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udev机制与使用

1. 介绍

systemd-udev 是 Linux 系统中的一个重要组件，它负责设备管理和热插拔支持。udev 是用户空间设备管理器，它与内核空间的设备驱动程序协同工作，以便在设备连接或断开时执行相应的操作。systemd-udev 是 systemd 项目中 udev 的实现。

以下是 systemd-udev 机制的一些关键特性和组件：

  1. 规则文件：udev 使用一组规则文件来定义设备的命名、权限、所有权和其他属性。这些规则文件通常位于 /etc/udev/rules.d/ 和 /lib/udev/rules.d/ 目录中。规则文件的文件名以数字开头，数字越小，优先级越高。udev 会按照文件名的字母顺序处理这些文件。

  2. 事件：当设备连接或断开时，内核会生成一个事件。udev 监听这些事件，并根据规则文件执行相应的操作。事件包括设备的添加、删除、更改等。

  3. 设备节点：udev 根据规则文件为设备创建设备节点（device nodes），通常位于 /dev/ 目录下。设备节点是用户空间程序与设备驱动程序进行通信的接口。

  4. 系统集成：systemd-udev 与 systemd 系统管理器紧密集成。systemd 会启动和监控 udevd 服务（udev daemon），并处理设备相关的事件。此外，systemd 也可以根据设备的添加或删除自动启动或停止相关的服务。

  5. 规则匹配：udev 规则文件中的规则可以根据设备的属性（如设备类型、制造商、型号等）进行匹配。这使得 udev 能够为不同类型的设备执行特定的操作。

  6. 规则动作：udev 规则文件中的规则可以执行各种动作，如设置设备节点的权限、所有权、创建符号链接、运行脚本等。这使得 udev 能够根据设备的特性自动配置设备。

2. 使用方法

2.1 规则文件：

udev 使用规则文件来定义设备的命名、权限、所有权和其他属性。规则文件通常位于 /etc/udev/rules.d/ 和 /lib/udev/rules.d/ 目录中。要创建自定义规则，请在 /etc/udev/rules.d/ 目录下创建一个新文件，文件名以数字开头，数字越小，优先级越高。例如，一个名为 10-my-custom.rules 的文件，里面定义的规则优先级比99-systemd.rules中定义的规则优先级更高。

接下来，以系统中默认配置的一些udev规则文件为例，来理解规则文件的语法：

2.1.1 TTY设备:

SUBSYSTEM=="tty", KERNEL=="tty[a-zA-Z]*|hvc*|xvc*|hvsi*|ttysclp*|sclp_line*|3270/tty[0-9]*", TAG+="systemd"
  • SUBSYSTEM=="tty"：此条件表示规则仅适用于属于 "tty" 子系统的设备。这意味着，当一个与 tty 子系统有关的设备被添加、删除或更改时，才会匹配此规则。
  • KERNEL=="tty[a-zA-Z]|hvc|xvc|hvsi|ttysclp|sclp_line|3270/tty[0-9]：这条条件进一步限制匹配的设备必须符合给定的内核名称模式。在这个例子中，规则将匹配以下任何一种设备：
    • tty[a-zA-Z]*：名称以 "tty" 开头并后跟任意数量的字母的设备。
    • hvc*：名称以 "hvc" 开头的设备。
    • xvc*：名称以 "xvc" 开头的设备。
    • hvsi*：名称以 "hvsi" 开头的设备。
    • ttysclp*：名称以 "ttysclp" 开头的设备。
    • sclp_line*：名称以 "sclp_line" 开头的设备。
    • 3270/tty[0-9]*：名称以 "3270/tty" 开头并后跟任意数量的数字的设备。
  • TAG+="systemd"：对于匹配上述条件的设备，这个操作给它添加 "systemd" 标签。这使得 systemd 可以识别并按需与这些设备进行互动。

2.1.2 磁盘设备:

系统中磁盘相关的udev规则，主要是在60-persistent-storage.rules该文件中配置的。

virtio虚拟磁盘：
# virtio-blk
KERNEL=="vd*[!0-9]", ATTRS{serial}=="?*", ENV{ID_SERIAL}="$attr{serial}", SYMLINK+="disk/by-id/virtio-$env{ID_SERIAL}"
  • KERNEL=="vd*[!0-9]" ：此条件表示规则适用于内核名称匹配 vd* 的设备，但名称不能以数字结尾。即，它匹配的是虚拟磁盘设备，而非单独的磁盘分区。
  • ATTRS{serial}=="?*" ：要求设备具有序列号属性（一种设备识别特征）。问号是通配符，表示指定属性至少有一个字符。
  • ENV{ID_SERIAL}="$attr{serial}" ：将设备序列号属性值赋给环境变量 ID_SERIAL 。
  • SYMLINK+="disk/by-id/virtio-$env{ID_SERIAL}" ：为匹配的设备添加符号链接，使得 /dev/disk/by-id/ 目录下有一个名为 virtio-ID_SERIAL 的文件指向此设备。
SCSI设备：
# SCSI devices
KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", IMPORT{program}="scsi_id --export --whitelisted -d $devnode", ENV{ID_BUS}="scsi"
KERNEL=="sd*|sr*|cciss*", ENV{DEVTYPE}=="disk", ENV{ID_SERIAL}=="?*", SYMLINK+="disk/by-id/$env{ID_BUS}-$env{ID_SERIAL}"
  • KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*" ：此条件表示规则适用于内核名字匹配 sd*[!0-9] （SCSI/SATA磁盘设备而非分区）或 sr* （光驱设备）的设备。
  • ENV{ID_SERIAL}!="?*" ：仅在设备未设置序列号环境变量（ ID_SERIAL 环境变量未设置或为空）时才适用此规则。
  • IMPORT{program}="scsi_id --export --whitelisted -d $devnode" ：如果匹配上述条件，运行 scsi_id 程序，从实际的设备节点（ $devnode ）获取设备信息，并将输出的信息导入 udev 环境变量。这样可以让 udev 获得设备的序列号（ID_SERIAL）。
  • ENV{ID_BUS}="scsi" ：设置环境变量 ID_BUS 为 scsi ，表示设备类型等信息，用于接下来创建符号链接。
  • ENV{DEVTYPE}=="disk" ：仅对设置了 DEVTYPE 环境变量且值为 disk 的设备适用此规则。这可以过滤掉分区设备，因为它们的 DEVTYPE 值为 partition 。
  • ENV{ID_SERIAL}=="?*" ：仅在设备的序列号环境变量（ ID_SERIAL ）已设置的情况下适用此规则。
  • SYMLINK+="disk/by-id/$env{ID_BUS}-$env{ID_SERIAL}" ：为满足以上条件的整个磁盘设备添加符号链接，使得 /dev/disk/by-id/ 目录下有一个名为 ID_BUS-ID_SERIAL 的文件指向此设备。
NVMe设备
# NVMe
KERNEL=="nvme*[0-9]n*[0-9]", ATTR{wwid}=="?*", SYMLINK+="disk/by-id/nvme-$attr{wwid}"
KERNEL=="nvme*[0-9]n*[0-9]p*[0-9]", ENV{DEVTYPE}=="partition", ATTRS{wwid}=="?*", SYMLINK+="disk/by-id/nvme-$attr{wwid}-part%n"
  • KERNEL=="nvme*[0-9]n*[0-9]" ：此条件表示规则匹配名字以 nvme 开头，后接一数字，然后是 n ，再接一数字的设备。这匹配的是 NVMe 设备，而非分区。
  • ATTR{wwid}=="?*" ：要求设备具有 WWID 属性。 udev 规则中的问号是通配符，表明指定属性至少有一个字符。
  • SYMLINK+="disk/by-id/nvme-$attr{wwid}" ：为符合条件的设备添加符号链接，使得 /dev/disk/by-id/ 目录下有一个以 nvme-WWID 命名的文件指向此设备。
  • KERNEL=="nvme*[0-9]n*[0-9]p*[0-9]" ：此条件表示规则匹配名字以 nvme 开头，后接一数字，然后是 n ，再接一数字，以 p 并接数字结束的设备。这种名称表示 NVMe 设备的分区。
  • ENV{DEVTYPE}=="partition" ：仅针对设备类型为（以 DEVTYPE 环境变量表示） partition 的设备应用此规则。
  • SYMLINK+="disk/by-id/nvme-$attr{wwid}-part%n" ：为匹配的分区设备添加符号链接，链接位于 /dev/disk/by-id/ 目录，并以 nvme-WWID-partN 命名，其中 N 是分区序号。

2.1.3 网络设备

网络设备稍微特殊一点，系统中的网络设备命名规则在/usr/lib/udev/rules.d/80-net-setup-link.rules文件中指定。 

SUBSYSTEM!="net", GOTO="net_setup_link_end"

IMPORT{builtin}="path_id"

ACTION=="remove", GOTO="net_setup_link_end"

IMPORT{builtin}="net_setup_link"

NAME=="", ENV{ID_NET_NAME}!="", NAME="$env{ID_NET_NAME}"

LABEL="net_setup_link_end"
该规则文件的逻辑是：如果是网络设备，并且动作不是删除时，执行udev的内嵌函数net_setup_link，然后如果名称还是为空且有环境变量ID_NET_NAME，则将设备名称命名为ID_NET_NAME。 这个内嵌函数net_setup_link会执行/usr/lib/systemd/network/99-default.link中定义动作。 
# cat /usr/lib/systemd/network/99-default.link
[Match]
OriginalName=*

[Link]
NamePolicy=keep kernel database onboard slot path
AlternativeNamesPolicy=database onboard slot path
MACAddressPolicy=persistent

  • [Match] ：配置匹配条件，针对 OriginalName=* 意味着这个配置将匹配所有网络接口。
  • [Link] ：配置命名策略和参数：
    • NamePolicy=keep kernel database onboard slot path ：设定网络接口的命名策略顺序。命名策略是按顺序尝试的，尝试一个策略之后，如果没有得到有效名称，将尝试下一个策略。这些策略分别解释如下：- keep ：保留内核分配的原始名称。
      • kernel ：采用内核提供的名称。
      • database ：基于硬件数据库中的设备数据库条目。
      • onboard ：根据设备本身的索引（如主板插槽数）。
      • slot ：根据设备在 PCI/USB 总线上的插槽信息。
      • path ：根据设备的硬件路径（例如设备在总线上的拓扑）。
    • AlternativeNamesPolicy=database onboard slot path ：设定常规策略失败时采用的备选命名策略。此设置指定在保留或内核策略无法建立有效名称时使用的替代策略。
    • MACAddressPolicy=persistent ：设定分配给网络接口的 MAC 地址策略。在本例中， persistent 表示设备的 MAC 地址是根据udev的数据持久化的，确保在系统重启时接口使用相同的 MAC 地址。

通过这个文件， systemd-udevd 生成了可预测网络接口名称。正常情况下，网络设备会以在主板上的接口位置或者PCI总线上的插槽位置命名，如ens33、enp0s3等。 但是为了保持兼容性，qcow2镜像会在启动参数中加入biosdevname=0 net.ifnames=0，这样网络设备会以ethX的方式命名。

除此之外，udev规则文件还有其他一些参数，如下：

  1. 匹配字段：

  2. ACTION ：匹配设备事件，如 "add"（添加设备）或 "remove"（移除设备）。

  3. DEVPATH ：匹配设备的 sysfs 路径。
  4. KERNEL ：匹配设备的内核名称，如 "sda" 或 "eth0"。
  5. SUBSYSTEM ：匹配设备所属的子系统，如 "usb"、"pci" 或 "block"。
  6. DRIVER ：匹配设备的驱动程序名称。
  7. ATTR{key} ：匹配设备属性。 key 是设备属性的名称，如 "idVendor" 或 "idProduct"。
  8. ENV{key} ：匹配环境变量。 key 是环境变量的名称，如 "ID_TYPE"。

  9. TAG ：匹配设备标签。

  10. 赋值字段：

  11. NAME ：为设备指定名称。这个字段已经被废弃，现在建议使用 SYMLINK 。

  12. SYMLINK ：为设备创建符号链接。可以使用通配符和设备属性。
  13. OWNER ：设置设备文件的所有者。可以是用户名或用户 ID。
  14. GROUP ：设置设备文件的组。可以是组名或组 ID。
  15. MODE ：设置设备文件的权限。例如，"0660" 表示所有者和组成员有读写权限，其他用户无权限。
  16. ATTR{key} ：设置设备属性。 key 是设备属性的名称，如 "power/control"。
  17. ENV{key} ：设置环境变量。 key 是环境变量的名称，如 "ID_FS_TYPE"。

  18. TAG+="tag" ：为设备添加标签。

  19. 运行字段：

  20. RUN ：在设备事件发生时执行指定的命令或脚本。例如， RUN+="/usr/bin/my-script" 。

  21. RUN{program} ：在设备事件发生时执行指定的程序。例如， RUN{program}="/usr/bin/my-program" 。
  22. IMPORT{program} ：执行指定的程序，并将其输出导入到规则文件中。例如， IMPORT{program}="/usr/bin/my-importer" 。

  23. IMPORT{file} ：从指定的文件导入变量。例如， IMPORT{file}="/etc/udev/my-vars.conf" 。

  24. 控制字段：

  25. GOTO ：跳转到指定的标签。例如， GOTO="my_label" 。

  26. LABEL ：定义一个标签。例如， LABEL="my_label" 。

2.2 命令行工具：

udev 提供了一些命令行工具，如 udevadm ，用于查询和控制设备。以下是一些常用的 udevadm 子命令：

  • udevadm info ：查询设备信息。例如， udevadm info -a -p /sys/class/block/sda 会显示关于 /dev/sda 设备的详细信息。
  • udevadm monitor ：实时监控设备事件。这对于调试规则文件非常有用。
  • udevadm test ：测试规则文件。例如， udevadm test /sys/class/block/sda 会应用规则文件并显示结果，但不会实际执行操作。
  • udevadm control ：控制 udev 服务。例如， udevadm control --reload-rules 会重新加载规则文件。

3. 典型问题

3.1 盘符漂移

发生原因：

在系统启动过程中，内核会检测磁盘设备并给它们分配设备名。这些名称通常对应 /dev 文件系统下的设备节点，如 /dev/sda 或 /dev/sdb 等。然而内核中，设备名称分配依赖于设备被检测的顺序。因此，当设备接入顺序或硬件配置发生变化时，设备名可能与上一次启动时的不同。

导致问题：

上一次启动时的sda盘可能这次启动后变成sdb。设备名称发生改变导致挂载点、数据存储目录、应用程序和服务找不到正确的设备。这可能导致文件系统挂载错误、服务启动失败和总体系统性能降低。

解决方案：

可预测命名规则：引入 Predictable Network Interface Names（可预测设备接口名称）机制。设备按照可预测的命名规则分配名称，名称取决于设备的固定属性（如硬件地址、设备路径）。例如：

- 基于 UUID 的命名： `/dev/disk/by-uuid/`  目录下为设备提供基于其 UUID 的符号链接。
- 基于标签（Label） 的命名：根据设备的文件系统标签在  `/dev/disk/by-label/`  下生成符号链接。
- 基于硬件属性的命名：在  `/dev/disk/by-id/`  和  `/dev/disk/by-path/`  目录下为设备创建基于其硬件属性的符号链接。

如果需要使用磁盘名称，建议使用磁盘UUID代替。如 

# cat /etc/fstab
UUID=f09f5404-7229-4e89-9620-867d9da74450               /                       ext4    noatime,acl,user_xattr  1 1