Buildroot 출력 파일시스템 — initramfs·squashfs·ext4·cpio 선택

#한 줄 요약

“어떤 rootfs 포맷을 고르는지가 곧 제품의 업데이트 전략과 수명을 결정한다.” — Buildroot는 한 빌드에서 여러 포맷을 동시에 만들 수 있지만, 런타임 정책은 처음부터 정해야 합니다.

Buildroot로 첫 시스템을 만들 때 대부분 ext4 한 가지만 활성화합니다. 잘 동작하니 그 상태로 production까지 갑니다. 그러다 현장에서 갑자기 전원이 끊겼을 때 부팅이 안 됨이라는 이슈가 한 달 뒤에 들어옵니다.

이 장은 그 문제를 처음부터 막는 관점에서 rootfs 포맷 네 가지를 비교합니다. 각각이 어떤 비용을 치르고 어떤 장점을 주는지, 그리고 실무에서 가장 많이 쓰이는 read-only + overlayfs 패턴을 어떻게 구성하는지 정리합니다.

#네 포맷의 한눈 비교

크기 예시는 대략적입니다. 같은 rootfs (BusyBox + libc + 작은 데몬 몇 개)를 기준으로 한 측정값에 가깝습니다.

이 표가 결정의 80%를 정해 줍니다. 작고 압축률 좋고 read-only가 squashfs, 작고 RAM에만 살면 됨이 initramfs, 쓰기 필요가 ext4입니다.

#initramfs — RAM에 사는 rootfs

initramfs는 cpio 아카이브를 부트 시점에 압축 해제해 RAM에 펼친 파일시스템입니다. Linux 커널이 마운트하는 것이 아니라 커널 안에 내장된 rootfs 메커니즘이 직접 가져옵니다.

Buildroot에서는 다음 옵션으로 활성화합니다.

1
BR2_TARGET_ROOTFS_CPIO=y
2
BR2_TARGET_ROOTFS_CPIO_GZIP=y       # 또는 XZ, ZSTD
3
BR2_TARGET_ROOTFS_INITRAMFS=y       # 커널에 내장

BR2_TARGET_ROOTFS_INITRAMFS=y를 켜면 cpio가 커널 이미지에 포함됩니다. zImage/Image 하나만 flash하면 됩니다. 부트로더가 별도의 rootfs를 로드할 필요가 없습니다.

initramfs의 장점은 압도적입니다.

• 전원 끊김에 무관. 다음 부팅에서 깨끗한 상태로 시작합니다.
• 부트 직후 모든 파일이 RAM 캐시에 있어 read 성능이 빠릅니다.
• update 흐름이 단순합니다. 커널 한 파일만 교체하면 끝입니다.

단점도 명확합니다.

• RAM을 영구적으로 소비합니다. 30MB rootfs면 30MB RAM이 사라집니다.
• 쓰기는 모두 휘발성입니다. 재부팅하면 사라집니다.
• 큰 rootfs에는 부적합합니다. 50MB가 넘어가면 부담스럽습니다.

전형적 용도는 복구 시스템, 공장 검사 펌웨어, 부트 중간 단계의 minimal env 같은 것들입니다. 메인 production rootfs로는 작은 임베디드 시스템에서만 적합합니다.

#cpio — initramfs의 재료

BR2_TARGET_ROOTFS_CPIO만 켜고 BR2_TARGET_ROOTFS_INITRAMFS를 끄면, Buildroot는 rootfs.cpio.gz(또는 xz/zstd)를 독립 파일로 만듭니다. 이건 외부 initramfs로 쓰이거나, 커널을 별도 빌드할 때 CONFIG_INITRAMFS_SOURCE로 주입됩니다.

1
$ ls output/images/
2
Image  rootfs.cpio.gz  rootfs.tar

U-Boot에서 다음과 같이 부팅합니다.

1
=> tftp 0x82000000 Image
2
=> tftp 0x88000000 rootfs.cpio.gz
3
=> booti 0x82000000 0x88000000 ${fdt_addr_r}

booti/bootz의 두 번째 인자가 initramfs입니다. 커널은 이 cpio를 압축 해제해 rootfs로 사용합니다.

cpio는 형식상 쓰기가 가능하지만, 실제로는 initramfs로 마운트된 tmpfs에 쓰는 것이지 cpio 파일 자체를 수정하는 게 아닙니다.

#squashfs — read-only 압축

squashfs는 압축된 read-only 파일시스템입니다. mount 시점에 압축이 풀리는 게 아니라, read할 때마다 블록 단위로 압축이 풀립니다. CPU를 약간 더 쓰는 대신 flash 크기를 40~60% 줄여 줍니다.

1
BR2_TARGET_ROOTFS_SQUASHFS=y
2
BR2_TARGET_ROOTFS_SQUASHFS4_ZSTD=y    # gzip < xz < zstd 권장

압축 방식 비교입니다. 같은 rootfs 기준으로 추정값입니다.

제품용이라면 zstd가 대부분 정답입니다. 압축률이 xz에 근접하고, 해제는 lzo급으로 빠릅니다. 부팅 시간 차이가 체감될 만큼 큽니다.

#왜 read-only인가

squashfs는 쓰기를 지원하지 않습니다. 이게 단점이 아니라 기능입니다. read-only면 다음이 자동으로 보장됩니다.

• 전원 끊김에 손상되지 않는다. 디스크 상태가 변할 일이 없다.
• 마운트가 항상 깨끗하다. fsck가 필요 없다.
• 보안 검사가 단순하다. squashfs hash를 검증하면 끝.

문제는 쓰기가 필요한 곳입니다. /var/log, /etc, /home. 이건 overlayfs로 해결합니다.

#ext4 — 쓰기 가능, 그러나 위험

ext4는 쓰기 가능하고 저널이 있어 전원 끊김에 어느 정도 견딥니다. 어느 정도가 문제입니다. 저널이 보장하는 것은 파일시스템 메타데이터의 일관성뿐, 사용자 데이터까지는 아닙니다.

1
BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2=y
2
BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_4=y          # = ext4
3
BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_SIZE="512M"
4
BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_INODES=0     # 0 = mkfs.ext4 default
5
BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_RESBLKS=5    # 5% reserved for root

BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_SIZE는 최종 이미지 크기입니다. 빈 공간을 미리 잡아 둡니다. SD 카드를 다 채우려면 부팅 첫 회에 resize2fs로 확장합니다.

ext4의 5% reserved는 root 사용자 전용 예약 영역입니다. 디스크가 가득 차도 root가 로그를 쓸 수 있게 합니다. 임베디드에서는 1~2%로 줄이는 게 일반적입니다(BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_RESBLKS=1).

ext4의 실제 위험은 journal 자체가 아니라 application의 쓰기 패턴에 있습니다. SQLite, log rotation, config 파일 수정처럼 partial write가 일어나는 자리에서 전원이 끊기면 내용물이 깨집니다. 저널은 파일시스템을 살릴 뿐, 파일을 살리지는 않습니다.

이 문제를 푸는 길은 두 가지입니다. application 수준에서 atomic write를 강제하거나, 아예 rootfs를 read-only로 만드는 것입니다. 후자가 훨씬 안전합니다.

#Read-only rootfs + overlayfs — 실무 표준 패턴

가장 권장되는 production 패턴입니다. *rootfs는 squashfs(또는 ext4 ro mount)*로 두고, 쓰기 필요한 디렉터리만 overlayfs로 노출합니다.

#구조

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/                 ← squashfs (read-only)
2
  /etc            ← overlay 마운트
3
  /var            ← overlay 마운트
4
  /home           ← overlay 마운트
5
  /tmp            ← tmpfs
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overlay 백업 저장:
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  /data/overlay/etc        ← ext4 또는 jffs2 partition
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  /data/overlay/var
10
  /data/overlay/home

부팅 흐름:

1. 부트로더가 squashfs를 /로 마운트 (read-only).
2. init 초반에 data 파티션을 /data에 ext4로 마운트.
3. /data/overlay/etc를 upper로, /etc(squashfs)를 lower로 overlayfs 마운트.
4. 결과: /etc는 읽기 가능 + 쓰기 가능. 변경분은 /data에 저장됨.

#Buildroot 설정

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# Read-only rootfs base
2
BR2_TARGET_ROOTFS_SQUASHFS=y
3
BR2_TARGET_ROOTFS_SQUASHFS4_ZSTD=y
4

5
# Optional: also build ext4 for data partition (we'll mkfs on first boot)
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BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2=y
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BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_4=y
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BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_LABEL="data"
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BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_SIZE="64M"
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# overlay support in kernel (in linux fragment)
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# CONFIG_OVERLAY_FS=y

#init 스크립트 (initscripts 패키지)

/etc/init.d/S01overlay 같은 자리에 둡니다. overlay에 들어가야 하므로 base rootfs 안에 있어야 합니다.

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#!/bin/sh
2
# Mount data partition and overlay writable directories.
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4
set -e
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DATA_DEV=/dev/mmcblk0p3
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DATA_MNT=/data
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case "$1" in
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    start)
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        # 1. Ensure data partition exists; format on first boot
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        if ! blkid "$DATA_DEV" | grep -q ext4; then
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            mkfs.ext4 -L data "$DATA_DEV"
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        fi
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        mkdir -p "$DATA_MNT"
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        mount -t ext4 "$DATA_DEV" "$DATA_MNT"
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        for d in etc var home; do
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            UPPER="$DATA_MNT/overlay/$d"
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            WORK="$DATA_MNT/overlay/.$d.work"
22
            mkdir -p "$UPPER" "$WORK"
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            mount -t overlay overlay \
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                -o lowerdir=/$d,upperdir=$UPPER,workdir=$WORK \
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                /$d
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        done
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        ;;
28
    stop)
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        umount /etc /var /home /data 2>/dev/null || true
30
        ;;
31
esac

이 패턴의 장점은 다음과 같습니다.

• base rootfs는 squashfs라 절대 손상되지 않습니다.
• factory reset은 /data를 비우면 끝납니다.
• 업데이트는 squashfs 파일 하나만 교체합니다. 보통 A/B 슬롯으로 묶습니다.
• log·config 변경은 자유롭게 가능합니다.

단점은 overlay된 변경분이 별도 파티션에 있어 전원 끊김에 취약하다는 점입니다. 단, 깨져도 base rootfs는 멀쩡하므로 다음 부팅에서 최소한 시스템이 살아 있습니다. 그것만 해도 ext4 단독에 비해 안정성이 훨씬 높습니다.

#한 빌드에 여러 포맷 생성

Buildroot의 강점입니다. 옵션을 여러 개 켜면 한 번의 빌드에서 모든 포맷이 동시에 만들어집니다.

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BR2_TARGET_ROOTFS_TAR=y              # 디버깅·검사용
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BR2_TARGET_ROOTFS_TAR_GZIP=y
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BR2_TARGET_ROOTFS_SQUASHFS=y         # production
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BR2_TARGET_ROOTFS_SQUASHFS4_ZSTD=y
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BR2_TARGET_ROOTFS_CPIO=y             # initramfs/recovery
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BR2_TARGET_ROOTFS_CPIO_XZ=y

빌드 후 output/images/에 다음이 생깁니다.

1
$ ls output/images/
2
Image            rootfs.squashfs
3
rootfs.tar.gz    rootfs.cpio.xz

같은 rootfs에서 만든 결과물이므로 내용은 동일합니다. 포맷만 다릅니다. CI에서 이걸 모두 만들고, deployment 시점에 목적에 맞는 것만 선택합니다.

#부팅 시 마운트 — fstab, mount cmdline

ext4를 루트로 마운트하려면 커널 cmdline에 root=를 넘깁니다.

1
console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 rw rootwait

squashfs면 rootfstype=squashfs ro를 씁니다.

1
console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=squashfs ro rootwait

initramfs는 마운트가 필요 없습니다. root=도 필요 없습니다. 그저 console=만 있어도 됩니다.

/etc/fstab은 root 외 나머지 마운트만 적습니다.

1
# device         mount        type     options             dump  pass
2
proc             /proc        proc     defaults            0     0
3
sysfs            /sys         sysfs    defaults            0     0
4
devpts           /dev/pts     devpts   defaults,gid=5,mode=620  0  0
5
tmpfs            /tmp         tmpfs    defaults,size=32M   0     0
6
tmpfs            /run         tmpfs    defaults,size=8M    0     0
7
/dev/mmcblk0p3   /data        ext4     defaults,noatime    0     2

#Troubleshooting

#squashfs로 만들면 부팅이 멈춘다

세 가지가 흔합니다. 커널에 SQUASHFS 모듈이 없거나(CONFIG_SQUASHFS=y), zstd 알고리즘 지원이 없거나(CONFIG_SQUASHFS_ZSTD=y), cmdline의 rootfstype이 ext4로 남아 있는 경우.

#ext4 첫 부팅 후 df가 가득 차 있다

BR2_TARGET_ROOTFS_EXT2_SIZE로 잡은 크기 그대로 마운트되어 있습니다. SD 카드를 다 쓰려면 첫 부팅 init에서 resize2fs를 한 번 돌립니다.

1
parted /dev/mmcblk0 resizepart 2 100%
2
resize2fs /dev/mmcblk0p2

이 절차는 SD 카드 크기가 고정이 아닌 흐름에서만 필요합니다. 공장에서 모두 같은 크기의 eMMC를 쓰면 미리 정확한 크기로 빌드합니다.

#overlayfs 마운트가 안 된다

거의 항상 커널 옵션입니다. CONFIG_OVERLAY_FS=y가 켜져 있어야 합니다. Linux fragment(linux.config)에 추가하고 커널을 다시 빌드합니다.

#initramfs가 너무 커서 부트가 느리다

initramfs는 부팅 전에 전체가 RAM에 펼쳐집니다. 30MB가 넘어가면 체감됩니다. 줄이는 길은 두 가지입니다. 더 강한 압축(xz)을 쓰거나, 전체 rootfs를 initramfs로 만들지 말고 최소 부트만 initramfs로 두고 메인 rootfs는 squashfs로 switch_root합니다.

#같은 빌드를 ext4·squashfs 두 가지로 빌드했는데 결과가 다르다

내용물은 같아도 권한·소유권이 fakeroot 처리 시점에 따라 미세하게 다를 수 있습니다. SUID 비트나 소유권이 중요한 파일은 device table로 명시적으로 잡아 줍니다.

#정리

• initramfs는 RAM에 사는 rootfs입니다. 작은 시스템·복구 환경에 적합합니다.
• cpio는 initramfs의 재료입니다. 외부 initramfs 흐름에서 쓰입니다.
• squashfs는 read-only 압축입니다. 크기 40~60% 절감 + 전원 끊김 면역의 두 이득을 동시에 줍니다.
• ext4는 쓰기 가능하지만 application 수준의 partial write 위험은 그대로입니다.
• production 표준 패턴: squashfs base + overlayfs + 별도 data 파티션.
• 한 빌드에서 여러 포맷을 동시에 생성할 수 있습니다. 목적별로 골라 deploy합니다.
• squashfs 압축은 zstd가 거의 항상 최적의 균형입니다.

#다음 장 예고

다음 편은 Ch 9: 새 패키지 작성 — autotools, cmake, python.

#관련 항목

• Ch 7: 보드 customize — overlay, post-build, post-image
• Ch 10: 실전 — BeagleBone Black 시스템 처음부터 끝까지
• 원문 — Buildroot Manual: Target filesystem
• Linux overlayfs documentation