Ubuntu Server on RP4 をネットワークブートで運用する

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Published

May 16, 2025

はじめに

Raspberry Piをネットワークブートで運用するための環境構築を行いました。 ブートに必要なファイルは、先日構築したゲートウェイ上でホスティングしています。

やったこと

  • Ubuntu Serverのイメージからルートファイルシステムを作成しました
  • NFSでルートファイルシステムをマウントするための initrd.img を作成しました
  • 作成したファイル群をゲートウェイに配置し、ネットワークブートできる環境を整備しました

ルートファイルシステムの作成

ルートファイルシステムは NFS 経由でマウントします。 マウントポイントの構成は以下の通りです。

  • /var: 書き込み可能。マシンごとに専用ディレクトリを用意します
  • /home: 書き込み可能。全マシンで共有します
  • /: 読み取り専用。全マシンで共通です

Ubuntu Serverのイメージからファイルをコピーする

まず、ubuntu-25.04-preinstalled-server-arm64+raspi.img を kpartx を使ってマウントします。

$ sudo /sbin/kpartx -av ubuntu-25.04-preinstalled-server-arm64+raspi.img
add map loop0p1 (253:0): 0 1048576 linear 7:0 2048
add map loop0p2 (253:1): 0 6991396 linear 7:0 1050624
$ sudo mount /dev/mapper/loop0p1 /mnt/boot
$ sudo mount /dev/mapper/loop0p2 /mnt/root

そして、/mnt/bootを/var/tftpbootにコピーします。

$ sudo rsync -av /mnt/boot/ /var/tftpboot/

続いて、ファイルのコピー先となる NFS 公開用のディレクトリを作成します。 ${SERIAL} は各 Raspberry Pi の CPU シリアル番号を想定しています。

$ sudo mkdir -p /var/nfsroot/home
$ sudo mkdir -p /var/nfsroot/root
$ sudo mkdir -p /var/nfsroot/clients/${SERIAL}/

/var/nfsroot/home と /var/nfsroot/clients/${SERIAL}/ を /root 以下に bind マウントしてからファイルをコピーします。

% mkdir -p /var/nfsroot/root/{home, var}
% sudo mount --bind /var/nfsroot/clients/${SERIAL}/var /var/nfsroot/root/var/
% sudo mount --bind /var/nfsroot/home /var/nfsroot/root/home
% sudo rsync -av /mnt/root/ /var/nfsroot/root/

これで、ベースとなるルートファイルシステムが作成されました。

必要なパッケージの導入と初期設定

このルートファイルシステムは読み取り専用で運用するため、chroot 環境内で必要なパッケージの導入や設定を行います。

まず、作業用のユーザーとグループを作成します。

% sudo chroot /var/nfsroot/root/ /bin/bash
$ groupadd -g 6809 ${GROUP_NAME}
$ useradd -m -u ${USER_ID} -g ${GROUP_ID} -s /usr/bin/zsh  ${USER_NAME}
$ passwd ${USER_NAME}
$ usermod -aG sudo ${USER_NAME}
$ mkdir -p /home/argon/.ssh
$ curl  https://github.com/ar90n.keys > /home/${USER_NAME}/.ssh/authorized_keys
$ chown -R ${USER_NAME}:${GROUP_NAME} /home/${USER_NAME}/

次に、必要なパッケージのインストールと avahi-daemon の有効化を行います。

$ apt-get update
$ apt install avahi-daemon avahi-utils zsh chrony moreutils git
$ systemctl --no-reload enable avahi-daemon.service
$ systemctl --no-reload disable avahi-daemon.socket

また、cloud-init を無効化し、fstab の内容をクリアします。

$ head -n 1 ./etc/fstab | sudo sponge etc/fstab
$ touch /etc/cloud/cloud-init.disabled

ネームサーバーの設定も行います。

$ chroot /var/nfsroot/root /usr/bin/systemctl --no-reload disable systemd-resolved.service
$ rm /var/nfsroot/root/etc/resolv.conf
$ echo 'nameserver 8.8.8.8\nnameserver 8.8.4.4' | sudo tee  /var/nfsroot/root/etc/resolv.conf

最後に、SSHホスト鍵を作成します。

$ ssh-keygen -A

initrd.imgの作成

Ubuntu Server に付属している initrd.img では、NFSを用いたルートファイルシステムのマウントができません。 そのため、NFSマウントに対応した独自の initrd.img を作成します。

必要なファイルのコピー

まず、作業用のディレクトリ /tmp/initrd を作成します。

$ mkdir -p /tmp/initrd/{bin,dev,lib/modules,lower,newroot,proc,sbin,sys,upper,work}

続いて busybox を導入します。通常の busybox はいくつかのライブラリと動的リンクしているため、静的リンクされた busybox-static を使用します。

$ sudo apt install -y busybox-static
$ cp $(which busybox) /tmp/initrd/bin
$ chroot /tmp/initrd/ /bin/busybox --install /bin -s

次に、ルートファイルシステムから必要なカーネルモジュールを抽出して配置します。

$ cd /var/nfsroot/root/lib/modules/6.14.0-1005-raspi/kernel
$ unzstd ./fs/nfs_common/grace.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/grace.ko
$ unzstd ./fs/lockd/lockd.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/lockd.ko
$ unzstd ./fs/netfs/netfs.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/netfs.ko
$ unzstd ./fs/nfs/nfs.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/nfs.ko
$ unzstd ./fs/nfs_common/nfs_acl.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/nfs_acl.ko
$ unzstd ./fs/overlayfs/overlay.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/overlay.ko
$ unzstd ./fs/nfs/nfsv4.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/nfsv4.ko
$ unzstd ./net/sunrpc/sunrpc.ko.zst -o /tmp/initrd/lib/modules/sunrpc.ko

initスクリプトの作成

次に、init スクリプトを作成します。このスクリプトでは以下の処理を行います。

  • 仮想ファイルシステム（proc, sysfs, devtmpfs）のマウント
  • CPUシリアルに基づいたホスト名の設定
  • 必要なカーネルモジュールのロード
  • NFS上のルートファイルシステムを読み取り専用でマウント
  • Overlayfsで書き込み可能に構成
  • /home, /var の書き込み領域を個別にマウント
  • switch_root により本来のinitへ移行
$ cat << EOF > /tmp/initrd/init
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs none /dev
mknod -m 600 /dev/console c 5 1

echo "INITRD: start" > /dev/console

SERIAL="$(awk '/Serial/ {print substr($3,9)}' /proc/cpuinfo)"

HOSTNAME=""
case "$SERIAL" in
  1bd6823c) HOSTNAME="caramel-01" ;;
  a9f552e2) HOSTNAME="caramel-02" ;;
  *)        HOSTNAME="caramel-$SERIAL" ;;
esac

insmod /lib/modules/sunrpc.ko
insmod /lib/modules/nfs_acl.ko
insmod /lib/modules/netfs.ko
insmod /lib/modules/grace.ko
insmod /lib/modules/lockd.ko
insmod /lib/modules/nfs.ko
insmod /lib/modules/nfsv4.ko
insmod /lib/modules/overlay.ko

mkdir -p /run/overlay
mount -t tmpfs -o mode=755,size=128M tmpfs /run/overlay
mkdir -p /run/overlay/upper
mkdir -p /run/overlay/work

mount -t nfs4 -o vers=4.2,nolock,ro,nosharecache 10.0.1.1:/root /lower

mount -t overlay overlay -o lowerdir=/lower,upperdir=/run/overlay/upper,workdir=/run/overlay/work /newroot

mkdir -p /newroot/etc
echo ${HOSTNAME} > /newroot/etc/hostname
echo "127.0.0.1       ${HOSTNAME}" >> /newroot/etc/hosts

mkdir -p /newroot/home
mount -t nfs4 -o vers=4.2,nolock,rw 10.0.1.1:/home /newroot/home

mkdir -p /newroot/var
mount -t nfs4 -o vers=4.2,nolock,rw 10.0.1.1:/clients/${SERIAL}/var /newroot/var

exec switch_root /newroot /sbin/init
EOF
$ chmod +x /var/initrd/init

initrd.imgのパッキング

準備が完了したら、以下の手順で initrd.img を作成します。

$ cd /tmp/intird
$ find . | cpio -H newc -o  > /var/tftpboot/initrd.img

これで、NFSマウントに対応したカスタム initrd.img の作成が完了しました。

必要なファイルの配置とネットブートの確認

最後に、initrd.img を使用して起動するための cmdline.txt を用意します。以下のコマンドで、必要なカーネルパラメータを含む cmdline.txt を生成します。

$ echo 'console=serial0,115200 root=/dev/ram0 rw ip=dhcp rootwait cloud-init=disabled apparmor=0' > /var/tftpboot/cmdline.txt

この時点で、/var/tftpboot/ 以下に必要なファイルが揃っていれば、ネットワーク経由での起動準備は完了です。

あとは、対象デバイスをネットブート可能な状態にし、TFTP サーバと DHCP サーバの動作を確認すれば、ルートファイルシステムの初期化およびブートシーケンスの動作確認が行えます。