犬でも分かるPXEブート(1):PXEブートとは

PXEブートとは (Preboot eXecution Environment boot) 、ネットワーク経由でOSを起動する仕組み、及びその規格を差します。一言で表すのは簡単なのですが、複数の要素技術を組み合わせて実現しているので、仕組みを理解するのはちょっと複雑です。また、WOL(Wake On LAN)やkickstartとも混同しやすいので、初心者にも分かるように、そして自分の頭(お犬脳)の整理のために、やり方を解説します。

PXEブートを実現するための要素技術
PXEブート開始は電源ONから
PXEブートするにはBMCは必要なのか?
PXEブートの処理フロー
1. PXEブートにおける各処理の挙動
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PXEブートを実現するための要素技術

通常、コンピュータは内蔵ハードディスク(最近ではSSD)にインストールされたOSから起動します。インストールする前のコンピュータなら、DVDからインストーラを起動することが多いですね。さて、PXEブートは、ネットワーク経由で起動するOSイメージを送り込んでコンピュータを起動する仕組みのことを差します。

PXEブートを実現するには、以下の構成が必要です。

･PXEに対応したNIC(Network Interface Card)
･DHCPサーバ
･TFTPサーバ

さて、この3つの要素技術があれば、コンピュータのメモリにOSイメージを送り込んで、メモリ上でシステムを稼働させることができます。HDDやSSDを持たないシンクライアントは、このようにしてシステムを起動します。
その一方で、PXEブートの利用シーンとしては、最初にメモリに仮のOSイメージを送り込んで起動した後、仮のシステムがコンピュータのストレージ(HDDやSSDのことを差す)に本番用のOSを自動インストールして再起動を行い、その後はストレージにインストールした本番用のOSからシステムを起動する、という使い方が多いです。

OSを自動インストールする仕組みのひとつに、kickstartがあります。kickstartでは、OSのインストールメディアをHTTPやFTPで提供することができます。よって、PXEブートをベースとしたOS自動インストールの構成要素のひとつにHTTPサーバを加えることがあります。また、ReaR(Relax-and-Recover)によるバックアップにおいて、OUTPUT=PXEを設定してバックアップを行ったときのリカバリーでは、バックアップ本体をストレージに復元するときにNFSを使用することがあります。この場合では、OS自動インストールの構成要素のひとつにNFSサーバが加わります。

PXEブート開始は電源ONから

PXEブートは、OSイメージを送り込んで起動するという行為なので、最初にコンピュータの電源ON(または再起動)の操作が必要になります。

高価なサーバマシンでは、OSが動くサーバ本体のCPUの他に、BMC (Baseboard Management Controller)というプロセッサを持っていることがほとんどです。BMCはサーバ本体からは独立したシステムで、サーバ本体の監視や電源操作を行うことができます。
BMCはネットワークに接続可能なので、リモートからBMC経由でサーバ本体の電源操作を行うことが多いです(IPMIというインターフェースを使う)。BMCはサーバ本体のNICとは別のNICを持ち、MacアドレスもIPアドレスもサーバ本体のNICとは別のものとなります(物理的なNICのポートを、サーバ本体のNICと共有することもできますが、その場合もMacアドレスとIPアドレスは別のものになります)。

PXEブート開始は電源ONからと書きましたが、正確には電源ONの前に、
「BIOSのブートオーダの設定で、起動順序の1番目をPXEブートに変更する」
という操作が必要になります。ブートオーダの順序変更もIPMIで行うことができます。

PXEブートするにはBMCは必要なのか?

BIOSのブートオーダを変更して、電源ONを行うまでの操作をリモートから行うには、BMCがあったほうが便利なのですが、リモートからの電源ON操作なら、WOL(Wake On LAN)という技術を使っても実現可能です。また、BIOSのブートオーダの変更を手作業で行った後、サーバ本体の電源ボタンを押してONする操作を行っても構いません。起動順序の1番目がPXEブートになっていて、なんらかの方法で電源ONができれば、PXEブートを開始することができます。

すなわち、BMC及びIPMIは、PXEブートによるOSインストールの一連の作業を、リモートからスマートに操作するのには有用ですが、必須ではないということです。
私が持っている安いミニPC MINISFORUM GK41 も GMKtec NucBox3 もBMCは付いていません。WOLには対応していると書いてありましたが、WOLのクライアントソフトから操作ができませんでした(別のノートPCは操作できたので、なんでだろう)。だから、ミニPCの電源ボタンを手で押して、PXEブートを試しています。

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PXEブートの処理フロー

分かりやすく説明するために、PXEブートの処理フローを以下に図示します。正確に言うと、PXEブートを含むOSインストールの自動処理のフローを図示しています。

この図においては、OSの自動インストールに必要となるサービス(TFTP,HTTP)やBMCをリモートから操作するためのIPMIクライアント(ipmitool)が、管理サーバにインストールされています。それぞれのサービスやツールが別のサーバにインストールされていても構いません。
尚、この図の管理ノードのように、PXEブートに必要になるサービスを統合したサーバを分かりやすく「PXEサーバ」のような通称で呼ぶこともありますが、正確にはPXEサービスというものは存在せず、複数のサービスの集合で構成されていることをご理解下さい。

尚、この図において管理サーバはあたかも物理サーバのように図示していますが、私のおうちでは仮想マシンとして作成して、ネットワークにブリッジで接続しています。仮想マシンを作成して外部のネットワークにブリッジで接続する方法は、犬でも分かるKVM シリーズをご覧下さい。

さて、この図に示す通りPXEブートはOSの自動インストール処理の一部です。前述の通り、ブートオーダの変更と電源ONが手作業の操作でも良いですし、kickstartによるシステムインストールがReaRのリカバリ処理であっても構いません。
ブートローダとカーネルは、OSディストリビューションの中に含まれています。RAMイメージはブートローダが起動するシステムの本体となりますので、必要な機能が組みこまれた状態で作成されています。OSディストリビューションには、kickstartでインストール処理を行うためのRAMイメージが含まれていますし、ReaRのバックアップでOUTPUT=PXEを指定した場合は、ReaRのリカバリに必要な機能を組みこんだRAMイメージを作成します。

PXEブートにおける各処理の挙動

前述のフローの図を解説します。

①②では、BMCに対してIPMIに対応したクライアント(ipmitool)から、ブートオーダの変更(PXE対応のNICを起動順序の1番目に設定)と電源ON操作を行います。
BMCはBIOSに対してブートオーダの変更操作を行った後、サーバ本体の電源をONします。
最初の状態でサーバ本体が既にONになっていた場合は、サーバの電源をOFF(OSからshutdown -hを実行する)してから電源をONするか、またはOSから再起動(shutdown -rを実行)して下さい。
PXE対応のNICは、接続されたネットワークからDHCPサーバを探し出し、DHCPサーバはこのNICのMacアドレスに対してIPアドレスを割り当てます(③④)。また、PXE対応のNICはブートローダのパスを問い合わせ、DHCPサーバはdhcpd.confに定義された、TFTPサーバのIPアドレスとブートローダのパスを回答します(⑤⑥)。
PXEブートの対象となるサーバはブートローダをダウンロードして起動し(⑦⑧)、その後、ブートローダは、grub.cfgファイルに定義されたOSのカーネルとRAMイメージを、TFTPサーバからダウンロードして起動します(⑨～⑫)。
grub.cfgファイルには、インストーラ(またはレスキューシステム)が使用するkickstartファイルとインストールで使用するレポジトリの場所を定義することができます。起動されたインストーラは、kickstartファイルの定義に従って(本番用の)OSのインストール処理を行い(⑫⑭)、インストールで使用するPKG(バッケージ)はレポジトリからダウンロードして取得します(⑮⑯)。インストーラはサーバのストレージにOSをインストールします。
kickstartファイルの最後に再起動の命令が書いてあれば、インストール後にサーバを再起動します。インストーラは、BIOSのブートオーダにおいて起動順序をストレージに変更しているので、再起動後は自動的にインストールしたOSでシステムが起動します(⑰)。