RasPi via Netzwerk booten

© Erik Reis, 123RF

Ferngebootet

Das Booten über das Netzwerk beherrscht auch der RasPi 3 – und bietet damit sehr viel mehr Flexibilität, als Sie mit SD-Cards erzielen können.

Damit Sie später in der Lage sind, Ihre Infrastruktur so anzupassen, dass das Booten über das Netzwerk fehlerfrei läuft, gilt es, einige technische Grundlagen zu verinnerlichen. Das Verfahren, das hier zum Einsatz kommt, nennt sich Preboot Execution Environment oder kurz PXE. Es wurde bereits in den Achtzigerjahren des letzten Jahrhunderts entwickelt und gilt als ausgereift.

Ein PXE-Boot umfasst vier Schritte. Über einen Extended DHCP Request fragt der Client im Netzwerk nach, ob es für ihn eine spezielle DHCP-Konfiguration gibt, mit der er booten kann. Bei positiver Auskunft fordert er über einen DHCP-Request eine IP-Konfiguration an, die es ihm erlaubt, mit dem lokalen Netzwerk zusammenzuarbeiten. Anschließend fragt er mithilfe eines Boot Server Discover beim DHCP-Server nach, von welchem TFTP-Server er das Boot-Image herunterladen soll. Diesem Server sendet er abschließend einen Bootstrap Request, um das Boot-Image herunterzuladen.

Diese vier Schritte umfassen jedoch lediglich den eigentlichen Boot-Vorgang. Danach benötigt der Client ein Dateisystem, mit dem er arbeiten kann. Das stellt im hier vorgestellten Szenario ein NFS-Server bereit.

DHCP und TFTP

Das Kürzel DHCP steht für das Dynamic Host Configuration Protocol. Es dient dazu, Rechner dynamisch mit einer IP-Konfiguration zu versorgen. Das vereinfacht die Netzkonfiguration erheblich und verhindert unter anderem eine Fehlkonfiguration des Clients, etwa durch die doppelte Vergabe von IP-Adressen.

Änderte sich beispielsweise früher das Standard-Gateway eines Netzwerks, musste man jeden Rechner manuell entsprechend anpassen. Heute genügt es, den entsprechenden Wert im DHCP-Server zu modifizieren, der ihn dann an die Clients weitergibt. Via DHCP kann man auch einer bestimmten MAC-Adresse eine feste IP-Adresse zuweisen. Das ist beispielsweise bei Servern sinnvoll, die ihre Adresse über diesen Dienst beziehen. DHCP leistet aber erheblich mehr, als nur IP-Adressen zu verteilen. So dient es auch dazu, festplattenlosen Rechnern die Informationen über die Boot-Images zu übermitteln.

Bei TFTP handelt es sich um ein vereinfachtes, auf FTP basierendes Übertragungsprotokoll, das unter anderem zum Einsatz kommt, um Boot-Images für Rechner zur Verfügung zu stellen. Das erste T steht für "trivial", also "einfach". Im Gegensatz zum TCP-basierten FTP arbeitet TFTP mit UDP, also verbindungslos. Es liefert lediglich Dateien, kennt keine Authentifizierung und kann nicht einmal Verzeichnisse auflisten. Der auf das Wesentliche beschränkte Funktionsumfang eignet sich optimal dafür, um mit geringem Overhead Boot-Images zu übertragen.

Vorbereitungen

Um das hier vorgestellte Szenario nachzustellen, benötigen Sie idealerweise drei Raspberrys – zwei davon in Version 3, der dritte darf auch ein älteres Modell sein. Um die Methodik nachzuvollziehen, genügen aber auch zwei RasPi-Rechner: Einer dient als Client, der andere als Server, der später den Job als TFTP-Server übernimmt.

Die beiden Typ-3-RasPis dienen als Clients, die über das Netzwerk booten. Um Verwechslungen auszuschließen, beschriften Sie die drei Mini-Rechner am besten (Abbildung 1). Um die späteren Clients auf ihren zukünftigen Job vorzubereiten, booten Sie diese zunächst wie üblich per SD-Karte. Es erfordert einen Eingriff in den Einstellung des OTP-Speicher (One Time Programmable), der beim nächsten Booten aktiv wird.

Abbildung 1: Für einen besseren Überblick lohnt es sich, die drei RasPis zu beschriften.

Um das zu erreichen, hängen Sie als Root der Datei /boot/config.txt die Zeile program_usb_boot_mode=1 an, speichern sie und rebooten den RasPi. Um zu überprüfen, ob die Änderung greift, lesen Sie mit folgendem Befehl den Inhalt des OTP-Speichers aus:

$ vcgencmd otp_dump | grep 17
17:3020000a

An Position 17 im OTP-Speicher sollte jetzt der Wert 3020000a stehen. Entfernen Sie danach die angefügte Zeile wieder aus der /boot/config.txt.

Zur späteren Konfiguration des DHCP-Servers benötigen Sie die MAC-Adresse des Clients (etwa 00:D0:B7:6A:B5:46), die Sie mit ifconfig ermitteln. Fahren Sie danach den Client herunter und entnehmen Sie die SD-Karte. Das gleiche Prozedere wiederholen Sie nun auf dem zweiten Client.

Beim Start warten die Clients zukünftig etwa fünf Sekunden. Befindet sich keine SD-Karte im Schacht, erfolgt der Boot übers Netzwerk.

DHCP-Server vorbereiten

Damit die Clients Stets dieselbe IP-Adresse bekommen, teilen Sie dem DHCP-Server mit, welcher MAC-Adresse er welche IP-Adresse zuteilen soll. Die Tabelle "IP zu MAC" zeigt für unser Beispiel die Zuordnung von IP- zu MAC-Adressen.

IP zu MAC

Raspberry

MAC-Adresse

IP-Adresse

Client1

b8:27:eb:e7:dc:af

192.168.1.50

Client2

b8:27:eb:24:24:46

192.168.1.51

So gut wie jeder Router verfügt über die notwendige Funktion zur Vergabe von IPs anhand der MAC-Adresse. Allerdings platziert jeder Router-Hersteller sie im Interface etwas anders. Im Zweifelsfall konsultieren Sie das Handbuch des jeweiligen Geräts. Bei einer Horizon-Box finden Sie die Einstellung unter Basic | DHCP Client-Geräte | Statischer DHCP Client.

Zu Problemen kommt es möglicherweise dann, wenn der DHCP-Server an die Mini-Rechner schon einmal eine IP-Adresse (Lease) vergeben hat. Dann speichert er nämlich MAC- und IP-Adresse in seinen internen Tabellen. Je nach Hersteller kommt es vor, dass der DHCP-Server dem IP-Änderungswunsch nicht sofort nachkommt, weil er das Lease für die MAC noch verwendet. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen.

Manche Router bringen eine Funktion zum Löschen der Leases mit. Befinden sich diese im flüchtigen Speicher des Routers, genügt ein Restart. Alternativ starten Sie den RasPi und geben das Lease mit dhclient -r eth0 wieder an den DHCP-Server zurück. Darauf zu warten, dass das meist zeitlich begrenzte Lease abläuft, wäre zwar auch eine Option, aber meist keine praktikable: Viele Router halten es für Wochen oder gar Monate vor.

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