부팅 과정 — 전원 버튼부터 로그인 화면까지

전원 버튼을 누르면 CPU는 메모리가 텅 빈 상태로 깨어난다. 운영체제는 아직 디스크 안에서 잠들어 있다. "아무것도 없는 상태"에서 "리눅스 로그인 프롬프트"까지, 프로그램이 다음 프로그램을 불러오는 연쇄 부트스트랩(bootstrap)이 어떻게 일어나는지 한 단계씩 따라가 본다.

한 줄 요약: 전원 → 펌웨어(BIOS/UEFI)가 하드웨어 점검(POST) 후 부팅 디스크를 찾음 → 부트로더(GRUB)가 커널과 initramfs를 RAM에 올림 → 커널이 드라이버를 켜고 진짜 루트 파일시스템을 마운트 → init(systemd) PID 1이 서비스를 순서대로 올려 로그인 화면 도달.

1. 직접 부팅해 보기

펌웨어 방식을 고르고 「전원 켜기」를 누른 뒤 「다음 단계」로 한 칸씩 진행하거나 「자동 진행」으로 흘려보내라. 오른쪽 "고장 주입" 스위치를 켜 두면 특정 단계에서 부팅이 실패한다 — 실제로 자주 겪는 증상들이다.

펌웨어:

// 전원이 꺼져 있습니다. 「전원 켜기」를 누르세요.

고장 주입 (Fault Injection)

RAM 불량 — POST 실패 (삐- 소리) 부팅 디스크 없음 — No bootable device initramfs 손상 — 루트 못 찾음 (kernel panic) fstab 오타 — 응급 모드(emergency shell) 진입

현재 단계 설명이 여기에 표시됩니다.

진행 중 완료 실패 이번 방식에선 건너뜀

2. 각 단계가 하는 일

① 펌웨어 — BIOS / UEFI (ROM에서 실행)

CPU는 리셋되면 정해진 물리 주소(예: 0xFFFFFFF0)에서 첫 명령어를 가져온다. 그 자리에는 메인보드에 납땜된 펌웨어 칩(플래시 ROM)이 매핑돼 있다. 펌웨어는:

POST(Power-On Self-Test): CPU·RAM·그래픽 등 필수 하드웨어가 살아 있는지 점검. 실패하면 화면도 못 켜므로 비프음으로 알린다.
부팅 장치 목록(부트 순서)을 훑어 부트로더를 찾는다.

	레거시 BIOS	UEFI (요즘 표준)
디스크 파티션	MBR (최대 2TB, 4개)	GPT (사실상 무제한)
부트로더 위치	디스크 첫 512바이트(MBR 부트섹터)에 욱여넣음	ESP(EFI 시스템 파티션)의 `.efi` 실행 파일
실행 모드	16비트 리얼 모드로 시작	처음부터 32/64비트
보안	없음	Secure Boot(서명된 부트로더만 허용)

② 부트로더 — GRUB

MBR의 512바이트는 너무 작아서 부트로더를 다 담지 못한다. 그래서 여러 단계로 나뉜다: 아주 작은 1단계가 1.5단계를 부르고, 그게 파일시스템을 읽을 줄 아는 2단계(/boot/grub)를 부른다. GRUB이 최종적으로 하는 일:

메뉴를 보여주고(커널 버전 선택, 복구 모드 등) 커널 이미지 vmlinuz와 initramfs를 RAM으로 로드.
커널에 부트 파라미터를 넘김: root=UUID=... ro quiet splash.
CPU를 보호 모드/롱 모드로 전환하고 커널의 진입점으로 점프. 여기서 부트로더의 임무 끝.

③ 커널 + initramfs

딜레마: 루트 파일시스템(/)이 NVMe SSD·LVM·암호화 볼륨 위에 있다면, 그걸 마운트하려면 드라이버가 필요하다. 그런데 그 드라이버는 아직 마운트 못 한 / 안에 있다. 닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐.

해법이 initramfs — 부트로더가 RAM에 올려 준 작은 임시 루트 파일시스템이다. 커널은 이걸 먼저 /로 삼고, 그 안의 스크립트가 필요한 모듈을 insmod 한 뒤 진짜 루트를 찾아 마운트하고, switch_root로 갈아탄다. 그 후 진짜 /sbin/init을 PID 1로 실행한다.

④ init — systemd (PID 1)

PID 1은 죽으면 커널 패닉이 나는 모든 프로세스의 조상이다. 옛날엔 /etc/rc*.d 스크립트를 번호순으로 하나씩 실행했다(SysV init, 느림). 요즘 systemd는 유닛 간 의존성 그래프를 만들어 서로 무관한 서비스를 병렬로 올리고, 소켓을 미리 열어 두는 방식으로 부팅을 앞당긴다.

# 부팅이 도달하는 목표(target) — 실행 레벨의 후신
graphical.target        # GUI 로그인 (구 runlevel 5)
 └─ multi-user.target   # 네트워크 + 콘솔 로그인 (구 runlevel 3)
     └─ basic.target
         └─ sysinit.target   # 파일시스템 검사, 스왑, udev …

$ systemd-analyze                 # 총 부팅 시간
$ systemd-analyze blame            # 서비스별 소요 시간 (느린 놈 찾기)
$ systemd-analyze critical-chain   # 부팅 임계 경로

3. 한눈에 보는 연쇄

power on
  → CPU가 0xFFFFFFF0 에서 fetch  # 펌웨어 코드
  → 펌웨어: POST → 부트 순서대로 장치 검색
  → 부트로더(GRUB) 로드
        BIOS: MBR 첫 512B  |  UEFI: ESP의 grubx64.efi
  → GRUB: vmlinuz + initramfs → RAM
  → 커널 압축 해제 → 드라이버 초기화 → initramfs를 임시 /
  → initramfs: 모듈 로드 → 진짜 루트 찾기 → switch_root
  → /sbin/init 실행 = PID 1 (systemd)
  → sysinit → basic → multi-user → graphical.target
  → login:  <_>

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