Raspberry Pi 3 Model B の USB起動で Debian buster arm64 を動かす

最近入手した(遅) RaspberryPi 3 model B で USB メモリ起動の Debian buster aarch64 を設定してみたときのメモです．

ジモティー経由で Raspberry Pi 3 model B を入手しました．Raspberry Pi 3 model B + USB Wi-Fi + USB Bluetooth + ケースのセットが2,500円 + 送料手数料 500円と安いです．普通に新品で買うと 8,000円近くすると思います．今この記事を書いている時点で未だ在庫はあるようなので興味のある人は買うといいかもしれません．(6個同梱可能なのでそれだと1個あたりが少し安くなるので近所の友達と買うといいかも)

Raspberry Pi 3 model B ＋ ケース（黒） ＋ Wi-Fi/Bluetooth アダプター (とく) お台場海浜公園のその他の中古あげます・譲ります｜ジモティーで不用品の処分

64bitになった Raspberry Pi は欲しいと思っていたので安く手に入って助かりました :)
(後継の Raspberry Pi 3 Model B+/A+ や，SoCが 3B と同じで無線機能のない 2B v1.2 とかも欲しいですね．)

Raspberry Pi 3 model B は 32bitだけでなく64bit も利用できるハードウェアです．せっかくなので 64bitで動かしたいけど今の時点では Raspbian は 32bitのみです．そこで Debian の arm64 を試すことにしました．

Raspberry Pi 3 用 Debian buster arm64 イメージの入手とUSBメモリへの書き込み

イメージは岩松さんの東京エリアDebian勉強会の資料を真似して作ろうと思っていたのですが，

東京エリアDebian勉強会

Raspberry Pi 2 Model B に Debian Jessie / armhf をインストールする – 第125回 2015年3月度

Raspberry Pi3 / arm64 – Debian/Ubuntu ミートアップ in 札幌

DebianWiki の RaspberryPi3 の項目を見たら非公式だけどイメージがあったので今回はそれを利用しました．現在 testing の Buster のイメージが入手できます．

RaspberryPi3 – Debian Wiki

Debian/raspi3-image-spec: contains the files to build the https://wiki.debian.org/RaspberryPi3 image

ストレージは通常 microSD を利用しますが，手持ちがないのと Raspberry Pi 3 B はUSB起動が可能なはずなのでUSBメモリを利用することにしました．USB 2.0接続の容量2GBのものを用意しました．

このような感じでイメージを入手してハッシュのチェックをした後USBメモリへ書き込みました．ここでは Linuxのddコマンドで書き込んでいますが，Etcherなどを利用すると色々な環境でGUIでの書き込みが可能です．
※イメージは最新のものを利用するようにしましょう．

$ wget -c https://people.debian.org/~gwolf/raspberrypi3/20190206/20190206-raspberry-pi-3-buster-PREVIEW.img.xz https://people.debian.org/~gwolf/raspberrypi3/20190206/20190206-raspberry-pi-3-buster-PREVIEW.img.xz.sha256
$ sha256sum -c ./20190206-raspberry-pi-3-buster-PREVIEW.img.xz.sha256
20190206-raspberry-pi-3-buster-PREVIEW.img.xz: 完了
$ xzcat 20190206-raspberry-pi-3-buster-PREVIEW.img.xz | pv | sudo dd of=/dev/sdb bs=1M oflag=dsync

balenaEtcher – Home

ブータブルUSBメモリを作るEtcherを試す – matoken’s meme

マルチUSB書き込みツールのPopsicle – matoken’s meme

ブートUSBメモリなどを作るmkusbを試してみる – matoken’s meme

Linux 環境での Raspberry Pi 向け OS 書き込みTips – matoken’s meme

USBから起動できるようOTPを設定する

注意:OTPの設定は1度しか出来ないし，元に戻すことも出来ないと思われます．起動時間が長くなるなどデメリットもあるので気をつけて設定してください．

このUSBメモリを Raspberry Pi に接続して電源を入れてみましたが起動しません．恐らく OTP(One Time Programmable)メモリの設定が USB起動に対応していないので以下のページを参考に設定します．(Raspberry Pi 3+ シリーズは標準でUSB起動可能なのでこの設定は不要なはずです．)

How to boot from a USB mass storage device on a Raspberry Pi – Raspberry Pi Documentation

先ず Raspbian 2017-04-10 以降のイメージを書き込んだ microSD を用意して起動します．
( uart経由で繋ぎたい場合起動前に /boot/config.txt に enable_uart=1 を書いておきます． $ echo enable_uart=1 | tee -a /media/matoken/boot/config.txt )

OTP を確認するとやはり有効になっていませんでした．

pi@raspberrypi:~$ vcgencmd otp_dump | grep ^17:
17:1020000a

以下のように /boot/config.txt に program_usb_boot_mode=1 を追記して再起動すると反映されます．

$ echo program_usb_boot_mode=1 | sudo tee -a /boot/config.txt
program_usb_boot_mode=1
pi@raspberrypi:~$ sudo reboot

17 が 3020000a に変わればOK

pi@raspberrypi:~$ vcgencmd otp_dump | grep ^17:
17:3020000a

詳細は以下を参照してください

Raspberry Pi Documentation

17 – bootmode register

Bit 1: sets the oscillator frequency to 19.2MHz
Bit 3: enables pull ups on the SDIO pins
Bit 19: enables GPIO bootmode
Bit 20: sets the bank to check for GPIO bootmode
Bit 21: enables booting from SD card
Bit 22: sets the bank to boot from
Bit 28: enables USB device booting
Bit 29: enables USB host booting (ethernet and mass storage)

設定前が，1020000a -> 0b010000001000000000000000001010 で設定後が，0x3020000a -> 0b110000001000000000000000001010 てことで，Bit 29 が 0 から 1 になってネットワーク起動とUSB起動を試すようにります．この状態で microSD 起動を試すとこれも大丈夫でした．(優先度は microSD > USB，Networkは未確認)

USBメモリからの起動

この状態で shutdown し，microSD を取り出して Debian の導入した USB メモリを接続して起動で起動しました．(USB起動の場合なかなか起動が始まらず焦ったけど30秒ほど待つとUARTにログが出はじめる．HDMIの出力は未確認)

login は root:raspberry
ちゃんと 64bit です :)

root@rpi3:~# uname -a
Linux rpi3 4.19.0-2-arm64 #1 SMP Debian 4.19.16-1 (2019-01-17) aarch64 GNU/Linux

細々とした設定(ほぼ余録)

パッケージの更新

root@rpi3:~# apt update && apt upgrade

一般ユーザの追加

root@rpi3:~# useradd -m matoken
root@rpi3:~# passwd matoken
Enter new UNIX password:
Retype new UNIX password:
passwd: password updated successfully
root@rpi3:~# chsh matoken -s /bin/bash

OpenSSH の設定変更

root@rpi3:~# diff -u /etc/ssh/sshd_config.old /etc/ssh/sshd_config
--- /etc/ssh/sshd_config.old 2019-02-06 15:15:46.940904823 +0000
+++ /etc/ssh/sshd_config 2019-02-16 13:17:17.076873278 +0000
@@ -29,7 +29,7 @@
# Authentication:

#LoginGraceTime 2m
-PermitRootLogin yes
+PermitRootLogin prohibit-password
#StrictModes yes
#MaxAuthTries 6
#MaxSessions 10
@@ -53,7 +53,7 @@
#IgnoreRhosts yes

# To disable tunneled clear text passwords, change to no here!
-#PasswordAuthentication yes
+PasswordAuthentication no
#PermitEmptyPasswords no

# Change to yes to enable challenge-response passwords (beware issues with
@@ -119,3 +119,5 @@
# AllowTcpForwarding no
# PermitTTY no
# ForceCommand cvs server
+
+AllowGroups sshusers

sshusers グループを作成して ssh login 出来るユーザを登録

root@rpi3:~# sudo groupadd sshusers
root@rpi3:~# sudo usermod -a -G sshusers matoken

短いmodulus を削除する

root@rpi3:~# awk '$5>=3071' /etc/ssh/moduli | tee /etc/ssh/moduli.tmp
root@rpi3:~# wc -l /etc/ssh/moduli /etc/ssh/moduli.tmp
427 /etc/ssh/moduli
368 /etc/ssh/moduli.tmp
795 total
root@rpi3:~# sudo mv /etc/ssh/moduli.tmp /etc/ssh/moduli

hostpcからssh公開鍵をcpしておく

$ ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_ed25519_pi.pub matoken@rpi3

ssh鍵ペアを作っておく

root@rpi3:~# sudo -u matoken ssh-keygen -t ed25519

sshd の再起動

root@rpi3:~# systemctl restart ssh

ssh login時に通知を飛ばすようにしておく

root@rpi3:~# vi /etc/ssh/sshrc
root@rpi3:~# chmod +x /etc/ssh/sshrc
root@rpi3:~# cat /etc/ssh/sshrc
#!/bin/sh

/home/matoken/bin/telegram.sh sshrc:${USER}@`hostname`:${SSH_CONNECTION}
/home/matoken/bin/sms.sh sshrc:${USER}@`hostname`:${SSH_CONNECTION}

ssh でパスワードログインできず，鍵認証でログインが出来る&通知が飛ぶのを確認

root@rpi3:~# ssh root@localhost -o PasswordAuthentication=yes
root@rpi3:~# ssh matoken@localhost -o PasswordAuthentication=yes
root@rpi3:~# ssh matoken@localhost -i ~/.ssh/id_ed25519

自分のネットワークに合わせて /etc/iptables/rules.v4, /etc/iptables/rules.v6 を変更．

root@rpi3:~# grep -v ^# /etc/iptables/rules.v4
*filter
:INPUT ACCEPT [0:0]
:FORWARD ACCEPT [0:0]
:OUTPUT ACCEPT [0:0]
-A INPUT -s 127.0.0.0/8 -m comment --comment "RFC3330 loopback" -j ACCEPT
-A INPUT -s 192.168.1.0/24 -m comment --comment "RFC1918 reserved" -j ACCEPT
-A INPUT -p tcp -m tcp --dport 22 -m comment --comment SSH -j REJECT --reject-with icmp-port-unreachable
COMMIT
root@rpi3:~# grep -v ^# /etc/iptables/rules.v6
*filter
:INPUT ACCEPT [0:0]
:FORWARD ACCEPT [0:0]
:OUTPUT ACCEPT [0:0]
-A INPUT -s ::1/128 -m comment --comment "RFC3513 loopback" -j ACCEPT
-A INPUT -p tcp -m tcp --dport 22 -m comment --comment SSH -j REJECT --reject-with icmp6-port-unreachable
COMMIT

sudo を導入して設定

root@rpi3:~# apt install sudo

sudo groupにユーザを登録

root@rpi3:~# usermod -a -G sudo matoken

sudo が利用できるのを確認

matoken@rpi3:~$ sudo grep ^root: /etc/shadow
sudo: unable to resolve host rpi3: Name or service not known
root:!..VyaTFxP8kT6:17933:0:99999:7:::

rootユーザをロック

$ sudo passwd -l root
sudo: unable to resolve host rpi3: Name or service not known
passwd: password expiry information changed.
matoken@rpi3:~$ sudo passwd -S root
sudo: unable to resolve host rpi3: Name or service not known
root L 02/06/2019 0 99999 7 -1

sudo時などに「sudo: unable to resolve host rpi3: Name or service not known」と言われるので hosts の localhost に rpi3 を追加

matoken@rpi3:~$ sudo vi /etc/hosts
127.0.0.1 localhost rpi3

ここで再起動すると rootfs が見つからないと言われ起動しない．

(initramfs) Gave up waiting for root file system device. Common problems:
- Boot args (cat /proc/cmdline)
- Check rootdelay= (did the system wait long enough?)
- Missing modules (cat /proc/modules; ls /dev)
ALERT! /dev/mmcblk0p2 does not exist. Dropping to a shell!

BusyBox v1.27.2 (Debian 1:1.27.2-3) built-in shell (ash)
Enter 'help' for a list of built-in commands.

cmdline では /dev/mmcblkp2 から起動しようとしているが， /dev/sda2 から起動したい

(initramfs) ls /dev
block tty12 tty47
bsg tty13 tty48
bus tty14 tty49
char tty15 tty5
console tty16 tty50
core tty17 tty51
cpu_dma_latency tty18 tty52
disk tty19 tty53
fb0 tty2 tty54
fd tty20 tty55
full tty21 tty56
gpiochip0 tty22 tty57
gpiochip1 tty23 tty58
input tty24 tty59
kmsg tty25 tty6
kvm tty26 tty60
mem tty27 tty61
memory_bandwidth tty28 tty62
network_latency tty29 tty63
network_throughput tty3 tty7
null tty30 tty8
port tty31 tty9
psaux tty32 ttyAMA0
ptmx tty33 ttyS0
pts tty34 ttyS1
random tty35 ttyS2
sda tty36 ttyS3
sda1 tty37 urandom
sda2 tty38 vcs
snapshot tty39 vcs1
stderr tty4 vcsa
stdin tty40 vcsa1
stdout tty41 vcsu
tty tty42 vcsu1
tty0 tty43 vga_arbiter
tty1 tty44 zero
tty10 tty45
tty11 tty46
(initramfs) cat /proc/cmdline
bcm2708_fb.fbwidth=656 bcm2708_fb.fbheight=416 bcm2708_fb.fbswap=1 dma.dmachans=0x7f35 bcm2709.boardrev=0xa02082 bcm2709.serial=0xfaf144 bcm2709.uart_clock=48000000 smsc95xx.macaddr=B8:27:EB:FA:F1:44 vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000 console=tty0 console=ttyS1,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw elevator=deadline fsck.repair=yes net.ifnames=0 cma=64M rootwait

/boot を mount して書き換えようと思ったけどうまく mount 出来ない?

(initramfs) mkdir /tmp/boot
(initramfs) mount /dev/sda1 /tmp/boot
mount: mounting /dev/sda1 on /tmp/boot failed: Invalid argument
(initramfs) ls -la /dev/sda1 /tmp/boot
brw------- 1 0 0 8, 1 Jan 1 00:00 /dev/sda1

/tmp/boot:
total 0
drwxr-xr-x 2 0 0 0 Jan 1 00:10 .
drwxr-xr-x 3 0 0 0 Jan 1 00:10 ..
(initramfs) mount -t vfat /dev/sda1 /tmp/boot
mount: mounting /dev/sda1 on /tmp/boot failed: No such device
(initramfs) mkdir /tmp/root
(initramfs) modprobe ext4
(initramfs) mount /dev/sda2 /tmp/root
[ 2144.515323] EXT4-fs (sda2): mounted filesystem with ordered data mode. Opts: (null)
(initramfs) find /tmp/root -name "vfat.ko"
/tmp/root/usr/lib/modules/4.19.0-2-arm64/kernel/fs/fat/vfat.ko
(initramfs) modprobe -v /tmp/root/usr/lib/modules/4.19.0-2-arm64/kernel/fs/fat/vfat.ko
(initramfs) lsmod|grep fat
(initramfs) mount -t vfat /dev/sda1 /tmp/boot
mount: mounting /dev/sda1 on /tmp/boot failed: No such device
(initramfs) lsmod|grep fat

一旦電源を切って /boot/cmdline.txt の root=/dev/mmcblk0p2 を root=/dev/sda2 に書き換えて起動するようになった．(LABEL指定に変えたほうがいいかな)

$ cat /boot/firmware/cmdline.txt
console=tty0 console=ttyS1,115200 root=/dev/sda2 rw elevator=deadline fsck.repair=yes net.ifnames=0 cma=64M rootwait

※raspi3-firmware あたりのアップデートが掛かると上書きされるよう．

Revert “Fix the cmdline.txt options to boot by label, not by partition” by chschlue · Pull Request #33 · Debian/raspi3-image-spec

#903543 – raspi3-firmware: add configuration options for cmdline.txt – Debian Bug report logs

systemd から sysvinit に変更(RAMが開くかと思ったけど数MB程度だった)

$ sudo apt install sysvinit-core sysvinit-utils

LANGを設定
en_US.UTF-8 UTF-8, ja_JP.UTF-8 UTF-8 を有効にして，デフォルトロケールを ja_JP.UTF-8 にしたりした．

$ sudo dpkg-reconfigure locales
$ echo 'export LANG="ja_JP.UTF-8"
export LC_TIME="en_US.UTF-8"' | tee -a ~/.profile
$ source ~/.profile
$ locale
LANG=ja_JP.UTF-8
LANGUAGE=
LC_CTYPE="ja_JP.UTF-8"
LC_NUMERIC="ja_JP.UTF-8"
LC_TIME=en_US.UTF-8
LC_COLLATE="ja_JP.UTF-8"
LC_MONETARY="ja_JP.UTF-8"
LC_MESSAGES="ja_JP.UTF-8"
LC_PAPER="ja_JP.UTF-8"
LC_NAME="ja_JP.UTF-8"
LC_ADDRESS="ja_JP.UTF-8"
LC_TELEPHONE="ja_JP.UTF-8"
LC_MEASUREMENT="ja_JP.UTF-8"
LC_IDENTIFICATION="ja_JP.UTF-8"
LC_ALL=

Raspberry Pi には rtc がなくて再起動などで時計が初期化されてしまうので fake-hwclock を導入(電源断時などの時間はカウントされないので時間がずれるが時計が巻き戻らない)

$ sudo apt install fake-hwclock

ntpdate を導入して起動時の時計合わせをするようにする(systemdのままだとntpの面倒を見てくれるので必要ない)

$ sudo apt install ntpdate
$ sudo vi /etc/boot.d/ntpdate
$ cat /etc/boot.d/ntpdate
#!/bin/sh

ntpdate 1.jp.pool.ntp.org
$ sudo chmod +x /etc/boot.d/ntpdate

ntpdate iptables に合わせてこっちのほうがいいかも?(有線接続後に時計合わせする)

$ cat /etc/network/interfaces.d/eth0
auto eth0

# TODO: switch back to iptables-persistent once it re-enters testing
iface eth0 inet dhcp
pre-up iptables-restore < /etc/iptables/rules.v4
pre-up ip6tables-restore < /etc/iptables/rules.v6
up ntpdate 1.jp.pool.ntp.org

uartでsetial接続するために /etc/inittab に以下を設定(systemdだと設定済みなので不要)

T1:23:respawn:/sbin/getty -L ttyS1 115200 vt100

msmtpを導入してメールを飛ばせるように

$ sudo apt install msmtp
$ sudo vi /etc/msmtprc
$ grep -v ^# /etc/msmtprc|uniq
defaults
syslog on
aliases /etc/aliases

tls on
tls_trust_file /etc/ssl/certs/ca-certificates.crt
auth on
syslog LOG_MAIL

account gmail
host smtp.gmail.com
port 587
from matohara@gmail.com
user matohara
password throjfeekdewxeib

account default : gmail
$ sudo vi /etc/aliases
$ grep -v ^# /etc/aliases
mailer-daemon:hoge@example.com
postmaster:hoge@example.com
nobody:hoge@example.com
hostmaster:hoge@example.com
usenet:hoge@example.com
news:hoge@example.com
webmaster:hoge@example.com
www:hoge@example.com
ftp:hoge@example.com
abuse:hoge@example.com
noc:hoge@example.com
security:hoge@example.com
root: hoge@example.com
default: hoge@example.com
$ echo 'hello' | msmtp matoken@ya.ru
$ sudo apt install msmtp-mta
$ echo 'hello' | /usr/sbin/sendmail matoken@ya.ru

無線を無効にするために /boot/firmware/config.txt に以下を追記……再起動しても反映されない?要確認

dtoverlay=pi3-disable-wifi
dtoverlay=pi3-disable-bt

apticron を導入して更新をメールで通知する

$ sudo apt install apticron
$ sudo cp -p /usr/lib/apticron/apticron.conf /etc/apticron/
$ grep ^EMAIL= /etc/apticron/apticron.conf #必要なら宛先を書き換えたり
EMAIL="root"

deborphan でみなしごパッケージを通知するようにする

$ sudo apt install deborphan
$ sudo crontab -e
$ sudo crontab -l | grep deborphan | grep -v ^#
7 4 * * * deborphan && printf "\nsudo apt --autoremove purge \$( deborpha)'

てことでとりあえず動くようになったけど昔もらったノベルティのUSBメモリなのでこのまま運用すると多分すぐ壊れてしまうと思います．
最近秋葉原でセールになっている様な安い SSD とか欲しいですね．

こちらは起動終了のUARTのメッセージ