4、PXE协议：PXE固件与BIOS/UEFI的关系、PXE启动流程
聊到网络启动，PXE协议是绕不开的核心。说白了，它就是一套让裸机通过网络加载操作系统的标准。我最早接触PXE是在一次机房批量部署的场景里，那时候一台台插U盘装系统，装到怀疑人生。后来用上PXE，效率直接翻了几倍。
今天咱们就把它拆开揉碎了讲清楚。重点看三个东西：PXE固件和BIOS/UEFI怎么配合、启动流程到底怎么走、以及UNDI和NBP这两个关键角色。
4.1 PXE固件与BIOS/UEFI的关系
先搞清楚一个概念。PXE本身不是一个独立的系统，它是嵌入在固件里的一层协议栈。你想想看，BIOS或者UEFI在初始化硬件之后，会去扫描可启动设备。如果启用了网络启动，固件就会加载PXE ROM里的代码。
这里有个细节。传统BIOS下，PXE ROM通常是一个Option ROM，大小有限，功能也比较简单。它通过INT 18h中断来触发网络启动。我遇到过一台老服务器，BIOS里的PXE ROM版本太旧，死活认不出新网卡。后来刷了固件才解决。
到了UEFI时代，情况就不一样了。UEFI本身就是一个微型操作系统，它内置了完整的网络协议栈。PXE在UEFI下是以UEFI驱动程序的形式存在的。它不再依赖实模式的中断调用，而是通过UEFI的协议接口来工作。
- BIOS下的PXE：实模式，通过INT 18h调用，ROM空间有限
- UEFI下的PXE：保护模式，通过UEFI协议接口，功能更完整
嗯，这里要注意。UEFI的PXE启动支持IPv6，而传统BIOS基本只支持IPv4。我在一个双栈网络环境里调试过，BIOS那端死活拿不到IPv6地址，换成UEFI就正常了。
4.2 PXE启动流程详解
整个流程其实就三步：拿IP、下文件、跑程序。但每一步里面都有不少门道。
4.2.1 DHCP获取IP地址
客户端开机后，网卡初始化完毕，PXE固件就开始干活了。它会广播一个DHCP Discover报文。这个报文和普通DHCP不一样，里面带了一个特殊的选项——Option 60（Vendor Class Identifier），值通常是"PXEClient"。服务器一看这个选项，就知道这是个PXE请求。
DHCP服务器回应的时候，除了分配IP地址，还必须带上几个关键信息：
- Option 54：服务器标识
- Option 66：TFTP服务器地址
- Option 67：启动文件名（比如pxelinux.0）
我个人习惯把DHCP和TFTP分开部署。DHCP用Windows Server，TFTP用Linux。这样出问题好排查。有一次客户反映启动慢，我查了半天，发现是DHCP的Option 66配成了域名，DNS解析超时。改成IP地址后，速度立马上来了。
4.2.2 TFTP下载文件
拿到IP和启动文件名之后，PXE固件会通过TFTP去下载这个文件。TFTP协议很简单，基于UDP，端口69。它没有认证，没有加密，就是纯粹的传输。所以安全性嘛，你懂的。
这里有个坑。TFTP的传输效率不高，尤其是大文件。默认的块大小是512字节，虽然可以通过Option协商调大，但很多老设备不支持。我建议启动文件尽量控制在几MB以内。如果非要传大文件，可以考虑用HTTP Boot替代TFTP，UEFI是支持的。
# 一个典型的TFTP传输过程
客户端 -> 服务器: RRQ pxelinux.0
服务器 -> 客户端: DATA (块1, 512字节)
客户端 -> 服务器: ACK (块1)
服务器 -> 客户端: DATA (块2, 512字节)
客户端 -> 服务器: ACK (块2)
...
服务器 -> 客户端: DATA (最后一块, 小于512字节)
客户端 -> 服务器: ACK (最后一块)
我曾经在一个跨三层网络的场景里调试PXE，TFTP老是超时。后来发现是中间防火墙没开UDP 69端口的高端口回包。TFTP的数据端口是动态分配的，防火墙得允许UDP 1024以上端口才行。
4.2.3 执行引导程序
文件下载到内存后，PXE固件会跳转到这个文件的入口点执行。这个文件就是NBP（Network Bootstrap Program）。它可以是pxelinux.0、grub2的core.img、或者Windows的bootmgfw.efi。
NBP一旦跑起来，PXE固件的任务就基本结束了。后续的启动逻辑由NBP接管。比如pxelinux.0会去读取配置文件，然后根据配置去下载内核和initrd。整个过程就像接力赛，PXE是第一棒，NBP是第二棒。
4.3 UNDI与NBP的概念
这两个术语经常出现在PXE的文档里，但很多人搞不清楚它们的具体作用。
4.3.1 UNDI（Universal Network Device Interface）
UNDI是PXE协议栈的最底层。它直接和网卡硬件打交道，提供统一的接口给上层调用。说白了，它就是网卡的抽象层。不管你的网卡是Intel、Realtek还是Broadcom，只要实现了UNDI接口，PXE固件就能用统一的方式操作它。
UNDI分为两种：
- 硬件UNDI：网卡厂商提供的固件实现，烧录在网卡的Option ROM里
- 软件UNDI：由PXE固件模拟实现，用于兼容没有UNDI的网卡
我记得有一次给一台老笔记本做网络启动，网卡是Broadcom的，PXE固件里没有对应的UNDI驱动。后来我刷了一个第三方固件，把软件UNDI加进去，才搞定。
4.3.2 NBP（Network Bootstrap Program）
NBP就是前面提到的引导程序。它是PXE启动流程的终点，也是操作系统加载的起点。NBP通过PXE API来获取网络资源，比如下载配置文件、内核镜像等。
常见的NBP有：
| NBP名称 | 适用场景 | 特点 |
|---|---|---|
| pxelinux.0 | BIOS + Linux | 经典，配置灵活 |
| bootx64.efi | UEFI 64位 + Windows/Linux | 标准UEFI应用 |
| grub2的core.img | UEFI + Linux | 功能强大，支持加密 |
| ipxe.efi | UEFI + 高级需求 | 支持HTTP、iSCSI |
我个人比较喜欢用iPXE。它比原版PXE功能强太多，支持HTTP下载、iSCSI启动、甚至脚本控制。有一次需要在没有DHCP的环境里做网络启动，iPXE的脚本功能帮了大忙，直接硬编码了IP和启动路径。
- UNDI是网卡的抽象层，让PXE固件能操作任何网卡
- NBP是引导程序，负责加载操作系统
- PXE固件在中间，把UNDI和NBP串联起来
4.4 PXE启动流程图
下面这张图把整个流程串起来了。从客户端开机到操作系统启动，每一步都标清楚了。
这张图把UNDI和NBP的位置标得很清楚。UNDI在底层，负责和网卡通信。NBP在上层，负责加载系统。PXE固件在中间做调度。三者缺一不可。
好了，关于PXE协议的核心内容就这些。从固件关系、启动流程到UNDI和NBP，每个环节都有它的设计逻辑。理解这些，你就能自己搭建一套稳定的网络启动环境了。