Как выглядит линукс операционная система
Что такое Linux (и другие вопросы)
Быстрое знакомство с самой многогранной операционной системой
Операционная система Linux работает почти на всех серверах в интернете. При этом Linux — это не название какой-то одной операционной системы, а общее название для сотен систем. Давайте разберёмся, как это вообще возможно.
Что такое Linux
Linux — это одновременно две вещи:
Отдельной операционки под названием Linux нет, но если вы знаете принципы работы одной системы, вы сможете легко разобраться во всех остальных.
Что значит ядро Linux?
Ядро Linux — это то, что разработал программист Линус Торвальдс, когда хотел получить основные возможности UNIX, но без ограничения на коммерческое использование.
Ядро операционной системы отвечает за её базовые команды и операции, которые она умеет делать:
Ядро практически не видимо для пользователя, его нельзя «открыть», у него нет видимых для пользователя окон и кнопок. В ядро даже нельзя ввести команду с клавиатуры. Это как рептильный мозг человека: у нас нет к нему осознанного доступа и мы не можем остановить себе сердце силой мысли, но благодаря этому «ядру» у нас бьётся сердце.
Поверх ядра Linux разные программисты сделали свои версии операционных систем: RedHat, Ubuntu, Mint Linux и много-много других. Вот и получается, что ядро в основе — одно, а дистрибутивов Linux — много.
Linux — это версия Unix?
Нет, несмотря на похожие названия, это разные продукты.
Unix был создан в компании AT&T в 1970-х. Это была коммерческая операционка, которую хоть и лицензировали для университетов, но всё равно на ней хотели зарабатывать. UNIX существует как отдельная операционная система до сих пор и используется на сетевом оборудовании.
Linux создана в начале 90-х с нуля как открытая альтернатива Unix. В Linux используются многие принципы и механизмы Unix, но код другой. Более того, код Linux открытый: кто угодно может скачать исходник ядра Linux и посмотреть, как там всё устроено.
Возможно, именно благодаря открытости Linux стал настолько популярной операционной системой с сотнями дистрибутивов.
Что такое дистрибутив Linux
Дистрибутив Linux — это когда разные компании и разработчики берут ядро и добавляют сверху какой-то набор программ: оболочки, компиляторы, драйверы и всё остальное. Это уже становится полноценной операционной системой, и каждая из таких сборок имеет своё название.
Количество дистрибутивов Linux огромно — около 500 более-менее известных и бесчисленное множество разных сборок под разные задачи.
Любой человек, почитав полдня документацию и сформулировав свою задачу, сможет собрать собственный дистрибутив Linux — например под старый компьютер, для обучения, напичканный играми или для веб-разработки.
Почему дистрибутивов так много
Потому что каждая компания считает важным что-то своё:
В зависимости от того, что для них важно, компании собирают свои дистрибутивы из разных компонентов.
Получается, Linux — это бесплатно?
В основном да, Linux — это бесплатно. Есть и коммерческие сборки Linux: ты платишь за софт и поддержку пользователей.
В этом и есть первая сила Linux — в бесплатности и доступности. Вторая суперсила — в гибкости и разнообразии настроек и специальных программ.
Как выглядит интерфейс Linux
Linux может выглядеть как угодно — смотря что вам нравится.
Когда вы смотрите на окна операционной системы, на самом деле вы смотрите на специальную программу-менеджер. Это надстройка над ядром, которая рисует красивые окна. В операционных системах Windows и MacOS оконные менеджеры стандартные и не меняются, а в Linux можно выбрать свой.
Дистрибутивы Linux выглядят по-разному в зависимости от того, какой оконный менеджер там стоит. Можно вообще обойтись без него.
Например, можно поставить себе оконный менеджер KDE:
Или можно использовать GNOME:
Или менеджер Xfce, если железо совсем слабое:
Можно вообще не пользоваться оконным менеджером и управлять всем из командной строки, как это делают на серверах:
Для чего используется Linux
Linux используется для чего угодно. Так как любой дистрибутив Linux собирается из разных кирпичиков, можно найти дистрибутивы:
Если того, что вам нужно, нет в списке, то вы можете сами сделать свой дистрибутив или взять что-то за основу и поставить туда нужный софт. Такой подход и делает Linux универсальной операционной системой для всего.
Можно ли играть в игры на Linux
В целом — да, но с ограничениями. Вот варианты:
На Linux можно поиграть в Doom Eternal. А в Doom 3 можно поиграть даже на Линуксе, который работает на одноплатном компьютере Raspberry Pi 4.
Основная проблема с играми на Linux — это передовые игры, которые используют максимум возможностей видеокарты. Не на все карты и не у всех производителей есть драйверы на Linux. Хотя со временем их становится всё больше, а некоторые ребята даже пишут собственные драйверы.
А что со специализированным железом и софтом?
На Linux есть масса профессионального софта для работы с графикой, видео и звуком. Это не такие комбайны, как у Adobe и Apple, но со своими задачами справляются.
Постепенно производители софта понимают важность Linux и выпускают для него полноценные версии своего софта. Например, Blackmagic сделали для Linux полноценную версию видеомонтажной программы Davinci Resolve.
Совместимость со специализированным железом под вопросом: есть железо, которое работает только на Linux. И есть железо, у которого вообще нет драйверов на Linux. Надо смотреть.
Можно ли запускать на Linux программы от MacOS или Windows?
В целом — да. На Linux можно установить эмуляторы других операционных систем. Например, Wine — это широко распространённый эмулятор Windows. Есть система VMWare Workstation, которая создаёт виртуальную машину внутри вашего Линукса, и там можно запустить что угодно.
Надо понимать, что любая эмуляция «отжирает» часть ресурсов компьютера и могут быть проблемы с совместимостью, поэтому ступайте осторожно.
Что дальше
В одном из следующих выпусков перейдём к практике — установим Linux на домашний компьютер. Лайк, подписка.
Анатомия GNU/Linux
Какое-то время назад на Хабре была небольшая волна постов на тему «Почему я [не] выбрал Linux». Как порядочный фанатик я стриггерился, однако решил, что продуктивнее что-нибудь рассказать о своей любимой системе, чем ломать копии в комментариях.
У меня сложилось впечатление, что многие пользователи GNU/Linux слабо представляют, из чего сделана эта операционная система, поэтому утверждают, что она сляпана из попавшихся под руку кусков. В то же время, архитектура большинства дистрибутивов является устоявшейся и регламентируется рядом стандартов, включая стандарт графического окружения freedesktop.org и Linux Standard Base, расширяющий стандарты Unix. Мне при знакомстве с GNU/Linux несколько лет назад для погружения не хватало простой анатомической карты типичного дистрибутива, поэтому я попробую рассказать об этом сам.
Загрузчик
Сеанс операционной системы начинается с загрузчика, как театр с вешалки. Дефолтным загрузчиком сегодня является GNU GRUB, известный так же как GRUB 2. По-прежнему доступна первая ветка, называемая теперь «GRUB Legacy». Другой загрузчик с давней историей — Syslinux.
Задача загрузчика — инициализировать ядро Linux. Для этого, в общем случае, нужно знать, где ядро лежит, и уметь прочитать это место (раздел Ext4, скажем). Ядру в помощь загрузчик обычно так же подтягивает начальный образ загрузки, о котором скажем позже. GRUB умеет много прочего, типа построения весьма сложных меню и чейнлоадинга других загрузчиков (Windows Boot Manager например). GRUB имеет конфигурационный синтаксис, отдалённо напоминающий шелл, и расширяется модулями.
GRUB велик и могуч, порой даже слишком, и встраиваемые системы часто используют компактный Das U-Boot.
В рамках одного дистрибутива может поддерживаться несколько вариантов ядра, например:
mainline («основное»);
LTS (с расширенной поддержкой);
rt (патченное для поддержки исполнения в режиме реального времени);
с различными патчами для повышения производительности или защищённости (zen, hardened etc);
libre (почищенное от проприетарных блобов ядро, ожидаемо поддерживающее мало оборудования).
совсем экзотичные варианты с не-Linux ядром типа Debian GNU/Hurd (с ядром GNU Hurd) и Debian GNU/kFreeBSD (с ядром FreeBSD соответственно). Это уже, конечно, не GNU/Linux.
Начальный образ загрузки
Начальный образ загрузки известен так же как initrd и initramfs. Представляет собой архив с образом файловой системы, развёртываемой в оперативную память в начале процесса загрузки. Несёт в себе различные драйверы и скрипты, позволяющие инициализировать оборудование и смонтировать файловые системы.
Содержимое начального образа загрузки зависит от версии ядра и потребностей пользователя (кто-то использует ZFS, а у кого-то корень зашифрован LUKS). Поэтому образ не поставляется в дистрибутивах. В дистрибутивах поставляются фреймворки для создания начальных образов по мере необходимости. Так, обычно создание свежего образа инициируется при обновлении ядра. Вот несколько популярных фреймворков:
initramfs-tools — детище Debian.
Dracut (произносится созвучно с сушёной кошкой) — в RHEL и производных (CentOS, Scientific Linux etc.). Наиболее гибкий и современный инструмент из перечисленных, если спросите меня.
mkinitcpio поставляется в Archlinux, хотя мейнтейнеры подумывают о Dracut, который уже включён в репозиторий и установочные образы.
make-initrd — свой путь у замечательного отечественного дистрибутива Alt Linux.
Тут же упомянем Plymouth, размещаемый в начальном образе. Это заставка (сплэш-скрин), позволяющая заменить вывод ядра при загрузке на произвольную анимированную картинку, например логотип дистрибутива, что принято в «дружелюбных к пользователю»™ дистрибутивах типа Ubuntu и Fedora.
Командная оболочка
Наиболее распространены сегодня следующие оболочки:
Bourne shell (sh) — «тот самый шелл», сложно найти дистрибутив без него.
Bourne again shell (bash) — принят по умолчанию в качестве пользователькой оболочки в большинстве GNU/Linux дистрибутивов и предлагает ряд удобств по сравнению с sh.
Debian Almquist shell (dash) — компактная облочка, совместимая с sh. Традиционно используется в Debian, где /usr/bin/sh на неё ссылается.
Z shell (zsh) — похож на bash, но предлагает оригинальные фишечки для интерактивного ввода. Редко идёт из коробки, но обычно поставляется в репозитории.
Графический сервер
Демон, отвечающий за отрисовку окошек. Золотой стандарт графического сервера — X Window System с нами аж с 1984 года. Это именно стандарт, архитектура и набор протоколов. Реализаций за прошедшие годы была уйма, в каждой собственнической Unix-системе была своя. В GNU/Linux (и BSD) долгое время применялся Xfree86. Теперь с нами X.Org Server, или просто Xorg, он отпочковался от XFree86.
X Window System — мощная и богатая система, так, одна из возможностей — сетевая прозрачность. Вы можете запустить на своём хосте графическое приложение с другой машины, даже когда на той машине графический сервер не запущен. При помощи SSH это можно сделать, например, так (может потребоваться небольшая донастройка sshd):
Надо сказать, терминология X Window System контринтуитивна: клиентом называется графическое приложение, а сервером — отрисовывающее. На этот счёт прошлись в классической монографии «The UNIX-HATERS Handbook».
Другая возможность X, отрисовка графических примитивов и текстовых глифов, использовалась в старые времена, когда мужчины были мужчинами и рисовали окошки сами, без тулкитов.
В окружениях рабочих столов активно используется X keyboard extension, расширение, отображающее нажатие клавиш на различные раскладки.
«Иксам» пророчат скорую кончину. Именно обширность и сложность стандарта побудила разработчиков СПО начать работу над новым стандартом — протоколом Wayland. Wayland достиг определённой стадии зрелости и с переменным успехом внедряется дистрибутивами как графический сервер по умолчанию. Тем не менее, проект Wayland начат в 2008 году, а стандарт X ещё не спешит уходить с голубых экранов.
Оконный менеджер Weston
После старта графический сервер обслуживает иерархию окон. Существует понятие «корневое окно» (root window), оно, в свою очередь, «владеет» окнами панелей, приложений. Окна приложений «владеют» своими модальными окнами. Обычно обои рабочего стола отрисовываются в корневом окне.
Дисплейный менеджер
Не вполне интуитивно названные, дисплейные менеджеры (DM) рисуют для нас приветливое окошко входа в систему. Обычно, помимо ввода логина и пароля, они позволяют выбрать сессию (при наличии выбора в вашей системе) и задать язык сеанса. Дисплейные менеджеры делают плюс-минус одну и ту же нехитрую работу, их многообразие оправдано консистентностью с различными средами рабочего стола (что зависит, по большей части, от графического тулкита и утилит настройки). Можно жить без дисплейного сервера, как в старые добрые времена. Для этого потребуется настроить ваш
Жизнь без DM Жизнь c SDDM
Типичные представители дисплейных менеджеров:
GDM из набора GNOME;
SDDM из комплекта KDE;
LightDM — универсальный вариант;
FlyDM — из поставки Astra Linux.
Окружение рабочего стола
Окружения рабочего стола (DE) состоит из ряда стандартных компонентов, таких, как:
панель с треем и меню запуска приложений;
хранитель экрана, он же блокировщик экрана;
браузер, которым никто не пользуется;
почтовый клиент (у зажиточных окружений);
Два могучих окружения, GNOME и KDE, сражаются за сердца простых пользователей, а остальные массовые десктопы им завидуют нередко пользуются их наработками. Некоторые хардкорные пользователи предпочитают собирать окружение рабочего стола самостоятельно на базе оконных менеджеров типа Awesome и i3.
Оконный менеджер Window Maker
На скриншоте оконный менеджер Window Maker из состава GNUstep. GNUstep воспроизводит окружение NeXTSTEP. Поставляется в репозиториях большинства дистрибутивов.
Графические тулкиты
Графический тулкит — библиотека или фреймворк, упрощающая рисование формочек и кнопочек, причём в едином стиле. То, чем занимается Windows Forms на ОС другого производителя, а так же занимался некогда полулярный Motif на старых юниксах (Open Motif доступен поныне).
Флагманами в этой категории долгое время были и остаются GTK и Qt. GTK родился как тулкит для свободного графического редактора GIMP и позже переполз под крыло GNOME. Написан на чистом C с классами, имеет официальные байндинги к Python и C++, а ещё породил целый язык общего назначения Vala. Qt — изначально коммерческий проприетарный тулкит, сейчас является свободным ПО (но по-прежнему коммерческим). Написан на C++ с размахом, заменяя стандартную библиотеку и кучу других библиотек и предлагая метаобъектный компилятор (кодогенератор). Имеет байндинги к куче языков. KDE гордо зиждется на этом великолепии.
Графическое API
Mesa — это каркас для видеовывода. Меза предоставляет API OpenGL и, с не столь давних пор, Vulkan (и несколько других API типа VDPAU и VAAPI). Можно сказать, что Mesa берёт на себя вопросы графики, которыми обычно занимается DirectX в ОС другого производителя.
Безопасность
Обширная часть системы, и я недостаточно компетентен, чтобы в неё углубляться, тем не менее, обзорно рассмотрим.
PAM — Pluggable Authentication Modules — модульная система авторизации. Отвечает, как понятно из названия, за авторизацию пользователей в системе, причём разными способами. Через PAM авторизуются в том числе доменные пользователи, в таком случае PAM действует в связке с имплементацией Kerberos (обычно MIT’овский krb5), поскольку сам по себе PAM не работает с удалёнными клиентами. Модули представляют собой разделяемые библиотеки (исполняемые файлы с суффиксом so ) и позволяют делать интересные штуки при входе пользователя. Например, можно создавать домашнюю директорию при первом входе ( pam_mkhomedir.so ) или монтировать файловые системы ( pam_mount.so ).
Классическая утилита su и более молодая sudo предназначены для исполнения комманд от имени другого пользователя (по умолчанию root ). Наиболее значимая разница — su требует пароль пользователя, из-под которого вы хотите работать, а sudo — ваш пароль. sudo гибко настраивается, позволяя запускать только определённые команды определённым пользователям из-под других определённых пользователей, как-то так.
Менеджер авторизации Polkit позволяет непривилегированным процессам взаимодействовать с привилегированными. По сути он похож на sudo, но обладает превосходящей гибкостью и предназначен в первую очередь для приложений, в то время как sudo — утилита для пользователя. Правила пишутся, внезапно, на JavaScript’е.
Linux Security Modules (LSM) — фреймворк внутри ядра Linux, позволяющий накладывать на систему дополнительные моде́ли безопасности. Это достигается при помощи мо́дулей безопасности, не путать с модулями ядра. Наиболее популярные модули безопасности — SELinux и AppArmor. Первый явлен миру АНБ и развивается Red Hat, второй рождён в рамках ОС Immunix и сегодня развивается Canonical Ltd. Соответственно, SELinux поставляется в RHEL и производных, а AppArmor — в Ubuntu. Оба модуля имеют сходное назначение и привносят в систему мандатное управление доступом. Оба модуля повышают безопасность системы, не позволяя приложениям делать то, что от них не ожидается. Так, сконфигурированные модули безопасности не дадут веб-серверу шариться по диску вне нескольких ожидаемых директорий. Обратной стороной является необходимость конфигурировать систему безопасности для каждого мало-мальски нестандартно настроенного приложения. Не у многих на это хватает энтузиазма, так что обычно модуль безопасности просто переключается в разрешающий режим.
Антивирусные программы для GNU/Linux существуют, но мне не встречались дистрибутивы, где бы они шли из коробки, кроме специализированных решений для сканирования системы.
Подсистема печати
CUPS — «общая система печати UNIX», рождённая компанией Apple. Система модульная, поддерживает огромное количество устройств и, насколько мне известно, на сегодня не имеет альтернатив. А ещё CUPS имеет веб-интерфейс (по умолчанию на localhost:631).
Морда CUPS
Звуковая подсистема
Продолжительное время основной звуковой подсистемой ядра является ALSA. Некоторые пользователи ошибочно считают, что PulseAudio заменил ALSA. Это не так, PulseAudio — это звуковой сервер, являющийся лишь слоем абстракции, упрощающим управление аудиопотоками. Другим аудиосервером является JACK, который предназначен для профессиональной работы с аудио. Он не столь удобен для пользователя, но обеспечивает низкие задержки и предоставляет гибкую маршрутизацию MIDI-потоков.
Red Hat готовит нам PipeWire на замену PulseAudio и JACK. Следим за событиями.
Межпроцессное взаимодействие
Здесь речь не про низкоуровневые POSIX-штуки типа разделяемой памяти и сокеты. За свой век GNU/Linux повидал несколько подсистем, призванных упростить межпроцессное взаимодействие (IPC) десктоп-приложений. Сейчас правит бал шина сообщений D-Bus, а об остальных позабыли. Для чего это нужно? Например, некая служба посылает в шину сообщение об изменении своего состояния, а апплет панели слушает его и изменяет свой индикатор. Так обычно работают апплеты громкости и клавиатурной раскладки.
Работоспособность WiFi-устройств, как правило, обеспечивает демон WPA supplicant, у которого есть конкурент iwd, написанный ни много ни мало, компанией Intel.
Тут же хочется упомянуть демон Bluez, обеспечивающий работу с Bluetooth-устройствами.
Межсетевой экран
Слава iptables гремит далеко за узким кругом бородатых админов. Это не фильтр сам по себе, а лишь набор утилит в пространстве пользователя, работающий с подсистемой Linux Netfilter. Недавно (в историческом масштабе) добавилась подсистема ядра nftables и соответствующая пользовательская утилита nft. Это было сделано, в первую очередь, для унификации интерфейсов таблиц маршрутизации IPv4, IPv6, ARP и софтовых L2-коммутаторов. В современных дистрибутивах команды iptables являются лишь обёрткой для nftables и не рекомендуются к использованию. В целом, конфиг nft выглядит опрятнее дампа iptables.
Существует пачка высокоуровневых фаерволлов-обёрток над nftables (в том числе графических), так в RHEL и производых из коробки идёт firewalld, а в Ubuntu — UFW.
Пакетный менеджер
Пакетный менеджер — это сердце дистрибутива. Наиболее именитые и с длинной историей — это RPM из мира Red Hat и dpkg из семества Debian. Пример более современного — pacman из Arch Linux. Старожилы RPM и dpkg работают только с локальными пакетами: они их распаковывают, устанавливают и проверяют, что все зависимости удовлетворены. Работой с репозиториями занимаются другие утилиты, являющиеся как бы фронтендом к самому пакетному менеджеру. В RHEL ранее поставлялась утилита yum, на замену которой пришла dnf, в Debian раньше были apt-get и apt-cache, затем их увязали в одну команду apt. Более молодой pacman не имеет видимого пользователю разделения на несколько утилит и предлагает очень простой формат пакетов, которые можно собирать буквально на коленке. Есть и множество других, со своими особенностями. Например nix, который позволяет иметь в системе несколько версий одного пакета.
Новое в исторических масштабах явление — кросс-дистрибутивные системы поставки приложений. Появились в попытке преодолеть ад зависимостей, облегчить труд разработчиков и мейнтейнеров (избавив их от необходимости создавать десятки пакетов под разные версии и ветки GNU/Linux). Наиболее популярные проекты: Flatpack от Gnome, Snap от Canonical и AppImage сам по себе. Они несколько отличаются подходами, но в общем случае обеспечивают установку приложений со всем рантаймом и некоторой степенью изоляции от системы. Штуки удобные, однако подход несколько напоминает традиции тащить все зависимости с устанавливаемой программой в популярной ОС другого производителя. Простоты и порядка в систему не добавляют.
Для перечисленного добра есть красивые обёртки в виде магазинов приложений, два самых ходовых — GNOME Software и KDE Discover.
KDE Discover GNOME Software с фирменной кнопочкой в заголовке окна
Заключение
Краткая результирующая диаграмма:
Современный GNU/Linux в представлении художника
Если присмотреться к перечисленным составляющим GNU/Linux, можно заметить, что львиная доля технологий привносится несколькими крупными организациями. К ним относятся:
проект GNU под эгидой Free Software Foundation;
Red Hat, производитель коммерческого дистрибутива, недавно вошедший в состав IBM;
сообщество kernel.org при поддержке Linux Foundation.
В интернете ради флейма часто вкидывают, мол, поглядите — эти ваши линуксы делают клятые корпорации, где ваше хвалёное сообщество? Я думаю, не стоит противопоставлять отдельных энтузиастов и организации: все они вращают колесо open source. В конце концов, в больших организациях трудятся обычные люди. В итоге мы имеем очень динамичную систему, в которой не без причины компоненты сменяются один за другим, всё это куда-то движется, и, в общем-то, год от года хорошеет. Я надеюсь, в этом очерке удалось дать представление об анатомии GNU/Linux, а может быть и заинтересовать кого-нибудь закопаться поглубже.
Большое спасибо @ajijiadduh, который отловил огромное количество опечаток сразу после публикации, и всем прочим пользователям, указавшим на ошибки.
Правки и предложения вы можете присылать по адресу https://gitlab.com/bergentroll/gnu-linux-anatomy.
Copyright © 2020 Антон «bergentroll» Карманов.