Linux-Grundlagen

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Woraus Linux besteht: Kernel, Shell, Distributionen und Lizenzen

Am einfachsten stellst du dir Linux wie eine Zwiebel vor. In der Mitte sitzt die Hardware: CPU, Arbeitsspeicher, Festplatten und Netzwerkkarte. Drumherum liegt der Kernel, der diese Hardware direkt verwaltet. Außen um den Kernel liegt die Shell (zum Beispiel bash), die deine eingetippten Befehle interpretiert, und ganz außen die Programme, mit denen du tatsächlich arbeitest.

Programme fassen die Hardware nie selbst an. Muss ein Programm eine Datei lesen oder etwas übers Netzwerk schicken, bittet es den Kernel per Systemaufruf (System Call) darum. Der Kernel erledigt das mit der Hardware und gibt das Ergebnis zurück. So schützt der Kernel die Hardware und alle anderen Programme, selbst wenn ein Programm Fehler macht. Wechsle in der Szene unten mal den Befehl.

Distributionen: der Kernel plus Werkzeuge im Paket

Genau genommen ist „Linux“ nur der Name des Kernels. Ein Kernel allein ist aber nicht benutzbar. Deshalb wird er zusammen mit einer Shell, Kommandozeilenwerkzeugen, einem Paketmanager und einem Installationsprogramm ausgeliefert. Dieses Gesamtpaket heißt Distribution (kurz Distro). Es gibt zwei große Familien, und wo sich ihre Befehle unterscheiden, zeigt dir dieser Leitfaden beide nebeneinander.

Eine Kernelversion wie 5.15.0 liest du als „Major.Minor.Patch“. Früher galt die Regel, dass eine gerade Minor-Nummer eine stabile Version bedeutet – diese Regel wird heute nicht mehr verwendet. Heute veröffentlicht kernel.org die neueste Entwicklungsversion (mainline), stabile Versionen (stable) und Versionen mit Langzeitsupport (longterm).

Freie Software und die GPL

Linus Torvalds hat den Linux-Kernel 1991 veröffentlicht, und viele der Werkzeuge drumherum stammen aus dem GNU-Projekt, das Richard Stallman gestartet hat. Stallman hat außerdem die Free Software Foundation (FSF) gegründet, deren wichtigste Lizenz die GPL ist. Ein GPL-Programm darf jeder nutzen, verändern und weitergeben. Verbreitest du aber eine veränderte Version, musst du auch ihren Quellcode unter denselben GPL-Bedingungen offenlegen. Dieses Prinzip, das die Freiheit an die nächste Person weiterreicht, heißt Copyleft.

Jetzt weißt du, woraus Linux besteht. Als Nächstes schauen wir, in welcher Reihenfolge diese Schichten aufwachen, wenn du den Rechner einschaltest.

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Was beim Einschalten passiert: der Bootvorgang

Zwischen dem Druck auf den Einschaltknopf und dem Anmeldebildschirm laufen mehrere Schritte nacheinander ab. Das ist wie ein Staffellauf: Jeder Schritt sucht den nächsten und übergibt ihm den Stab. Wenn du also weißt, bei welchem Schritt der Start hängen geblieben ist, weißt du auch, was kaputt ist.

BIOS/MBR und UEFI/GPT: der alte und der heutige Weg

Vier Namen wirken erst mal viel, aber in zwei Paare sortiert wird es einfach. BIOS und UEFI sind Firmware: das Programm auf dem Mainboard, das nach dem Einschalten als Erstes läuft. MBR und GPT sind Formate für die Partitionstabelle: ein Inhaltsverzeichnis ganz vorn auf der Festplatte, das sagt: „So ist diese Platte aufgeteilt.“ Das übliche alte Paar ist BIOS + MBR, das heutige UEFI + GPT. Der Unterschied liegt darin, wie sie den nächsten Schritt finden, den Bootloader.

Unter Linux ist die EFI-Systempartition meist unter /boot/efi eingehängt. In Prüfungen taucht sie gern als „Ort des Bootloaders beim Booten mit UEFI“ auf.

Der Bootloader GRUB2

Der Bootloader, der auf diesem Weg gefunden und gestartet wird, ist GRUB2. Früher war auch LILO verbreitet, heute ist GRUB2 der Standard. Hier stolpern viele, wenn sie Einstellungen ändern: Die Datei grub.cfg, die beim Booten tatsächlich gelesen wird, bearbeitest du nicht von Hand. Stattdessen änderst du die Vorlage /etc/default/grub und führst dann grub2-mkconfig aus (unter Ubuntu update-grub). Das erzeugt eine neue grub.cfg.

Von Runleveln zu Targets

Das alte init-System hat Systemzustände in nummerierte „Runlevel“ eingeteilt. systemd hat sie durch Targets ersetzt und die alten Nummern den Targets zugeordnet, sodass die alten Namen weiter funktionieren.

Das Standard-Target zeigst du mit systemctl get-default an und änderst es mit systemctl set-default. Wenn etwas kaputt ist, gibt es zwei Modi. rescue.target ist der Rettungsmodus: Er hängt die Dateisysteme ein und lässt den Administrator mit einem Minimum an Diensten allein ins System. emergency.target ist der Notfallmodus, der noch weniger startet (das Root-Dateisystem wird nur schreibgeschützt eingehängt). Bleibt der Start wegen einer falschen /etc/fstab hängen, landest du meist im Notfallmodus.

In den Bootschritten 3 und 4 hat der Kernel das „Root-Dateisystem“ gefunden und eingehängt. Jetzt schauen wir, wie man Festplatten aufteilt und einhängt.

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Festplatten aufteilen und einhängen: Partitionen, Dateisysteme und Verzeichnisstruktur

Eine neue Festplatte kannst du nicht einfach so benutzen. Es braucht drei Schritte. Zuerst teilst du die Platte in Bereiche auf (Partitionen). Dann legst du auf jeder Partition mit mkfs ein Format zum Speichern von Dateien an (ein Dateisystem). Zum Schluss hängst du sie mit mount an einer Stelle im Verzeichnisbaum ein. Anders als unter Windows gibt es keine getrennten Laufwerke C: und D:. Jede Festplatte wird als Ast eines einzigen Baums eingehängt, der bei / beginnt.

Dateisysteme und Swap

Die gängigsten Linux-Dateisysteme sind ext4 und XFS. Beide sind Journaling-Dateisysteme: Sie schreiben geplante Änderungen erst in ein Journal und führen sie dann aus. Fällt plötzlich der Strom aus, wird das Dateisystem deshalb seltener beschädigt, und die Prüfung geht auch schneller. Die RHEL-Familie nutzt standardmäßig XFS. XFS lässt sich leicht vergrößern, aber verkleinern ist praktisch unmöglich (es gibt nur eine Funktion, die ein kleines Stück ganz am Ende abschneidet). Swap ist Plattenplatz, den sich das System vorübergehend borgt, wenn der Arbeitsspeicher knapp wird. Swap wird in kein Verzeichnis eingehängt, sondern mit swapon eingeschaltet.

/etc/fstab: was bei jedem Start eingehängt wird

Was du mit dem Befehl mount einhängst, ist nach einem Neustart wieder weg. Soll etwas bei jedem Start eingehängt werden, trägst du es als Zeile in /etc/fstab ein. Jede Zeile hat sechs Felder.

# Gerät (oder UUID)                         Mountpunkt   Dateisystem Optionen  dump  Prüfreihenfolge
UUID=4c2f…a91e                             /home        xfs         defaults  0     0
/dev/sdb1                                  /data        ext4        defaults,nofail  0  2

Fehlt eine Festplatte, die hier steht, bleibt der Start im Notfallmodus hängen (Kapitel 2). Platten, auf die das System verzichten kann, gibst du nofail mit. Gerätenamen wie /dev/sdb1 können sich je nach Reihenfolge ändern, in der die Platten angeschlossen sind. Sicherer ist deshalb die UUID, die sich nicht ändert.

Die Verzeichnisstruktur (FHS)

In jeder Distribution hat jedes Verzeichnis eine feste Aufgabe (Filesystem Hierarchy Standard, FHS).

Die Festplatte ist eingehängt – jetzt schauen wir uns die Dateien darauf an. Name und Inhalt einer Datei liegen nämlich an getrennten Stellen.