基於LinuxBoot的雲固件創新實踐
作者： 浪潮信息技術研發部 吳海波
背景
9 月 15 日，字節跳動宣佈全球首批基於LinuxBoot雲固件的x86服務器實現批量化上線運行【1】。該產品固件由字節跳動系統技術與工程團隊(STE團隊)、浪潮信息技術研發團隊以及Intel聯合開發實現。
產品採用UEFI Minplatform（Minimum Platform的縮寫）進行芯片初始化和最小化的平臺初始化功能，將其它大部分傳統UEFI固件初始化的流程代碼移植到LinuxBoot模塊中進行實現。通過精簡UEFI 功能模塊，在底層固件模塊中引入Linux軟件生態，面向雲平臺原生需求開發雲固件解決方案，使得服務器系統固件更易於開發和維護。
將Linux生態引入到系統固件中是目前開源固件技術發展的一種趨勢，本文簡單介紹了浪潮服務器在開源系統固件方面的創新實踐。
目前系統固件問題
在服務器領域，經常會聽到“固件”這個名詞，什麼是固件呢？
“固件”就是存儲在EEPROM或者FLASH中的程序。它是在電子硬件系統最基礎最底層的軟件，在系統上電後，首先要執行的程序就是固件。固件負責完成硬件的初始化，讓電子設備系統處於一個正常的狀態，然後才能讓上層的操作系統或者應用軟件正常使用。
對於服務器領域，BIOS是服務器最重要的固件，BIOS負責完成CPU、內存和外設的初始化，將硬件系統的抽象信息報告給操作系統，操作系統才能正常使用硬件。
目前服務器的BIOS均採用UEFI/Tiano的方案[2]，但是隨着目前雲服務和數據中心的快速發展，UEFI BIOS也逐漸顯露了一些問題：
（1）隨着技術的發展，UEFI越來越複雜，門檻高，在UEFI專業領域的開發人員相比其他軟件開發而言非常稀少。
（2）目前大多都是服務器廠商在購買BIOS軟件廠商的UEFI BIOS代碼基礎上進行增強開發。 不同BIOS軟件廠商提供代碼風格和架構差別很大，一個服務器廠商的UEFI BIOS開發人員需要熟悉多套代碼；另外，UEFI BIOS代碼結構和內容有時還會隨着服務器CPU的更新升級發生較大變動；這些都增加了BIOS固件的開發難度。
（3）由於UEFI BIOS固件中包含了服務器廠商和IBV（獨立BIOS）廠商的知識產權，所以大部分BIOS代碼都是閉源的，通過二進制的形式分發給服務器廠商使用。閉源會帶來三方面的問題：i) 如果BIOS固件出現問題，只能讓廠商來解決，這可能延長故障處理時間。ii) 由於代碼是閉源的，對客戶而言也隱藏着一些安全風險。Iii) 代碼閉源，也將導致用戶難以增添定製化功能，無法滿足當前雲環境下的快速迭代更新的需求。
綜上所述，目前UEFI生態環境面臨着開發人員短缺，代碼不夠開放，開發難度大，隱藏着安全風險等問題。
開源固件解決方案
爲解決當前UEFI BIOS固件的問題，尤其是針對當前雲環境下的應用，目前開源社區提出了多種優化解決方案，包括Minplatform[3,4],CoreBoot[5]和LinuxBoot[6]等；主要是希望通過引入開源的方式來解決和優化目前UEFI BIOS固件遇到的問題。下面分別簡單介紹下這些方案的內容。
Minplatform
Minplatform指Mininum Platform, 是Intel 提出的對目前UEFI固件的開源優化解決方案。如下圖1所示，Minplatform定義了平臺啓動的多個BootStage，通過BootStage的配置實現了UEFI BIOS開發過程中依據不同需求選擇配置相應的功能模塊實現完整UEFI BIOS的最終解決方案。
圖1 Minplaform定義的多個BootStage
在具體的實現上，如圖2所示，Minplatform是依賴於UEFI Tiano EDK2[7]的開源代碼，以搭積木的方式逐漸添加系統固件的功能，最終實現完整的BIOS固件。Minplatfom相比當前全功能的UEFI BIOS而言，先是一個做減法的操作，能快速啓動。它定義了UEFI BIOS的最小平臺代碼；然後才做加法，根據不同需求來增加功能，繼而實現較完整的UEFI BIOS。通過這種方式有效的減少了UEFI固件開發難度，增加功能代碼的複用，是對當前UEFI BIOS固件開發的一種優化方案。
圖2 MinPlatform實現
由於Minplatform是基於UEFI Tiano EDK2的開源實現，從BIOS代碼廠商那購買UEFI BIOS，服務器廠商可以直接將功能代碼做簡單移植就可以作爲Minplatform。這種方案對目前服務器廠商而言影響最小，因爲已經積累了豐富的UEFI開發經驗。
CoreBoot
CoreBoot的前身是LinuxBios，是Ron Minnich於上世紀發起的項目，一種Linux代碼風格的開源固件解決方案，跟UEFI固件架構完全不同。CoreBoot的目標是做最小的操作來完成硬件功能初始化，儘快的啓動到操作系統中。
圖3 CoreBoot的發展
UEFI的平臺啓動初始化流程爲SEC->PEI->DXE->BDS->TLS->RT這幾個階段，其中SEC是指安全驗證階段，PEI是指EFI前期初始化階段，DXE是驅動執行環境階段，BDS是指啓動設備選擇階段，TSL是指操作系統加載前期階段，RT是指運行時階段。
而CoreBoot將啓動流程分爲bootblock->romstage->ramstage->payload這幾個主要階段, 如下圖4所示。其中booblock是彙編編寫的，主要爲C運行環境做準備；romstage階段主要是來初始化內存和一些早期初始化操作；ramstage階段主要執行系統設備的初始化，比如pcie初始化，創建ACPI表等；到了payload階段CoreBoot的初始化操作實際上已經完成，payload可以作爲最終的Bootloader來加載操作系統。
圖4 CoreBoot平臺初始化流程
相比UEFI架構的代碼，CoreBoot代碼跟Linux風格類似，完全開源, 它結合CPU廠商的芯片初始化二進制包（FSP/ATF/AGASA等）一起使用，來完成封閉的芯片初始化功能，同時可以集成Tianocore、LinuxBoot等各種payload，來滿足各種需求。
目前CoreBoot主要在Chromebook等PC機器上應用，由於CoreBoot的開源以及Linux風格的代碼架構的原因, 以及在Linux領域的人才優勢，也在推進支持使用CoreBoot作爲服務器的UEFI BIOS的替代選擇。
LinuxBoot
LinuxBoot來源於NERF（Non-Extensible Reduced Firmware）項目，是用Linux作爲固件的一部分的解決方案，它不是一個完整的固件方案，無法獨立完成所有的硬件初始化功能，必須依賴於UEFI 、CoreBoot等完成CPU和內存初始化，然後使用Linux Kernel來完成外設初始化和啓動操作系統的功能。
圖5 LinuxBoot架構圖
對於當前服務器固件解決方案UEFI BIOS而言，LinuxBoot主要是通過開源的Linux Kernel來取代UEFI DXE和BDS階段的功能，比如通過Linux下的開源driver來取代UEFI下的設備驅動，用Linux完備的網絡功能取代UEFI的。UEFI結合LinuxBoot可以減少UEFI代碼和開發難度。
LinuxBoot已被 Linux 基金會接受。目前在服務器領域，它作爲固件部分的方案得到了許多廠商的支持，但是這種方案要求有較強的Linux開發能力，否則難以享受LinuxBoot帶來的優勢。
固件發展趨勢
雖然目前基於UEFI的BIOS系統固件還是絕對的主流，但是UEFI BIOS面臨的閉源、安全和開發難問題也是無法迴避的問題。尤其是對於具有大型數據中心的大型互聯網服務提供商來說，如何將符合自己業務場景需求的功能添加到固件中，如何實現系統固件的快速開發和維護，從而減少因爲固件維護導致的停機時間，如何保證固件代碼的安全可靠, 如何具備系統固件開發能力和掌控能力，都需要考慮。
相比服務器廠商，大型互聯網服務提供商，擁有大量的Linux方面的開發人才，所以希望引入LinuxBoot和CoreBoot這些基於Linux或類似的固件方案來增加在服務器固件上的技術掌控能力。另外通過開源的固件解決方案，也能夠減少UEFI代碼中隱藏的代碼安全風險，加快服務器固件開發，減少服務器系統固件的維護時間。
圖6 服務器固件 Bootloader各方案對比（引自字節跳動STE團隊）
這也要求服務器廠商需要提前瞭解這些客戶的需求，並與之深入合作來保持在未來固件發展中重要地位。在構建智慧時代的“新基建”-智算中心的過程中，浪潮秉承着開放標準、集約高效和普適普惠的理念，以穩健、實幹的態度，積極主動地與用戶、以及上下游合作伙伴一道，共同推動開放計算生態健康有序的發展。
作者：浪潮信息技術研發部 吳海波
感謝黃家明、吳安、葉毓睿等對本篇文章的貢獻。
參考：
- 字節跳動首發雲固件，成功實現服務器LinuxBoot產品化落地: https://mp.weixin.qq.com/s/bl16hO3WrBgI562eQ483cg
- UEFI: https://uefi.org/
- Minimum Platform: https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/minimum-platform-architecture-open-source-uefi-firmware-for-intel-based-platforms.html
- Minimum Platform Spec: https://edk2-docs.gitbook.io/edk-ii-minimum-platform-specification/
- CoreBoot: https://www.coreboot.org/
- LinuxBoot: https://www.linuxboot.org/
- Tiano EDK2: https://github.com/tianocore/edk2