟動引導(dǎo)管理器：選用Grub 0.97.Grub 程序是計(jì)算機(jī)加電啟動,，引導(dǎo)到USB 盤設(shè)備后運(yùn)行的第一個(gè)程序，其目的是將Linux 內(nèi)核從USB 盤加載到內(nèi)核中,。

然后轉(zhuǎn)由內(nèi)核執(zhí)行后續(xù)操作,。

②內(nèi)核：作為Linux 操作系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)管理進(jìn)程調(diào)度,、內(nèi)存管理,、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口,、進(jìn)程間通信,，并提供對主板、顯卡,、網(wǎng)卡,、聲卡、存儲器,、USB 設(shè)備等驅(qū)動的支持,。由于是移動系統(tǒng)，面臨硬件平臺多樣性的問題,，所以需要將一些常用基本驅(qū)動和USB 相關(guān)驅(qū)動編譯進(jìn)內(nèi)核,，而將squashfs、aufs,、聲卡,、顯卡等相關(guān)支持以模塊的形式動態(tài)加載，這樣在減少內(nèi)核鏡像大小的同時(shí)，提高了系統(tǒng)啟動時(shí)間,。

③基本Linux 系統(tǒng)：包括能夠正常啟動字符界面的基本文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、最常用的應(yīng)用程序、基本函數(shù)庫和相關(guān)的配置文件,。

④圖形桌面系統(tǒng)：桌面系統(tǒng)采用xfce4.6.2,并安裝如下應(yīng)用軟件：永中office 2009 辦公應(yīng)用軟件（集Word,、Excel、PowerPoint 于一體）,；fcitx 中文輸入法,；MPlayer 媒體播放軟件；網(wǎng)絡(luò)配置工具軟件,；遠(yuǎn)程桌面連接控件軟件,；QQ;Vnc;實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的播放瀏覽一體化的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器Hfox[2];其他軟件：圖片查看器、文本編輯器,、PDF 閱讀器,、解壓縮軟件等。

圖1 基于USB 接口的微型桌面Linux 系統(tǒng)的組成

整個(gè)微型桌面系統(tǒng)安裝完成后要占用大約1.7GB磁盤空間,，通過運(yùn)行mksquashfs 命令壓縮成只讀系統(tǒng)鏡像system.squashfs（約495MB）,。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 內(nèi)核編譯

采用版本為2.6.27.27 的Linux 內(nèi)核。為使系統(tǒng)更精簡,，部分模塊將不會被編譯進(jìn)內(nèi)核：聲卡驅(qū)動模塊等,。系統(tǒng)將由U 盤引導(dǎo)，需要將SCSI 設(shè)備,、Usbcore,、Usb-storage 、Loopback device support ,、RAM disksupport 和Initrd 等編譯到內(nèi)核中,。

將Squshfs、AUFS 編譯成模塊,，通過Initrd 引導(dǎo)加載,。

常見的硬盤接口為IDE 和SATA,在Linux 中通常將這兩類硬盤標(biāo)識為不同的盤符名。為了避免內(nèi)核掛載U 盤根系統(tǒng)出現(xiàn)盤符名不一致的情況,，需要將IDE 和SATA 硬盤中盤符統(tǒng)一成/dev/sdX,在內(nèi)核編譯時(shí)需要加如下的選項(xiàng)：

編譯出來的內(nèi)核會將這兩類硬盤同等對待,。從而使不同接口硬盤的盤符名在Linux 中都統(tǒng)一為sdX,方便本系統(tǒng)的掛載。

3.2 LFS 構(gòu)建系統(tǒng)

LFS（Linux From Scratch 的縮寫）,，是從源代碼開始搭建的Linux 系統(tǒng),。LFS 有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①LFS 是非常靈活的,，可以根據(jù)自身需求定制,。

②構(gòu)建的LFS 系統(tǒng)是一個(gè)非常緊湊的系統(tǒng)，可以大大節(jié)省磁盤空間。

③LFS 可自定義安裝相關(guān)的安全補(bǔ)丁,，系統(tǒng)有保障,。

本文目的是設(shè)計(jì)一款微型桌面系統(tǒng)，根據(jù)其小巧靈活實(shí)用的特點(diǎn),，與使用標(biāo)準(zhǔn)的Linux 發(fā)行版和使用精簡的Linux 系統(tǒng)相比,，LFS 更適合。

3.3 SquashFS+LZMA 只讀壓縮系統(tǒng)

構(gòu)建一個(gè)小型或嵌入式Linux 系統(tǒng),，存儲設(shè)備（軟盤,、U 盤等）的空間資源非常有限，因此壓縮應(yīng)盡可能用在各個(gè)方面,。

SquashFS 是一種在Linux 下使用的只讀壓縮文件系統(tǒng),，是目前最好的壓縮文件系統(tǒng)之一，它的目的是為通用只讀文件系統(tǒng)使用,。目前,，SquashFS 壓縮文件系統(tǒng)應(yīng)用很廣，已在Linux Live CD 各發(fā)行版,、嵌入式系統(tǒng),、以及在服務(wù)器及桌面系統(tǒng)中都有著大量的應(yīng)用。

LZMA（Lempel-Ziv-Markov chain-Algorithm 的縮寫）,，是一個(gè)Deflate和LZ77算法改良和優(yōu)化后的壓縮算法,，是目前最好的壓縮算法之一。

SquashFS 默認(rèn)的壓縮算法是GZIP,本文中采用給SquashFS 打補(bǔ)丁,，使其支持LZMA 算法壓縮,。實(shí)驗(yàn)證明，通過LZMA 算法壓縮比GZIP 算法壓縮率更高,，而壓縮時(shí)間比GZIP 算法稍長,。通過對整個(gè)系統(tǒng)采用GZIP 和LZMA 算法進(jìn)行Squashfs 壓縮，在壓縮時(shí)間和存儲空間的比較如表1 如示,。

表1 兩種壓縮算法的比較,。

目前Linux 內(nèi)核還不支持LZMA,在編譯內(nèi)核時(shí)需要將CONFIG_SQUASHFS*中所有值置為N;再單獨(dú)將帶LZMA 支持的Squshfs 編譯成模塊，通過動態(tài)加載方式運(yùn)行,。

3.4 AUFS 聯(lián)合文件系統(tǒng)

AUFS（ Another UnionFS 的縮寫）,， 是一個(gè)與UnionFS 類似的可堆疊聯(lián)合文件系統(tǒng)，它將多個(gè)目錄整合成單一的目錄,，是Linux 文件系統(tǒng)聯(lián)合掛載的實(shí)現(xiàn),。

SquashFS 壓縮系統(tǒng)是只讀的，從而避免了對磁盤不必要的擦寫,，但同時(shí)也造成了修改數(shù)據(jù)不能保存的問題,。

AUFS 的出現(xiàn)正好解決了上述問題，它管理一個(gè)基本文件系統(tǒng)（即本文中的系統(tǒng)Squashfs 鏡像，保持原只讀狀態(tài)）和一個(gè)讀寫存儲文件系統(tǒng)（必須具有讀寫權(quán)限）,。通過AUFS,用戶可以虛擬地修改基本文件系統(tǒng)上的文件,，但修改后的結(jié)果卻保存在讀寫存儲文件系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的透明修改,。

3.5 Initrd 初始化內(nèi)存盤

Initrd（boot loader Initialized RAM Disk 的縮寫）,，由boot loader 初始化。本系統(tǒng)使用的boot loader 為GNU GRUB 0.97.如果Grub 已配置Initrd,Linux 內(nèi)核在啟動前,，會把存儲設(shè)備中的Initrd 文件加載到內(nèi)存,，作為一個(gè)臨時(shí)根文件系統(tǒng)；內(nèi)核啟動時(shí)通過先執(zhí)行Initrd 中的init 文件,，完成設(shè)備驅(qū)動模塊和squashsf,、aufs 文件系統(tǒng)模塊的加載，并完成真正的根文件系統(tǒng)的掛載,，然后執(zhí)行系統(tǒng)中的/sbin/init 進(jìn)程,。

與普通IDE、SATA 硬盤相比,，USB 接口存儲設(shè)備從驅(qū)動模塊加載到設(shè)備可用,，比較慢，需要幾秒鐘,。

因此內(nèi)核在掛載USB 存儲設(shè)備時(shí),，會出現(xiàn)：USB 設(shè)備沒有初始化完成，真正根文件系統(tǒng)掛載失敗的問題,。為了解決此問題,，筆者在Initrd 中修改init 可執(zhí)行文件，當(dāng)加載USB 驅(qū)動后,，系統(tǒng)將休眠5 秒,，讓USB 設(shè)備初始化完成后再掛載USB 存儲設(shè)備中的根文件系統(tǒng)。本系統(tǒng)的init 文件配置如下：

本系統(tǒng)Initrd 中的最小化根文件系統(tǒng)由BusyBox創(chuàng)建,，包含bin,、dev、etc,、lib,、mnt、proc,、sbin,、sys這些必須的目錄和相關(guān)文件。由于BusyBox 生成的modprobe 命令不能正常執(zhí)行,，所以需要復(fù)制宿主系統(tǒng)中的modprobe 命令并替換Initrd 中的sbin 目錄中的同名文件,，同時(shí)通過ldd 查看modprobe 依賴的庫文件,，并復(fù)制到Initrd 中的lib 目錄。

最后在宿主機(jī)器上通過命令：

find . | cpio –o –H newc | gzip > /boot/initrd.img-2.6.27.27 制作Initrd 鏡像文件,。

3.6 Grub 啟動引導(dǎo)器

GNU GRUB （GNU GRand Unified Bootloader 的縮寫），是GNU 項(xiàng)目中一個(gè)多操作系統(tǒng)啟動引導(dǎo)程序,，也是Linux 系統(tǒng)中最常用引導(dǎo)工具之一,。為了讓系統(tǒng)從USB 設(shè)備啟動，必須將GRUB 程序安裝在USB 存儲設(shè)備的主引導(dǎo)記錄（MBR）中,。

以GRUB 0.9X 的安裝步驟如下：

安裝grub 程序在U 盤的/boot/grub 目錄下,，確保其目錄存在menu.lst,stage1,stage2 三個(gè)文件。

進(jìn)入grub 命令窗口,，運(yùn)行以下命令安裝到U 盤的MBR:

grub>root（hd1,0） #假定Linux 系統(tǒng)所在盤符為第二塊硬盤的第一個(gè)分區(qū)

grub>setup（hd1）

實(shí)際操作時(shí)根據(jù)硬盤分區(qū)不同作相應(yīng)修改,。

修改/boot/grub/menu.lst 文件，本文的menu.lst 如下：

3.7 Xfce 桌面環(huán)境

Xfce 是一款適用于多種*NIX 系統(tǒng)上運(yùn)行的輕量級桌面環(huán)境,，它的設(shè)計(jì)目的是在節(jié)省系統(tǒng)資源的情況下能夠快速加載并執(zhí)行應(yīng)用程序,。與Gnome 和KDE等比較臃腫的桌面環(huán)境相比，Xfce 占用的系統(tǒng)資源少,，同時(shí)它擁有很小的依賴性和很好的模塊性,。本系統(tǒng)所用的Xfce 4.6.2 主要由實(shí)用工具libxfce4util、微件庫libxfcegui4,、擴(kuò)展庫exo,、菜單庫libxfce4menu、窗口管理xfwm4,、桌面管理xfdesktop,、面板xfce4-panel、會話管理xfce4-session,、設(shè)置管理xfce4-settings,、配置管理xfconf、文件管理thunar,、實(shí)用程序xfce-utils,、應(yīng)用程序查找xfce4-appfinder 等部件構(gòu)成。

4 具體實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)在USB 盤上的實(shí)現(xiàn)

在宿主系統(tǒng)上構(gòu)建好整個(gè)Linux 桌面系統(tǒng)后,，按前所述配置好只讀文件系統(tǒng)鏡像system.squashfs,、初始化內(nèi)存盤Initrd、內(nèi)核鏡像vmlinuz,、Grub 中的menu.lst 文件,、USB 盤標(biāo)志文件LABEL,然后按以下步驟將系統(tǒng)移植進(jìn)USB 盤。

①準(zhǔn)備一個(gè)8G 的USB 盤,，分為兩個(gè)區(qū)：一個(gè)分區(qū)作為系統(tǒng)區(qū),，文件系統(tǒng)為EXT2,并激活為啟動分區(qū),，作為Linux 系統(tǒng)使用；一個(gè)分區(qū)為數(shù)據(jù)區(qū),，文件系統(tǒng)為FAT32,平時(shí)作為與Windows 系統(tǒng)交互的分區(qū),，保存移動辦公數(shù)據(jù)。

②將system.squashfs,、Initrd,、vmlinuz、LABEL 和Grub 相關(guān)文件復(fù)制到系統(tǒng)區(qū),，并在系統(tǒng)區(qū)中新建system_ro（ 用于掛載squashfs 只讀文件系統(tǒng)） ,、system_rw（用于掛載aufs 文件系統(tǒng)時(shí)的修改文件存儲目錄）、system（用于最終文件系統(tǒng)的掛載目錄）三個(gè)目錄,。

③運(yùn)行g(shù)rub 程序中的root,、setup 命令將啟動引導(dǎo)信息寫入U(xiǎn)SB 盤的系統(tǒng)區(qū)的MBR.

4.2 系統(tǒng)啟動過程

基于USB 接口的微型桌面Linux 系統(tǒng)的啟動過程如圖2 如示。

計(jì)算機(jī)開機(jī)自檢,， BIOS 引導(dǎo)到USB 接口的磁盤設(shè)備,，通過啟動引導(dǎo)管理器Grub,加載Linux 內(nèi)核文件vmlinuz,內(nèi)核將初始化內(nèi)存盤initrd.img-2.6.27.27加載到內(nèi)存，形成一個(gè)臨時(shí)根文件系統(tǒng),，通過執(zhí)行Initrd 中的init 可執(zhí)行文件,，進(jìn)行sysfs、proc 文件系統(tǒng)的加載,，并對硬件進(jìn)行初始化,，相關(guān)硬件驅(qū)動、squashfs,、aufs 模塊的加載后,，掛載系統(tǒng)只讀鏡像system.squashfs,并通過聯(lián)合文件系統(tǒng)aufs 使其可寫，然后轉(zhuǎn)到真正的根文件系統(tǒng)執(zhí)行命令/sbin/init,完成微型桌面Linux 系統(tǒng)的啟動,。

圖2 系統(tǒng)啟動過程,。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)現(xiàn)了在USB 接口的存儲設(shè)備上構(gòu)建微型桌面Linux 系統(tǒng)，在具有USB 接口啟動功能的各種主流品牌臺式計(jì)算機(jī),、筆記本和兼容機(jī)上都能成功運(yùn)行,，并且在硬件配置比較低的老式486、586 等機(jī)器也能流暢地運(yùn)行,，根據(jù)機(jī)器硬件配置的不同,，一般啟動時(shí)間為20 秒至50 秒，具有很好的實(shí)用價(jià)值,，真正實(shí)現(xiàn)了便捷,、高效的移動辦公需要。本系統(tǒng)成功啟動圖形桌面系統(tǒng)后的效果如圖3 所示,。

圖3 Linux 微型桌面系統(tǒng),。

6 結(jié)論

本文在USB 接口的移動存儲設(shè)備構(gòu)建微型操作系統(tǒng),，具有小型便捷、速度快,、空間占用率低,、安全可靠的特點(diǎn)，研究具有很高的應(yīng)用價(jià)值,，人們可以參照構(gòu)建過程中的關(guān)鍵性技術(shù),，在U 盤上制作出更多小型的專用系統(tǒng)：比如系統(tǒng)維護(hù)盤、網(wǎng)絡(luò)防火墻,、路由器,、小型服務(wù)器,、媒體播放器等以滿足一些特定需求,，同時(shí)可以將其研究應(yīng)用到Live CD 上，在光盤上制作出相應(yīng)的微型桌面系統(tǒng),。并且在使用過程中,，整個(gè)系統(tǒng)只占了移動磁盤存儲空間的小部分，而剩余的大部分空間可以另作他用,，真正體現(xiàn)了資源的高效整合使用,。