systemd とは？
systemd は、Linux システムの初期化、管理、およびシャットダウンプロセスを管理する init システムです。このシステムは、Lennart Poettering と Kay Sievers によって開発され、2010 年に Fedora で初めて採用されました。それ以降、多くの主要な Linux ディストリビューションでデフォルトの init システムとして採用されています。
開発の背景と動機
従来の UNIX システムでは、SysVinit などの init システムが用いられていましたが、これらのシステムにはスクリプトが起動順序に沿って逐次実行されるという制約がありました。この逐次実行はシステムの起動時間の長さや、依存関係の複雑な管理などの問題を引き起こしていました。
systemd の主な開発目的は、これらの問題に対処することにありました。systemd は依存関係ベースの並列起動を実現し、設定ファイル（ユニットファイル）に基づいた柔軟かつ統一的なサービス管理を提供します。これにより、システムの起動時間が短縮され、管理が容易になりました。
主な特徴
- ユニットファイル: systemd は、サービスやタスクをユニットとして抽象化し、これらのユニットを簡潔で一貫した形式のファイルで管理します。
- 並列処理: 依存関係を解析し、可能な限り多くのプロセスを並列に起動することで、起動時間を短縮します。
- cgroups の統合: プロセスのリソース管理を効果的に行うため、Linux の cgroups 機能をフルに活用します。
- ログ管理の統合: journald という新しいログデーモンを導入し、システムログを一元管理し、ログの取扱を効率化します。
受容と批判
systemd の導入は、Linux コミュニティ内で広範な議論と議論を引き起こしました。その設計哲学と、多くの基本的なシステムコンポーネントを統合するアプローチは、一部からは革新的と評価される一方で、他の一部からはシステムの複雑性を不必要に増大させるものとして批判されました。このような議論にもかかわらず、systemd は現代の多くの Linux ディストリビューションの標準的なコンポーネントとなっています。
systemd の主要コンポーネント
systemd は、Linux システムの初期化と管理を担う多機能なソフトウェアスイートです。そのアーキテクチャは、様々な役割を担う多くのコンポーネントで構成されており、これらは密接に連携してシステム全体の効率的かつ安定的な運用を支えています。以下に、systemd の主要なコンポーネントについて説明します。
- systemd-udevd: デバイスの管理と udev ルールの処理を担当するデーモンです。ハードウェアデバイスの接続や取り外しを検出し、適切なドライバやモジュールのロードを行います。
- systemd-journald: システムログとジャーナリングの管理を行うデーモンです。全てのログデータを構造化されたバイナリ形式で保存し、効率的な検索や管理を可能にします。
- systemd-logind: ユーザーのログインセッションを管理します。ユーザーごとのセッション情報の追跡や、マルチユーザーシステムにおけるリソースの割り当てを担当します。
- systemd-networkd: ネットワーク設定とインターフェイス管理を担うデーモンです。静的アドレス割り当てから、より複雑なネットワーク設定まで、広範なネットワーク機能を提供します。
- systemd-resolved: DNS 解決と名前解決の管理を行います。これにより、システムの名前解決プロセスを効率化し、ネットワークのパフォーマンスを向上させます。
- systemd-timedated: 日付と時刻の設定を管理するデーモンです。システムクロックの調整やタイムゾーンの設定を行い、正確な時間維持をサポートします。
- systemd-timesyncd: NTP (Network Time Protocol)を利用してシステムの時計を同期します。これは特にネットワークを介した正確な時間保持に重要です。
これらのコンポーネントは、それぞれが特定の機能を担当しながらも、systemd の統一された設計の下で協調して動作します。これにより、Linux システムの起動、管理、およびシャットダウンが効率的かつ一元的に行われます。この統合されたアプローチは、システム全体の管理とパフォーマンスを大幅に改善します。
ユニットファイルの構造と種類
systemd は、システムの様々な側面を「ユニット」として管理します。ユニットはプレーンテキスト形式の設定ファイルであり、INI 形式に似た構造を持っています。各ユニットファイルは特定のリソースやサービスの設定情報を含み、その設定に基づいて systemd が処理を実行します。
ユニットファイルの基本構造
ユニットファイルは以下のようなセクションで構成されます。
- Unit: ユニットの説明や依存関係など、基本情報を定義します。
- Service, Mount, Device など: ユニットタイプに応じた特有の設定を行います。
- Install: ユニットの有効化条件や関連ターゲットを定義します。
主要なユニットの種類と機能
ユニットは拡張子によってその機能が識別されます。主要なユニットタイプには以下のものがあります。
- .service: バックグラウンドで実行されるプロセスを制御し、サービスの起動、停止、再起動などを管理します。
- .timer: 特定の時間や間隔でタスクを実行するためのスケジューラーです。
- .device: システム上のデバイスを表し、udev によって動的に生成されます。
- .mount: ファイルシステムのマウントポイントを管理します。
- .swap: スワップ領域の設定と管理を担います。
- .target: 複数のユニットをグループ化し、特定のシステム状態や目標を定義するために使用されます。
- .socket: ソケット通信の設定を行い、ソケットを介したサービスの起動を管理します。
- .path: ファイルシステムのパスを監視し、特定のイベントが発生したときにサービスを起動します。
これらのユニットタイプを通じて、systemd はシステム全体の統合的な管理を実現し、より効率的で柔軟なシステム運用を支援します。
systemd のターゲット管理
systemd におけるターゲットは、特定のシステムの状態やマイルストーンを定義するためのユニットであり、SysVinit のランレベルに似た機能を提供します。ターゲットによって、システムの起動、操作、およびシャットダウンプロセスを管理し、複数のユニットの依存関係をグループ化できます。
SysVinit のランレベルと systemd のターゲットのマッピング
systemd のターゲットは、/lib/systemd/system ディレクトリに配置され、SysVinit のランレベルとの互換性を保つために runlevel0.target から runlevel6.target までのシンボリックリンクも用意されています。以下に主要なターゲットとそれぞれの機能を示します。
| ランレベル | ターゲット | 説明 |
|---|---|---|
| 0 | poweroff.target | システムの電源を切ります。 |
| 1 | rescue.target | 最小限のシステムリソースで起動し、トラブルシューティングや修復を行います。 |
| 2, 3, 4 | multi-user.target | ネットワーク接続を含む複数のユーザーが使用するシステム状態を提供します。 |
| 5 | graphical.target | グラフィカルなインターフェイスを提供するマルチユーザー環境です。 |
| 6 | reboot.target | システムを再起動します。 |
ターゲットの運用
これらのターゲットを通じて、systemd はシステムの異なる運用状態を明確に管理し、必要に応じて異なるサービスやアプリケーションを効率的に制御します。例えば、システムメンテナンス時には systemctl isolate rescue.target コマンドを使用して、rescue ターゲットに簡単に切り替えることができます。この強力な管理機能により、システムの起動とシャットダウンを柔軟かつ効率的に行うことが可能です。
systemd の起動プロセス
systemd の起動プロセスは、Linux システムの起動時におけるコアコンポーネントの一つであり、システムが安定かつ迅速に起動するための複数のステップを包含します。このプロセスは、効率的な依存関係解決と並列化されたサービス起動を通じて、伝統的な SysVinit システムに比べて高速化が図られています。
システム起動時のプロセスフロー
- ブートローダーからの制御受け取り: systemd はブートローダー（例えば GRUB）からカーネルに制御が移された後、初期 RAM ディスク環境 (initramfs) から制御を引き継ぎます。
- initramfs からの移行: カーネルと初期 RAM ディスクが必要なデバイスドライバやシステムファイルをロードした後、root ファイルシステムに移行し、systemd が PID 1 として起動します。
- ターゲットユニットの解析: systemd は
/etc/systemd/system/default.target（またはリンクされているターゲット）を読み込んで、システムのデフォルトの起動状態を決定します。 - ユニットファイルの読み込みと依存関係の解決: systemd は
/etc/systemd/system、/run/systemd/system、/lib/systemd/systemディレクトリにあるユニットファイルを解析し、サービスやターゲットの依存関係を確認します。 - サービスの並列起動: 解決された依存関係に基づいて、必要なサービスが並列に起動されます。これにより、起動時間が大幅に短縮されます。
- ターゲットの達成: 全ての必要なサービスが起動された後、指定されたターゲット（例えば、
multi-user.targetやgraphical.target）が達成され、システムが使用可能な状態になります。
依存関係と起動順序の解決方法
systemd は、ユニット間の依存関係を効率的に管理し、サービスの起動順序を自動的に最適化します。これは、ユニットファイル内で定義された After=, Before=, Wants=, Requires= などのディレクティブを使用して行われます。このような指定により、systemd は各サービスが適切な順序で、かつ必要な条件下で起動されるように調整します。
systemd の起動プロセスは、システム全体の初期化と設定を合理化し、起動速度の向上とサービスの依存関係の正確な管理を実現します。このプロセスにより、Linux システムは迅速かつ効率的に起動し、より速く安定した運用状態に達することが可能です。
ログ管理とシステム状態の監視
systemd は、システムのログ管理と状態の監視を強化するために設計されたコンポーネントを備えています。このセクションでは、その主要な機能と、システム管理者がどのようにしてこれらのツールを利用できるかについて説明します。
journald の役割と機能
systemd-journald は systemd のログ管理システムで、全てのシステムログとイベントを取り扱います。これにより、伝統的なテキストベースのログファイルシステムに代わる、より柔軟で強力なログ管理機能を提供します。
- バイナリログの使用: journald はバイナリ形式でログを格納し、これによりログの検索と操作の速度が大幅に向上します。
- メタデータの統合: 各ログエントリには、時間、ブートセッション、システムコンポーネントなどの詳細なメタデータが含まれており、分析をより簡単にします。
- ログのセキュリティ: ログデータは不変であり、一度書き込まれると変更することができないため、セキュリティが強化されます。
ログの管理と分析方法
systemd-journald が集約したログは、journalctl コマンドを使ってアクセスすることができます。このツールは、特定の時間範囲、特定のサービス、または特定の優先度レベルのログをフィルタリングして表示する機能を提供します。例えば、以下のコマンドを使用することができます：
journalctl -u service-name.service：特定のサービスに関連するログを表示します。journalctl --since "2021-01-01" --until "2021-01-02"：指定した期間のログを表示します。journalctl -p err：エラーレベルのログを表示します。
システム状態の監視
systemd には、システムの健全性と性能を監視するためのツールが組み込まれています。例えば、systemctl status コマンドを使用すると、個々のユニットの現在の状態や最近の活動を確認することができます。これはトラブルシューティングやシステムの状態の把握に非常に有効です。
systemd のログ管理とシステム状態の監視機能は、システム管理者がシステム全体の概要を簡単に把握し、問題が発生した際に迅速に対応できるようにするための重要なツールです。これらのツールは、Linux システムの運用と保守を効率的に行うために不可欠です。
systemd のセキュリティ機能
systemd はシステムのセキュリティを強化するために、多くの機能とメカニズムを提供しています。これにより、管理者はシステムサービスの隔離、権限の制限、および監視を強化することができます。以下では、systemd の主要なセキュリティ機能について詳しく説明します。
サンドボックス化とセキュリティ強化機能
- サービスのサンドボックス化: systemd では、各サービスを独立した環境で実行することができます。これは、サービス固有のリソースアクセスを制限することで、システム全体のセキュリティを向上させます。以下のようなオプションが利用可能です：
- PrivateTmp: サービスに対してプライベートな一時ディレクトリを提供し、他のサービスとのデータ共有を防ぎます。
- ProtectSystem: ファイルシステムへの書き込みアクセスを制限し、システムディレクトリの保護を強化します。
- NoNewPrivileges: サービスプロセスが新たな権限を獲得することを阻止し、権限昇格攻撃を防ぎます。
- Capability Drop: systemd は、特定のサービスから不要なカーネル権限を削除することで、攻撃面を縮小します。これにより、サービスが実行に必要な最小限の権限のみを持つことを保証します。
セキュリティ関連のユニットオプション
systemd のユニットファイルは、セキュリティ関連のオプションを多数提供しています。これらのオプションを適切に設定することで、サービスの挙動を制御し、不正なアクセスや改変を防ぐことができます。例えば：
- ProtectHome: ホームディレクトリへのアクセスを制限または禁止します。
- ProtectKernelTunables: カーネルの設定を変更することを禁止し、システムの核心部分を保護します。
- RestrictAddressFamilies: サービスが使用できるネットワークアドレスファミリーを制限し、ネットワークを介した攻撃のリスクを減らします。
これらのセキュリティ機能を組み合わせることで、systemd は Linux システムのセキュリティレベルを大幅に向上させることができます。サービスごとに適切なセキュリティポリシーを設定することで、システム全体の脆弱性を効果的に管理し、保護することが可能です。
systemd のネットワーク管理
systemd は、システムのネットワーク構成と管理を担う systemd-networkd デーモンを提供しています。このデーモンは、主にサーバーやコンテナ、仮想マシンなどのヘッドレスシステムにおいて使用され、簡単かつ効率的に多岐にわたるネットワーク管理タスクを実行するためのツールです。
systemd-networkd の役割と設定方法
systemd-networkd は、ネットワークインターフェースの設定、ルーティングポリシーの適用、ネットワークリンクの管理などを行います。設定は /etc/systemd/network ディレクトリ内の .network ファイルを通じて管理され、DHCP や IPv6 autoconfiguration のようなプロトコルもサポートしています。
NetworkManager や NetPlan との関係性
systemd-networkd は、NetworkManager や NetPlan とは異なるアプローチを提供しますが、Linux システムにおけるネットワーク管理の選択肢として共存しています。
- NetworkManager: 主にデスクトップユーザーや、ネットワークの頻繁な切り替えが必要なモバイルデバイス向けに設計されており、GUI ツールを通じて直感的なネットワーク管理が可能です。また、VPN やモバイルブロードバンドなどの複雑なネットワークシナリオに対応しています。
- NetPlan: Ubuntu 17.10 以降で導入されたネットワーク設定ツールで、YAML ファイルを使用してネットワークを設定します。NetPlan は、設定を systemd-networkd や NetworkManager に適用することができ、これにより様々な環境での柔軟な設定が可能になります。
ネットワークインターフェースの管理
systemd-networkd を利用することで、ネットワークインターフェースの設定や管理が大幅に簡略化されます。networkctl コマンドを使用して、システム上の全てのネットワークインターフェースとその状態を確認することができます。例えば、以下のようなコマンドがあります。
networkctl list：全てのネットワークインターフェースとその状態を一覧表示します。networkctl status [interface]：特定のインターフェースに関する詳細な情報と現在の状態を確認します。
このように、systemd のネットワーク管理機能は、ネットワークの設定や運用の効率を大幅に向上させるための強力なツールであり、特にヘッドレスサーバーやシステムの簡易化が求められる環境に適しています。
systemd のリソース管理
systemd は、システムリソースの管理と監視を強化するための機能を提供しています。これには、プロセスのリソース使用量を制限し、システムの安定性とパフォーマンスを維持するためのツールが含まれます。ここでは、主に systemd がどのようにしてリソース管理を行っているかについて詳しく説明します。
cgroups とリソース制限の利用
systemd は、Linux の cgroups (control groups) 機能を活用して、プロセスやサービスのリソース使用量（CPU、メモリ、ディスク I/Oなど）を制御します。cgroups を使用することで、システム管理者は各サービスが消費するリソースの上限を設定し、リソースの過剰使用を防ぐことができます。
- CPUの制限: systemd は
CPUShares,CPUQuota,CPULimitなどのパラメータを提供して、サービスが使用できる CPU 時間の割合を制限します。 - メモリの制限:
MemoryLimitを設定することで、サービスが使用できる最大メモリ量を指定できます。これにより、メモリリークやその他の不具合がシステム全体に影響を及ぼすのを防ぎます。 - ディスクI/Oの制限:
IOWeight,IODeviceWeightを設定することで、ディスク I/O に対するサービスの優先度を調整し、リソースの公平な配分を保証します。
各サービスのリソース利用の監視と制御
systemd は、systemctl コマンドを使用して各サービスのリソース使用状況を監視できます。これにより、システム全体のリソース利用状況をリアルタイムで把握し、必要に応じて調整することが可能です。
- 状態の確認:
systemctl statusコマンドを使用して、サービスのリソース使用状況（CPU、メモリ、ディスク I/O）を確認できます。これは特にパフォーマンスのボトルネックを特定する際に役立ちます。 - ログとレポート: systemd のジャーナルシステムを利用して、リソースの過剰使用やその他の関連イベントを記録します。これにより、問題の診断と解決が容易になります。
systemd のリソース管理機能により、システムの安定性と効率性を保ちながら、運用環境を最適化することが可能です。これにより、サービスのパフォーマンスを向上させ、リソースの過剰使用によるシステムの不安定性を避けることができます。
拡張機能とカスタマイズ
systemd はモジュラー型の設計であるため、さまざまな方法で拡張やカスタマイズが可能です。この柔軟性により、システム管理者は特定のニーズに合わせて systemd を適用し、カスタマイズすることができます。以下では、systemd の主要な拡張機能とカスタマイズオプションについて説明します。
systemd のユニットファイルの拡張
systemd のユニットファイルは、システムのサービス、タスク、リソースを管理するための中核的なコンポーネントです。これらのファイルは独自の構文を使用し、以下のようなカスタマイズを行うことができます。
- オーバーライドファイルの使用: パッケージによって提供されるユニットファイルを変更するには、オーバーライドファイルを作成することが推奨されます。これにより、元のファイルを変更せずに設定を調整することができます。
- テンプレートユニット: 似たような機能を持つ複数のサービスを効率的に管理するために、テンプレートとしてユニットファイルを作成し、インスタンスごとに異なる設定を適用することができます。
システムカスタマイズのためのヒントとテクニック
systemd は、システムの挙動を細かく制御するための多くの機能を提供しています。これには以下のような技術が含まれます：
- 環境変数の設定: systemd では、サービスが実行される環境で利用可能な環境変数を設定することができます。これにより、アプリケーションが異なる環境設定で動作するように調整することが容易になります。
- スケジュールされたタスクの管理: systemd のタイマーユニットを使用して、cron ジョブのように定期的なタスクをスケジュールすることができます。これにより、バックアップ、ログのローテーション、システムの定期的なメンテナンスなどを自動化することができます。
- セキュリティ機能のカスタマイズ: 各サービスのセキュリティ設定を細かく調整し、必要なセキュリティレベルを確保することができます。たとえば、サンドボックス環境の設定や、特定のシステムリソースへのアクセスを制限することが可能です。
systemd の拡張機能とカスタマイズオプションを活用することで、システムの構成を最適化し、運用の効率を大幅に向上させることができます。これにより、より安全で効率的なシステム環境を実現することが可能になります。
Sysvinit と systemd の違い
Sysvinit と systemd の主な違いは以下の通りです。
| 特徴 | Sysvinit | systemd |
|---|---|---|
| 起動スクリプト | シェルスクリプトに基づいた手動実行 | ユニットファイルに基づいた自動並列起動 |
| 依存関係管理 | 手動でスクリプトを管理 | 自動的な依存関係解析と管理 |
| 機能の統合 | 初期化機能に限定 | ログ、セッション、ネットワーク等の統合管理 |
| リソース管理 | 限定的なリソース管理 | cgroups を用いた詳細なリソース管理 |
| 設定の柔軟性 | スクリプトは柔軟性が低く管理が難しい | ユニットファイルは再利用が容易で管理が簡単 |
