使用qemu创建ubuntu-base文件系统，并安装PM相关内核模块

目录

• 一、配置镜像
• 二、使用qemu模拟nvdimm（安装PM相关内核模块）
• • 运行记录
• 遇到的一些问题
• • 1、ext4文件系统损坏
  • • • 问题：系统启动时，遇到ext4的报错信息
      • 解决办法：
      • 2、内核模块未成功加载
      • 3、qemu报错
      • 4、主机终端无法正常打开
      • 5、模块与内核版本不一致

流程简述：

（镜像基本的文件系统配置）

1、下载ubuntu-base的镜像

2、挂载镜像，配置镜像的网络，并安装各类软件

（PM模块配置）

3、编译内核模块，并拷贝到镜像中

4、启动qemu

5、安装内核模块，并配置相关软件

一、配置镜像

1、使用qemu-img创建image镜像（此处起名为ubuntu14.04.raw 20G）

# [可选] sudo apt install qemu
qemu-img create -f raw ubuntu-rootfs-raw-20G.image 20G

注意：此处需要是raw类型，否则后续无法正常格式化（因为qcow2类型没有预先分配空间）。报错信息如下

$ sudo mkfs.ext4 ubuntu-rootfs-qcow2-20G.image
mke2fs 1.45.5 (07-Jan-2020)
ubuntu-rootfs-qcow2-20G.image: Not enough space to build proposed filesystem while setting up superblock

2、格式化镜像文件为ext4的文件系统

# 格式化
sudo mkfs.ext4 ubuntu-rootfs-raw-20G.image
# 检查
file ubuntu-rootfs-raw-20G.image

3、创建一个空目录，镜像的挂载点；然后将镜像挂载上去

mkdir ubuntu-rootfs-dir
sudo mount ubuntu-rootfs-raw-20G.image ubuntu-rootfs-dir

4、下载ubuntu-base-20.04.1-base-amd64.tar.gz镜像，并将其解压到ubuntu-rootfs-dir文件夹中（实质就是向镜像中塞文件，因为当前镜像已经被挂载到文件夹了）

（1）下载地址，https://cdimage.ubuntu.com/ubuntu-base/releases/20.04/release/ubuntu-base-20.04.1-base-amd64.tar.gz。

也可以自行选择其他版本：https://cdimage.ubuntu.com/ubuntu-base/releases/，

wget https://cdimage.ubuntu.com/ubuntu-base/releases/20.04/release/ubuntu-base-20.04.1-base-amd64.tar.gz

（2）解压到ubuntu-rootfs-dir

sudo tar -xzvf ubuntu-base-20.04.1-base-amd64.tar.gz -C ubuntu-rootfs-dir

5、拷贝主机中的网络配置信息到镜像中，方便后续用apt安装软件

sudo cp /etc/resolv.conf ubuntu-rootfs-dir/etc/

6、自行修改source.list文件，设置apt镜像进行加速

假设主机与客服机都是基于ubuntu 20.04，则可以直接拷贝主机的source.list,
否则需要自行配置
sudo cp /etc/apt/source.list ubuntu-rootfs-dir/etc/apt/source.list 

7、使用chroot将ubuntu-rootfs-dir暂时设置为根目录（与docker类似），并启动终端

sudo chroot ubuntu-rootfs-dir

8、安装软件

apt update\
&& apt upgrade\
&& apt install linux-image-kvm init vim -y 

9、设置密码之类的

update-initramfs -u
echo root:root | chpasswd
echo ttyS0 > /etc/securetty
systemctl enable serial-getty@ttyS0.service

10、退出并卸载

sudo umount ubuntu-rootfs-dir

11、后续扩展

（1）如果需要重新安装软件，可以重复第7步骤，挂载镜像，然后chroot进去。

（2）镜像扩容操作

qemu-img resize ubuntu-rootfs-raw-20G.image +10G

二、使用qemu模拟nvdimm（安装PM相关内核模块）

如果要运行PM

1、安装软件包（安装到镜像里面）

apt install -y systemd numactl ndctl daxctl

2、编译内核时，编译相关模块

make -j16 vmlinux bzImage
make M=drivers/dax -j16
make M=drivers/nvdimm/ -j16
make M=drivers/dax/pmem -j16

3、将编译好的模块复制到镜像中

# 1、挂载镜像
# 略

# 2、设置路径（路径根据需要进行修改）
image_dir_path=/home/my/my_images/ubuntu-base/ubuntu-rootfs-dir
module_path=$image_dir_path/root/my_modules
sudo mkdir $module_path

# 3、拷贝编译的内核模块到镜像中
cd linux-5.15.114
sudo cp -r ./drivers/dax $module_path/drivers/dax
sudo cp -r ./drivers/nvdimm $module_path/drivers/nvdimm

# 4、卸载镜像
# 略

3、运行qemu

qemu-system-x86_64 \
    -machine pc,nvdimm=on \
    -m 2G,slots=4,maxmem=32G \
    -nographic -kernel bzImage \
    -smp cores=4,threads=1,sockets=2 \
    -hda ubuntu_rootfs.ext4 \
    -object memory-backend-ram,id=mem0,size=1G  \
    -object memory-backend-ram,id=mem1,size=1G  \
    -numa node,memdev=mem0,cpus=0-3,nodeid=0 \
    -numa node,memdev=mem1,cpus=4-7,nodeid=1 \
    -numa node,nodeid=2 -numa node,nodeid=3 \
    -object memory-backend-ram,id=nvdimm1,size=4G\
    -device nvdimm,memdev=nvdimm1,id=nv1,unarmed=off,node=2 \
    -object memory-backend-ram,id=nvdimm2,size=4G\
    -device nvdimm,memdev=nvdimm2,id=nv2,unarmed=off,node=3 \
    -append "console=ttyS0 crashkernel=256M root=/dev/sda rootfstype=ext4 rw loglevel=8"

4、安装模块（注意模块之间的依赖）

insmod /root/my_modules/drivers/dax/device_dax.ko
insmod /root/my_modules/drivers/dax/kmem.ko

insmod /root/my_modules/drivers/dax/pmem/dax_pmem_core.ko
insmod /root/my_modules/drivers/dax/pmem/dax_pmem.ko
insmod /root/my_modules/drivers/dax/pmem/dax_pmem_compat.ko

insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_btt.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_blk.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_pmem.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_virtio.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/virtio_pmem.ko

# check
lsmod

此处注意：模块之间可能存在依赖，需要按照一定的顺序。如果顺序不对，可能出现如下报错信息insmod: ERROR: could not insert module device_dax.mod: Invalid module format。此时，使用dmesg | tail可以查看详细日志信息，使用modinfo ./dax_pmem.ko | grep depend 可以查看模块的依赖。

$ modinfo ./dax_pmem.ko | grep depend 
depends:        dax_pmem_core
# 可以看到dax_pmem.ko依赖dax_pmem_core模块

5、配置nvdimm

# 首次配置
daxctl migrate-device-model
echo offline > /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
daxctl reconfigure-device --mode=system-ram all

# 重启后重新配置
echo offline > /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
ndctl disable-namespace all
ndctl destroy-namespace all
ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
daxctl reconfigure-device --mode=system-ram all

6、合并四五步

后续可以创建一个init.sh文件放到镜像中，启动时自动运行

# init.sh
# 用于image镜像中挂载内核模块等

insmod /root/my_modules/drivers/dax/device_dax.ko
insmod /root/my_modules/drivers/dax/kmem.ko

insmod /root/my_modules/drivers/dax/pmem/dax_pmem_core.ko
insmod /root/my_modules/drivers/dax/pmem/dax_pmem.ko
insmod /root/my_modules/drivers/dax/pmem/dax_pmem_compat.ko

insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_btt.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_blk.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_pmem.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/nd_virtio.ko
insmod /root/my_modules/drivers/nvdimm/virtio_pmem.ko


# 首次配置
# daxctl migrate-device-model
# echo offline > /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
# ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
# daxctl reconfigure-device --mode=system-ram all

# 重启后重新配置
echo offline > /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
ndctl disable-namespace all
ndctl destroy-namespace all
ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
daxctl reconfigure-device --mode=system-ram all

运行记录

root@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm/nvdimm# echo offline > /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
root@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm/nvdimm# ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
{
  "dev":"namespace1.0",
  "mode":"devdax",
  "map":"dev",
  "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
  "uuid":"12f978b1-c1f4-4be8-a67d-aa076e0a4152",
  "daxregion":{
    "id":1,
    "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
    "align":2097152,
    "devices":[
      {
        "chardev":"dax1.0",
        "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
        "target_node":3,
        "mode":"devdax"
      }
    ]
  },
  "align":2097152
}
{
  "dev":"namespace0.0",
  "mode":"devdax",
  "map":"dev",
  "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
  "uuid":"0529e940-38b1-45fd-a0b1-43fcf95192ce",
  "daxregion":{
    "id":0,
    "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
    "align":2097152,
    "devices":[
      {
        "chardev":"dax0.0",
        "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
        "target_node":2,
        "mode":"devdax"
      }
    ]
  },
  "align":2097152
}
created 2 namespaces
root@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm/nvdimm# daxctl reconfigure-device --mode=system-ram all
[
  {
    "chardev":"dax0.0",
    "size":4225761280,
    "target_node":2,
    "mode":"system-ram",
    "movable":true
  }
]

非首次运行：

root@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm# echo offline > /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
oy-namespace all
ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
daxctl reconfigure-device --moderoot@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm# ndctl disable-namespace all
=system-ram alldisabled 2 namespaces
root@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm# ndctl destroy-namespace all
destroyed 0 namespaces
root@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm# ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
{
  "dev":"namespace1.0",
  "mode":"devdax",
  "map":"dev",
  "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
  "uuid":"8259f939-0c3d-43c4-89cb-6e89653c290f",
  "daxregion":{
    "id":1,
    "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
    "align":2097152,
    "devices":[
      {
        "chardev":"dax1.0",
        "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
        "target_node":3,
        "mode":"devdax"
      }
    ]
  },
  "align":2097152
}
{
  "dev":"namespace0.0",
  "mode":"devdax",
  "map":"dev",
  "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
  "uuid":"41d3381f-cd6a-4c02-b8d1-c97cd2633cb4",
  "daxregion":{
    "id":0,
    "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
    "align":2097152,
    "devices":[
      {
        "chardev":"dax0.0",
        "size":"3.94 GiB (4.23 GB)",
        "target_node":2,
        "mode":"devdax"
      }
    ]
  },
  "align":2097152
}
created 2 namespaces
root@localhost:~/my_modules/drivers/nvdimm# daxctl reconfigure-device --mode=system-ram all
[
  {
    "chardev":"dax0.0",
    "size":4225761280,
    "target_node":2,
    "mode":"system-ram",
    "movable":true
  }
]
reconfigured 2 devices

遇到的一些问题

1、ext4文件系统损坏

问题：系统启动时，遇到ext4的报错信息

[ 3.630969] EXT4-fs error (device sda): htree_dirblock_to_tree:1080: inode #393220: comm systemd-tmpfile: Directory block failed checksum

这还会导致其它的问题，例如：

• 有文件删不掉

rm: cannot remove 'directory': Bad message

• 文件变成目录，还删不掉

# 提示双重目录（因为daxctl.conf变成了目录）
conf_files_filter_out: Directories inside directories are not supported: /etc/modprobe.d/daxctl.conf
# 删除不了
"cannot remove 'daxctl.conf': Directory not empty"

解决办法：

使用e2fsck工具扫描并修复一下文件系统，基本全程按y确定，即可。（按我看到的信息，貌似是一些文件的ref没有更新，导致文件出错）

e2fsck -y ubuntu-rootfs-raw-20G.image

其中，
-f 选项用于强制检查文件系统，即使文件系统处于已挂载状态。
-y 选项用于自动回答所有修复问题为 "yes"，以便自动修复文件系统错误。

检查：

$ e2fsck ubuntu-rootfs-raw-20G.image
e2fsck 1.45.5 (07-Jan-2020)
ubuntu-rootfs-raw-20G.image: clean, 13654/1310720 files, 321042/5242880 blocks

2、内核模块未成功加载

出错信息

$ ndctl create-namespace -f --mode devdax --continue
libkmod: ERROR ../libkmod/libkmod-module.c:838 kmod_module_insert_module: could not find module by name='dax_pmem'
原因：lsmod检查一下，应该是dax_pmem模块没有成功加载。

root@localhost:~# depmod -a
depmod: ERROR: could not open directory /lib/modules/5.15.114+: No such file or directory

原因：我一开始忘记把内核模块放到镜像里了。

3、qemu报错

# qemu环境中，执行关机命令
$ shutdown now
....
systemd-journald[202]: Failed to send stream file descriptor to service manager: Connection refused

猜测：可能是这里有文件没有写完，qemu就被我关了。说不定前面文件系统出错就是因为这个原因。

4、主机终端无法正常打开

不知道具体什么原因（猜测是因为我有时挂载了/dev目录，然后导致终端无法打开，vscode远程链接的终端也无法打开），报错信息如下：

There was an error creating the child proces for this terminalFailed to open PTY: No such device

解决办法：

1、想办法进入系统，通过安全模式或者启动盘，或者什么的，反正只要能运行boot-repair

2、下载boot-repair

3、运行boot-repair进行修复。

$ sudo apt install boot-repair
$ boot-repair

5、模块与内核版本不一致

insmod时出错，然后dmesg | tail可查到报错信息，大致如下：

device_dax: disagrees about version of symbol vmf_insert_mixed
 : unknown symbol kmalloc_caches (err -22)

原因：为了编译更快一点，我的编译命令是make -j16 vmlinux，因此只有vmlinux被更新了，其它的模块没有被更新。

tips（备忘录）

假如存在目录a/c和目录b/c，现在a/c下面添加了1.txt，而我想把这个1.txt同步到b/c下面。

首先， cp -r a/c b/c和cp -r a/c b/c/都不行，它们会把a/c复制到b/c下面，出现了一个b/c/c的文件夹

然后，网上提出了一些方案：https://stackoverflow.com/questions/23698183/how-to-force-cp-to-overwrite-directory-instead-of-creating-another-one-inside，但是我觉得都不太优雅。。。

1. 先rm旧文件夹，再cp新文件夹。简单，但是缺点是文件夹很大的话就很慢吧？
2. 使用rsync同步文件夹。很好，唯一缺点：我用rsync用得没那么熟，而且我不确定rsync是否在所有服务器上都默认已经安装了
3. 使用-T参数，将目标目录视为文件对象。缺点：很少用到这个参数，而且将文件夹视为文件这个功能，我怕我乱用之后，自己以后脑子都记不清了。
4. cp -r a/c/* b/c/*。缺点：我平时用肯定会选这个，但是写在脚本里就不太方便，因为第一次运行得时候，b/c文件夹是不存在的，那这个命令就会报错。因此我写脚本的时候，需要判断这种情况，然后再用不同命令处理。

解决办法：

（1）在编译内核的时候同时编译相关模块

# 默认会编译所有代码
make -j16

（2）将新编译的模块替换旧的模块，为了方便这里写了个脚本。脚本内容就是先挂载镜像，然后拷贝文件，最后卸载镜像。只不过为了安全起见，加了一些check的代码（担心有参数是空的，然后路径变成/什么的）。

linux_kernel_root=.
image_root=/home/mingyang/my_images/ubuntu-base
image_path=$image_root/ubuntu-rootfs-raw-20G.image
mount_dir=$image_root/ubuntu-rootfs-dir

# check
if [[ ! -d $image_root ]]
then
    echo $image_root" not exists"
    exit
fi
if [[ ! -f $image_path ]]
then
    echo $image_path" not exists"
    exit
fi
if [[ ! -d $mount_dir ]]
then
    echo $mount_dir" not exists"
    exit
fi


# mount
sudo mount $image_path $mount_dir
ret=$?
if [[ ! ret ]]
then
    echo "mount $image_path to $mount_dir failed"
    exit
fi
echo "success mounting $image_path to $mount_dir"

# copy
module_path=$mount_dir"/root/my_modules"

sudo mkdir -p $module_path/drivers/dax
sudo mkdir -p $module_path/drivers/nvdimm

sudo rm -r $module_path/drivers/dax
sudo rm -r $module_path/drivers/nvdimm

sudo cp -r $linux_kernel_root/drivers/dax $module_path/drivers/dax
sudo cp -r $linux_kernel_root/drivers/nvdimm $module_path/drivers/nvdimm

echo "success copying modules to $module_path"

# umount
sudo umount $mount_dir
if [[ ! ret ]]
then
    echo "umount $mount_dir failed"
    exit
fi
echo "success umounting $image_path to $mount_dir"