PXE 是什麼意思？網路啟動裝機的原理與完整流程

PXE 是什麼意思？它是由 Intel 主導制定的網路啟動規範，全稱 Preboot eXecution Environment，預啟動執行環境，現在通行的 2.1 版釋出於 1999 年。“預啟動”說的是作業系統啟動之前：伺服器硬碟裡什麼都沒有時，網路卡韌體自己就能上網，從伺服器那裡下載一個小程式到記憶體裡執行。BIOS 啟動選單裡的“PXE 啟動”“Network Boot”，指的就是這個功能；“PXE 裝機”則是它最常見的用法，借網路啟動把安裝程式和應答檔案送到機器上，無人值守地裝完系統。

PXE 是什麼：網路卡韌體裡的一段啟動程式

PXE 客戶端不在作業系統裡，而在韌體裡：

啟動模式	PXE 客戶端在哪	開機時螢幕上的典型字樣
Legacy（傳統 BIOS）	網路卡上的 Option ROM，內含 DHCP 客戶端、TFTP 客戶端和 UNDI 網路卡驅動介面	網路卡型號、MAC 位址和 PXE 字樣
UEFI	主機板韌體的網路協議棧，網路卡提供 UEFI 驅動	Start PXE over IPv4（或 IPv6）

理解 PXE 有一個關鍵點：PXE 本身只做一件事，就是把第一個程式下載到記憶體並執行。這個程式叫網路載入程式（NBP，Network Bootstrap Program），常見的有 PXELINUX、GRUB、iPXE，以及 Windows 部署服務（WDS）的 wdsnbp.com（BIOS）和 wdsmgfw.efi（UEFI）。之後顯示什麼選單、載入哪個核心、裝什麼系統，全是 NBP 和安裝程式的事，PXE 已經退場了。所以“PXE 裝機”其實是三段接力：韌體裡的 PXE 把 NBP 拉進來，NBP 把核心和安裝程式拉進來，安裝程式按應答檔案把系統裝到硬碟上。

幾個常被混用的說法：

• PXE 啟動：啟動方式，和“從硬碟啟動”“從 U 盤啟動”並列。
• PXE 伺服器：提供 DHCP、TFTP、安裝源的那台（或那幾台）機器，不是某個專門的軟體。
• PXE 裝機：用 PXE 啟動來安裝作業系統的整個過程，業內也叫網路裝機、網路安裝。

PXE 啟動的完整流程：從開機到系統裝完

1. 韌體初始化網路卡。開機自檢後，按啟動順序輪到網路卡，韌體載入 PXE 客戶端，網口鏈路起來後開始發請求。
2. 廣播 DHCP Discover。和普通 DHCP 請求不同，PXE 客戶端會帶上幾項特殊選項：選項 60（廠商類別）寫著 PXEClient:Arch:00007:UNDI:003016 這樣的字串，表明“我是來網路啟動的”；選項 93 是客戶端架構，0 代表傳統 BIOS，x86-64 UEFI 多為 7（部分韌體報 9），ARM64 UEFI 為 11；選項 97 是客戶端標識，通常就是主機板 UUID。
3. DHCP 伺服器應答。除了 IP 位址，應答裡還要有兩樣東西：TFTP 伺服器位址（報文頭的 next-server 欄位或選項 66）和引導檔名（報文頭的 file 欄位或選項 67）。DHCP 伺服器根據選項 93 判斷是 BIOS 還是 UEFI，給出不同的檔名。現網 DHCP 不歸你管、改不了時，可以另起一個 proxyDHCP：位址仍由原來的 DHCP 分，proxyDHCP 只補充引導資訊，過程中會用到 UDP 4011 連接埠。
4. TFTP 下載網路載入程式。客戶端向 TFTP 伺服器的 UDP 69 連接埠發讀請求，下載 NBP 到記憶體並執行。傳統 TFTP 每個資料塊 512 位元組，發一塊等一個確認，所以很慢；客戶端和伺服器支援 blksize 選項（RFC 2348）時可以協商更大的塊。
5. NBP 讀取配置，載入核心和 initrd。以 PXELINUX 為例，它會按固定順序找配置檔案：先找以主機板 UUID 命名的，再找 pxelinux.cfg/01- 加 MAC 位址（短橫線分隔）命名的，再按 IP 位址的十六進位制形式逐位縮短查詢，最後用 pxelinux.cfg/default。這個順序意味著你可以給某一台機器單獨寫一份配置，而不影響其他機器。
6. 安裝程式拉取安裝源和應答檔案。核心啟動後執行安裝程式，按啟動引數裡寫的位址，從 HTTP、NFS 或 SMB 下載安裝包和應答檔案。幾 GB 的安裝源不走 TFTP，這是 PXE 環境裡要再放一個 HTTP 服務的原因。
7. 自動安裝、重啟進入新系統。安裝程式按應答檔案分割槽、裝包、執行裝後指令碼，最後重啟。這裡有一個經典的坑：如果網路卡排在啟動順序第一位，重啟後又會進 PXE，再裝一遍。常見的防法是裝機時用 BMC 設定“僅下一次從 PXE 啟動”，或者讓選單預設項從本地硬碟啟動，裝完後刪掉這台機器的專屬配置。

整個過程的耗時，前四步通常只有十幾秒到一分鐘，主要時間花在第 6 步下載安裝包和第 7 步安裝上，取決於安裝源的頻寬和裝多少軟體包。

抓包看一次 PXE 啟動

排查或學習時，在 PXE 伺服器的裝機網路卡上抓包，能把上面每一步對應起來（ens19 換成你的網路卡名，MAC 換成待裝機器業務網路卡的 MAC）：

tcpdump -ni ens19 -vv 'port 67 or port 68 or port 4011 or ether host 3c:ec:ef:12:34:56'

順序	看到的報文	重點看什麼
1	DHCP Discover（客戶端廣播）	選項 60 是否為 PXEClient 開頭，選項 93 是 0 還是 7
2	DHCP Offer	是否帶了 next-server 和引導檔名，檔名和架構是否對應；有兩台伺服器同時應答就是 DHCP 搶答
3	DHCP Request / ACK	位址是否確認成功
4	發往 UDP 69 的 TFTP 讀請求	請求的檔名和伺服器上的實際路徑是否一致
5	大量 TFTP 資料和確認	載入程式、核心、initrd 正在下載
6	到 TCP 80 的 HTTP 請求	安裝程式開始拉安裝源和應答檔案，PXE 階段已經結束

哪一步之後再沒有下文，問題就出在哪一步。

一套 PXE 裝機環境需要哪些元件

元件	作用	常見實現	連接埠
DHCP	分配位址，告訴客戶端去哪取哪個引導檔案	ISC DHCP、Kea、dnsmasq、Windows DHCP	UDP 67、68
proxyDHCP（可選）	現網 DHCP 不能改時，只補充引導資訊	dnsmasq、WDS	UDP 67、4011
TFTP	傳送載入程式、選單、核心和 initrd	tftp-hpa、dnsmasq 內建	UDP 69，資料走高位連接埠
網路載入程式	顯示選單，載入核心或 WinPE	PXELINUX、GRUB（UEFI 下通常配 shim）、iPXE	—
安裝源	系統安裝包或映象內容	nginx、Apache、NFS、SMB（裝 Windows 時）	TCP 80、2049、445
應答檔案	替人回答安裝程式的所有問題	Kickstart、preseed、autoinstall、autounattend.xml、ESXi 的 ks.cfg	跟隨安裝源
網路	讓 DHCP 廣播到達伺服器	獨立的裝機 VLAN；跨網段時在閘道器上配 DHCP 中繼	—
觸發	讓伺服器這一次從網路啟動	BMC 一次性啟動設定、開機按 F12	UDP 623（IPMI）

前三項（DHCP、TFTP、載入程式）屬於 PXE 本身，後面幾項屬於“裝機”。Cobbler、Foreman、MAAS、iVentoy、WDS 這類工具，把其中幾項打包在一起管理，原理並沒有不同。

兩個和網路有關、常被忽略的細節：

• 交換器連接埠要開快速轉發。接待裝機器的連接埠如果跑經典生成樹，鏈路起來後要經過約 30 秒的偵聽和學習才轉發資料，PXE 客戶端的 DHCP 請求可能在這段時間裡超時。把這些連接埠設為邊緣連接埠（思科叫 PortFast）即可。
• UEFI 安全啟動要求整條引導鏈都有簽名。開啟安全啟動時，NBP、核心都要有合法簽名，發行版簽過名的 shim 加 GRUB 可以透過，自己編譯的 iPXE 一般過不了，要麼關閉安全啟動，要麼換用簽名的載入程式。

PXE 也在演進：iPXE 是一個開源的網路載入程式，可以被 PXE 載入後接管，用 HTTP 代替 TFTP 下載、執行指令碼，速度和靈活性都好得多；UEFI 2.5 起的 HTTP Boot 則讓韌體本身直接用 HTTP 下載引導檔案，客戶端架構碼也有對應的取值（x86-64 UEFI HTTP 為 16）。兩者都還以 DHCP 為起點，可以看作 PXE 思路的延續。

應答檔案：PXE 裝機能做到無人值守的關鍵

PXE 只解決“啟動”，真正讓裝機不用人守著的是應答檔案。不同系統的格式不同，指過去的方式也不同：

系統	應答檔案	怎麼告訴安裝程式去哪取
Rocky Linux、AlmaLinux、RHEL 8 / 9	Kickstart	核心引數 inst.repo=http://10.30.0.2/rocky9 inst.ks=http://10.30.0.2/ks/web.cfg
Debian	preseed	核心引數 auto=true priority=critical url=http://10.30.0.2/preseed/web.cfg
Ubuntu Server 20.04 及以後	autoinstall（cloud-init 格式）	核心引數加 autoinstall 並指定 nocloud 資料來源位址，寫法隨版本有變化，以 Ubuntu 文件為準
Windows Server	autounattend.xml	WinPE 啟動後執行 setup.exe /unattend: 加應答檔案路徑
VMware ESXi	ks.cfg	在 boot.cfg 的 kernelopt 一行寫 ks=http://10.30.0.2/esxi/ks.cfg

應答檔案裡風險最高的是裝到哪塊盤。一份寫著“清空全部磁碟”的應答檔案，遇到掛著資料盤的機器會把資料一起清掉。以 Kickstart 為例，顯式限定目標盤：

ignoredisk --only-use=sda
clearpart --all --initlabel --drives=sda
autopart --type=lvm

裝置名在混插 SATA、NVMe 和陣列卡的機器上並不穩定，sda 不一定是你以為的那塊盤。批次裝機前先在一台樣機上確認安裝程式裡的磁碟機代號，機型不同的分開寫應答檔案，或改用 /dev/disk/by-path/ 這類按物理位置命名的路徑。

PXE 裝機和 U 盤、光碟裝機怎麼選

對比項	PXE 網路裝機	U 盤裝機	光碟或 BMC 虛擬光碟機
要不要到現場	不用，配合 BMC 遠端觸發	要	實體光碟要；虛擬光碟機不用
前期投入	搭服務、寫選單和應答檔案，首次以天計	做一個啟動盤，十幾分鍾	準備 ISO
每台的人工	設定一次網路啟動，幾分鐘	插盤、選啟動項、守著安裝	掛映象、守著安裝
能否同時裝多台	能，上限取決於安裝源頻寬	一個 U 盤對應一台	每台單獨掛映象，要逐台操作
結果是否一致	同一份應答檔案，分割槽和軟體包一致	取決於操作的人	取決於操作的人
典型故障	DHCP 搶答、VLAN 不通、BIOS 與 UEFI 檔案不匹配	啟動盤製作模式不對、USB 口不識別	映象傳輸慢或中斷
適合	批次上架、出租業務反覆重灌	少量機器、新機房網路還沒通	單台遠端救急、裝特殊系統

要不要搭 PXE，可以算一筆時間帳。假設 U 盤裝一台，人工要花 30 分鐘（走到機櫃、插盤、選啟動項、回答安裝嚮導）；第一次搭好 PXE 環境要 8 小時，之後每台人工 2 分鐘。那麼 8 × 60 ÷（30 − 2）≈ 17.1，裝到第 18 台時，PXE 省下的時間就超過了搭建的投入。如果只是一次性上架十來台，U 盤或虛擬光碟機更划算；如果是出租業務，機器退租、換客戶、客戶要求換系統，同一台機器一年要重灌好幾次，環境搭一次反覆用，PXE 的帳很快就算回來了。

以下情況不急著上 PXE：網段裡有你管不了的 DHCP，又不方便用 proxyDHCP；一年只裝幾台機器；必須開啟安全啟動而手裡沒有簽名的引導鏈；要裝的系統需要大量人工選擇，寫不成應答檔案。

在管理系統裡怎麼落地

PXE 解決了“機器怎麼從網路把安裝程式拉起來”，但在機房裡，什麼時候讓哪台機器走 PXE、裝完怎麼確認、裝的是哪個映象，還要有人排程。Toplink DCIM 的 IPMI 遠端管理可以透過 BMC 把伺服器的下一次啟動設為 PXE、線上 ISO 或硬碟，配合重灌系統使用；批次裝機時可以一次把多台伺服器設為從 PXE 啟動，交給任務佇列批次重灌，後台能看到每台的進度，各機房部署的從節點就近執行重灌任務。伺服器分配給客戶後，客戶在自助端選擇映象自行重灌，重灌屬於高危操作，需要輸入 OTP 動態口令確認。