2018 年度 OSS リテラシー 3 : 第 1 回基本セットアップ

2018/09/21 杉山耕一朗

Raspberry Pi のセットアップ

Raspberry Pi (ラズベリーパイ) は ARM プロセッサを搭載したシングルボードコンピュータであり, 安価な教育用のコンピュータとして世界中で使われている. 本講義は Raspberry Pi を用いて Linux の演習を行う.

Raspberry Pi は SD カードからブートする. そのため, 「インストール = OS イメージを書き込んだ SD カードを作る」である. Raspberry pi 上で動作する OS はいくつかあるが, 本実習ではラズベリーパイ財団が公式にサポートしている Debian/GNU Linux ベースの OS である Raspbian を利用する.

イメージファイルのダウンロード

下記の URL から Raspbian stretch の OS イメージファイル (DESKTOP, zip 圧縮) をダウンロードする (Raspbian の元となる Debian は, 映画トイストーリーのキャラクター名をコードネームとして使っている. stretch はトイストーリーのキャラクタ).

<URL:https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/>

イメージファイルを SD カードへ書き込む

ダウンロードした zip ファイルを展開する. 展開には Lhaplus や 7-zip.exe を使うと良い.

Windows 上で SD カードに raspbiaen を書き込む. 書き込みには Win32DiskImager.exe を利用する (管理者権限が必要).

SD カードリーダー/ライターをパソコンに接続し, Win32 Disk Imager を起動する.
``Image File'' に書き込むイメージファイルを指定する.
``Device'' に SD カードのデバイス名を指定する.
``Write'' をクリックしてイメージファイルを SD カードに書き込む.

Raspbian の起動

Raspberry Pi に以下の順番で周辺機器を接続する. Raspberry Pi には電源スイッチは無く, 電源コードを挿すと Raspbian がただちに起動する.

micro SD カードの挿入
ディスプレイと接続. HDMI ケーブルを利用する.
ワイヤレスのマウス・キーボードと接続. USB レシーバーを USB ポートに挿入する.
電源コードの接続

基本設定

起動すると, 直ちに初期設定が始まる. locale の設定やパスワードの変更を適切に行う. なお, 本授業ではネットワークの設定を後ほど行うので, 無線の設定や OS アップデートはスキップして良い.

再起動後, 「Raspberry Pi の設定」を実行する. デスクトップ左上の Menu の設定から「Raspberry Pi の設定」をクリックする. さらに「システム」タブを選択し, 以下を行う.

ホスト名の設定
- ホスト名は学生番号とする (j1500 のように, 先頭の j は小文字で).
ユーザ pi での自動ログインの禁止.
- 自動ログインはセキュリティ的に問題があるので, チェックを外す. 自動ログインを有効にしたままだと, 他人が勝手に自分のラズパイを起動し, 中に入っているデータを好き勝手に編集できてしまう.

"OK" を押すと再起動するか聞かれるので「はい」を押して再起動する.

設定の前に. ターミナル

以下, ラズパイの設定をおこなっていくが, ターミナルからコマンドを打ち込むことが多い. ターミナルは以下の図のように, 左上のアイコン群から起動することができる.

なお, 以下では背景が灰色な部分はターミナル上でコマンドを実行することを意味する. 先頭が "$" の場合は一般ユーザ権限でのコマンド実行, 先頭が "#" の場合は管理者権限でのコマンド実行を意味する. sudo コマンドを使って管理者権限を使っていることに注意せよ. また, 括弧内は説明であり, ファイルに書き込む必要はないことに注意せよ.

ネットワークへの接続

演習室に仮設された無線 LAN アクセスポイントに接続する.

ネットワークパラメタの確認方法

ネットワークパラメタを確認するためにターミナルを立ち上げ, ifconfig コマンドを実行する. 何もオプションを与えないと現在起動しているインターフェイスのネットワークの状態が全て表示される. eth0 は有線 LAN のインターフェイス, wlan0 は無線 LAN のインターフェイス, lo は「ローカルループバック」と呼ばれる特殊な項目（ホスト自身を表す仮想インターフェイス）である.

ifconfig の出力のうち, 特に注目したいのは inet と netmask である (broadcast は inet と netmask から計算できる). 以下の例では無線 LAN (wlan0) の IP は 10.162.64.104 で netmask は 255.255.255.0, であることがわかる. 有線 LAN (eth0) には接続していないので IP が設定されていないこともわかる.

$ ifconfig

eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
     ether b8:27:eb:44:0f:13  txqueuelen 1000  (イーサネット)
     RX packets 366826  bytes 543736682 (518.5 MiB)
     RX errors 0  dropped 1106  overruns 0  frame 0
     TX packets 183220  bytes 32857306 (31.3 MiB)
     TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
     inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
     inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
     loop  txqueuelen 1000  (ローカルループバック)
     RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
     RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
     TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
     TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

wlan0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
     inet 10.162.64.104  netmask 255.255.255.0  broadcast 10.162.64.255
     inet6 fe80::d17f:ac3e:6a9a:a0f7  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
     ether b8:27:eb:b9:3c:99  txqueuelen 1000  (イーサネット)
     RX packets 21  bytes 6094 (5.9 KiB)
     RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
     TX packets 56  bytes 7754 (7.5 KiB)
     TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

また, 無線 LAN インタフェースの参照・設定をするためのコマンドとして iwconfig がある. 以下の例では接続しているアクセスポイントが H530W_pub であることや, ビットレートや信号レベルなどがわかる.

$ iwconfig 

  eth0      no wireless extensions.

  lo        no wireless extensions.

  wlan0     IEEE 802.11  ESSID:"H530W_pub"  
            Mode:Managed  Frequency:2.412 GHz  Access Point: 4C:E6:76:81:B7:80   
            Bit Rate=24 Mb/s   Tx-Power=31 dBm   
            Retry short limit:7   RTS thr:off   Fragment thr:off
            Power Management:on
            Link Quality=39/70  Signal level=-71 dBm  
            Rx invalid nwid:0  Rx invalid crypt:0  Rx invalid frag:0
            Tx excessive retries:1  Invalid misc:0   Missed beacon:0

ゲートウェイは netstat -rn コマンド (もしくは route コマンド, ip route show コマンド) で確認することができる. 以下の例では, 無線 LAN (wlan0) のゲートウェイは 10.162.64.254 であることがわかる.

$ netstat -rn

  カーネルIP経路テーブル
  受信先サイト    ゲートウェイ    ネットマスク   フラグ   MSS Window  irtt インタフェース
  0.0.0.0         10.162.64.254   0.0.0.0         UG        0 0          0 wlan0
  10.162.64.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U         0 0          0 wlan0

ネットワークの接続テスト

ネットワークへの接続を確認するために, まず最初に行うのは ping コマンドの実行である. ネットワーク接続している別の計算機に ping を送ってみよう. ネットワークに接続している場合は返事が戻ってくる. 但し, 最近の Windows などでは ping に返事しないのをデフォルトにしているケースもあるので注意せよ.

ping を止める時は Ctrl-c する (Control キーと c キーを一緒に押す).

$ ping moon.epi.it.matsue-ct.jp

  PING moon.epi.it.matsue-ct.jp (10.164.5.198) 56(84) bytes of data.
  64 bytes from 10.164.5.198 (10.164.1.198): icmp_seq=1 ttl=63 time=0.469 ms
  64 bytes from 10.164.5.198 (10.164.1.198): icmp_seq=2 ttl=63 time=0.470 ms
  ^C
  --- moon.epi.it.matsue-ct.jp ping statistics ---
  2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1001ms
  rtt min/avg/max/mdev = 0.469/0.469/0.470/0.021 ms

また, ネットワーク上の径路は traceroute コマンドで確認することができる. 以下の例では, moon.epi.it.matsue-ct.jp (10.164.1.198) に到達する前に, ゲートウェイ 10.162.64.254 を通過していることがわかる.

$ traceroute moon.epi.it.matsue-ct.jp

  traceroute to moon.epi.it.matsue-ct.jp (10.164.5.198), 30 hops max, 60 byte packets
   1  10.162.64.254 (10.162.64.254)  3.250 ms  3.149 ms  3.285 ms
   2  10.164.5.198 (10.164.5.198)  0.432 ms  0.379 ms  0.317 ms

パッケージの更新 & 新規インストール

パッケージの更新や新規インストールはネットワーク経由で行う.

松江高専内のミラーサイトを使う設定にする.

Linux ではパッケージ管理システムを用いてネットワーク経由でソフトウェア (パッケージ) をインストールする. ネットワーク的に近いミラーサイトを利用する方がパケージのダウンロードにかかる時間が短くて済む. この演習では松江高専内の raspbian のミラーサイトを利用することにする.

まず, パッケージをダウンロードするミラーサイトを学内のものに変更する. 既存のものをコメントアウトして, ホスト名を moon.epi.it.matsue-ct.jp に変更する. 編集するファイルは 2 つなことに注意せよ.

なお, sudo は管理者権限を使うためのコマンドである.

$ sudo -s
# vi /etc/apt/sources.list  

  deb http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/raspbian/ stretch main contrib non-free rpi     (追加)
  #deb http://mirrordirector.raspbian.org/raspbian/ stretch main contrib non-free rpi (コメントアウト)  
  # Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
  #deb-src http://archive.raspbian.org/raspbian/ stretch main contrib non-free rpi

# vi /etc/apt/sources.list.d/raspi.list 

  deb http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/debian/ stretch main ui (追加)
  #deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ stretch main ui (コメントアウト) 
  # Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
  #deb-src http://archive.raspberrypi.org/debian/ stretch main ui

パッケージの更新

パッケージの更新を行う. update でミラーサイトに置かれたパッケージのバージョンを確認し, upgrade で最新バージョンのパッケージをインストールする. この作業は場合によっては数十分かかる.

# apt-get update

  取得:1 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/raspbian stretch InRelease [15.0 kB]
  取得:2 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/debian stretch InRelease [25.3 kB]
  取得:3 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/raspbian stretch/main armhf Packages [11.7 MB]
  取得:4 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/raspbian stretch/contrib armhf Packages [56.8 kB]
  取得:5 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/raspbian stretch/non-free armhf Packages [95.2 kB]
  取得:6 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/raspbian stretch/rpi armhf Packages [1,360 B]
  取得:7 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/debian stretch/main armhf Packages [111 kB]
  取得:8 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/debian stretch/ui armhf Packages [26.9 kB]
  12.0 MB を 26秒 で取得しました (461 kB/s)
  パッケージリストを読み込んでいます... 完了

取得先が全て moon.epi.it.matsue-ct.jp になっていることを確認すること. そうなっていない場合はミラーサイトの設定に誤りがあるので, 設定ファイルを見直すこと.

# apt-get upgrade

  パッケージリストを読み込んでいます... 完了
  依存関係ツリーを作成しています                
  状態情報を読み取っています... 完了
  アップグレードパッケージを検出しています... 完了
  以下のパッケージはアップグレードされます:
     bluez dhcpcd5 libbluetooth3 libservlet3.1-java pigpio python-pigpio python3-pigpio rpi-chromium-mods scratch2
  アップグレード: 9 個、新規インストール: 0 個、削除: 0 個、保留: 0 個。
  78.6 MB のアーカイブを取得する必要があります。
  この操作後に追加で 1,160 kB のディスク容量が消費されます。
  続行しますか? [Y/n] Y
  取得:1 http://moon.epi.it.matsue-ct.jp/debian stretch/ui armhf rpi-chromium-mods armhf 20170913 [9,197 kB]
  (...後略...)

アップグレードされるパッケージが一覧されるので, それを眺めたら Y を押す. ミラーサイトからパッケージがダウンロードされ, 自動的にインストールが始まる.

パッケージの新規インストール

ラズパイは I/O が弱点で, パッケージのインストールにかなりの時間がかかることがある. 今後の授業がスムーズに進行するために, 今後必要となるパッケージをまとめてインストールしておく (1 行で書くこと).

パッケージには依存関係がある. 以下の例では 10 個のパッケージをインストールする命令を出しただけにもかかわらず, 102 個のパッケージがインストールされている.

なお, 「続行しますか? [Y/n]」と聞かれたら Y を押すこと.

# apt-get install ibus-anthy freeradius-utils mailutils nmap fail2ban gawk busybox bindfs zabbix-agent libi2c-dev 

 パッケージリストを読み込んでいます... 完了
 依存関係ツリーを作成しています                
 状態情報を読み取っています... 完了
 以下の追加パッケージがインストールされます:
   anthy anthy-common ca-certificates-java collectd collectd-core dconf-cli default-jre-headless dmeventd exim4-base exim4-config exim4-daemon-light freeradius-common
   freeradius-config gir1.2-ibus-1.0 guile-2.0-libs ibus im-config kasumi libanthy0 libapr1 libc-ares2 libcollectdclient1 libconfuse-common libconfuse1 libdbi-perl libdbi1
   libdevmapper-event1.02.1 libesmtp6 libfdt1 libfreeradius3 libftdi1 libganglia1 libgc1c2 libgps22 libgsasl7 libhiredis0.13 libibus-1.0-5 libkyotocabinet16v5 liblinear3
   liblua5.1-0 liblua5.3-0 liblvm2app2.2 liblvm2cmd2.02 libmailutils5 libmariadbclient18 libmemcached11 libmicrohttpd12 libmodbus5 libmosquitto1 libnl-route-3-200 libntlm0
   libopenipmi0 liboping0 libow-3.1-5 libowcapi-3.1-5 libpcap0.8 libpci3 libpq5 libprotobuf-c1 librabbitmq4 librdkafka1 libreadline5 libriemann-client0 librrd8 libserialport0
   libsigrok2 libsigsegv2 libsnmp-base libsnmp30 libtokyocabinet9 libtokyotyrant3 libupsclient4 libvarnishapi1 libvirt0 libxen-4.8 libxenstore3.0 libzip4 lvm2
   mailutils-common mysql-common ndiff openjdk-8-jre-headless owfs-common pciutils python-bs4 python-html5lib python-lxml python-webencodings python3-systemd rrdtool ssl-cert
   whois

 (...中略...)

 アップグレード: 0 個、新規インストール: 102 個、削除: 0 個、保留: 1 個。
 62.3 MB のアーカイブを取得する必要があります。
 この操作後に追加で 209 MB のディスク容量が消費されます。
 続行しますか? [Y/n]  

 (... 以下略...)

 # exit
 $

(2019/09/21 現在, ca-certification-java, openjdk-8-jre-headless, default-jre-headless パッケージのインストールでエラーが出る. 気にしなくてよい)

日本語入力

日本語をキーボードから入力できるように設定する. すでに Input method として anthy がインストールされているので, 以下のように「iBus の設定」をクリックして iBus デーモンを起動する (iBus の設定は特に変える必要はない).

デスクトップ右上の言語のアイコンを右クリックし, 日本語のインプットメソッドを Anthy にする. その後, 右クリックすると入力モードが選べるので, そこで「ひらがな」「英数」などを切り替えられる. なお, キーボードで「半角/全角」キーや Ctrl-j (Ctrl キーを押しながら j キーを押す) でも「ひらがな」と「英数」の切り替えを行うことができる.

日本語が実際に打てるか試してみよ. 例えばブラウザを立ち上げて, 検索窓に日本語を入力せよ.

時刻の設定

Linux のシステム時刻には, ハードウェアクロックとシステムクロックの 2 つがある.

ハードウェアクロック
- マザーボード上の IC によって提供される時計. マザーボード上の電池はこのためにある.
- 電源を落としても時刻は進む.
- RTC（Real Time Clock）とも呼ばれる.
システムクロック
- Linux カーネルの内部に存在している時計.
- 起動時に一度だけハードウェア・クロックを参照し, システム・クロックを設定する.
- 時刻は 1970/01/01T00:00:00 からの経過時間として保持される.

ラズパイはハードウェアクロックを持たないので, hwclock コマンドを実行しても「ハードウェアクロックを参照できない」と表示される. (ラズパイに電池載ってないですよね?)

$ hwclock 

  hwclock: Cannot access the Hardware Clock via any known method.
  hwclock: Use the --debug option to see the details of our search for an access method.

ハードウェアクロックの代わりとして /etc/fake-hwclock.data がある. /etc/fake-hwclock.data に前回シャットダウンの時刻が記録されていて, これがシステムクロックから参照される. 起動時にラズパイの時刻がずれているのはこのためである.

$ cat /etc/fake-hwclock.data 

  2017-10-16 13:17:01

UNIX 系 OS で時刻を確認する標準コマンドは date である.

$ date

  2017年 10月16日 月曜日 23時50分33秒 JST

systemdに導入された timdatectl コマンドでシステム時刻の各種表示形式を確認することができる. Local time は日本時間, Universal time は世界標準時である. リアルタイムクロック (RTC) は存在しないので n/a になっている. ここでポイントは "Network time on" と "NTP synchronized" で, ハードウェアクロックを持たない代わりにネットワーク経由で時刻合わせをしている.

$ timedatectl status

        Local time: 月 2017-10-16 22:27:43 JST
    Universal time: 月 2017-10-16 13:27:43 UTC
          RTC time: n/a
         Time zone: Asia/Tokyo (JST, +0900)
   Network time on: yes                        (NTP 使う設定)
  NTP synchronized: yes                        (NTP 同期済み)
   RTC in local TZ: no

NTP (Network Time Protocol)

NTP はネットワーク経由での時刻同期するためのプロトコルである. 先の例にあるように, ラズパイは NTP を使う設定になっている. そのため, ラズパイ起動から一定時間経過すると, ラズパイのシステムクロックは NTP と同期して正しい値となる.

以下のようにオプションを与えると, NTP との同期のログが表示される.

$ systemctl status systemd-timesyncd.service

  ● systemd-timesyncd.service - Network Time Synchronization
    Loaded: loaded (/lib/systemd/system/systemd-timesyncd.service; enabled; vendor preset: enabled)
    Drop-In: /lib/systemd/system/systemd-timesyncd.service.d
             └─disable-with-time-daemon.conf
    Active: active (running) since Mon 2017-10-16 19:28:25 JST; 3h 10min ago
      Docs: man:systemd-timesyncd.service(8)
   Main PID: 312 (systemd-timesyn)
     Status: "Synchronized to time server 108.61.223.189:123 (2.debian.pool.ntp.org)."
     CGroup: /system.slice/systemd-timesyncd.service
             └─312 /lib/systemd/systemd-timesyncd

  10月 16 19:28:24 iot-00 systemd[1]: Starting Network Time Synchronization...
  10月 16 19:28:25 iot-00 systemd[1]: Started Network Time Synchronization.
  10月 16 19:29:11 iot-00 systemd-timesyncd[312]: Synchronized to time server 108.61.223.189:123 (2.debian.pool.ntp.org).

NTPサーバは /etc/systemd/timesyncd.conf にて指定出来る. 学内の NTP サーバを使うように設定してみよ.

$ sudo -s
# vi /etc/systemd/timesyncd.conf 

  [Time]
  NTP=ntp.matsue-ct.jp
  FallbackNTP=0.debian.pool.ntp.org 1.debian.pool.ntp.org 2.debian.pool.ntp.org 3.debian.pool.ntp.org    (コメントアウト外すだけ)

# reboot

再起動後, 再び systemctl を用いて, NTP サーバとして ntp.matsue-ct.jp が用いられていることを確認する (ログの部分に着目せよ).

$ systemctl status systemd-timesyncd.service

  ● systemd-timesyncd.service - Network Time Synchronization
     Loaded: loaded (/lib/systemd/system/systemd-timesyncd.service; enabled; vendor preset: enabled)
    Drop-In: /lib/systemd/system/systemd-timesyncd.service.d
             └─disable-with-time-daemon.conf
     Active: active (running) since Mon 2017-10-16 23:04:29 JST; 8min ago
       Docs: man:systemd-timesyncd.service(8)
   Main PID: 317 (systemd-timesyn)
     Status: "Synchronized to time server 10.0.10.5:123 (ntp.matsue-ct.jp)."
     CGroup: /system.slice/systemd-timesyncd.service
             └─317 /lib/systemd/systemd-timesyncd

  10月 16 23:04:29 iot-00 systemd[1]: Starting Network Time Synchronization...
  10月 16 23:04:29 iot-00 systemd[1]: Started Network Time Synchronization.
  10月 16 23:05:06 iot-00 systemd-timesyncd[317]: Synchronized to time server 10.0.10.5:123 (ntp.matsue-ct.jp).

参考：スクリーンショット

本演習では, 課題を行った証拠としてスクリーンショットを提出してもらうことがある. ここでラズパイでのスクリーンショットの取り方を説明しておく. ターミナルを立ち上げて以下のコマンドを実行せよ. ls コマンドを実行すると, 作成されたファイルの名前が確認できる.

$ scrot    

$ ls  (ファイルの確認)

  2017-10-02-190947_1024x768_scrot.png

ある一定の時間後 (以下では 10 秒後) にスクリーンショットを取りたい場合は, -d オプションを用いる.

$ scrot -d 10

作成したファイルを確認するには, 上部に並んだアイコンから「ファイルマネージャー」を選び, 画像のアイコンをクリックすると良い.

課題

ブラウザを立ち上げて wbt にログインせよ.
- ブラウザのスクリーンショットを取り, その画像を wbt から提出せよ.
日本語が実際に打てるか試してみよ. 例えばブラウザを立ち上げて, 検索窓に日本語を入力せよ.
- ブラウザのスクリーンショットを取り, その画像を wbt から提出せよ.
ifconfig コマンド, netstat コマンド, iwconfig コマンドの出力結果を wbt のオンラインテキストにコピペせよ. さらに, 自分のラズパイの IP アドレス, netmask, broadcast (計算すること), ゲートウェイ, 接続している無線アクセスポイントを wbt のオンラインテキストに報告せよ.
IP アドレス, netmask, broadcast, ゲートウェイ, の意味を調べて wbt のオンラインテキストに報告せよ.
systemctl status systemd-timesyncd.service コマンドの出力を wbt のオンラインテキストにコピペせよ. さらに使われている ntp サーバの IP とホスト名を答えよ.