Windows Subsystem für Linux

Einführung
1. WSL 1 und 2
2. WSL kompatible Distributionen
WSL Installation
WSL einsetzen
Weiterführende Links

Einführung

Das Windows Subsystem for Linux (kurz WSL) ist eine Schnittstelle ab Microsoft Windows 10 und Server 2016, mit der native Linux Programme innerhalb von Windows ausgeführt werden können.

WSL 1 und 2

Version 1 von WSL wurde als Beta Version in Windows 10 1607 (August 2016) eingeführt. WSL 1 erzeugt für jeden Linux-Prozess einen angepassten NT Prozess und fängt Kernel-Aufrufe ab um sie in Windows-NT äquivalente Aufrufe zu übersetzen.

Version 2 von WSL wurde 2018 angekündigt und fand final 2020 Einzug in alle Windows Produkte. WSL 2 arbeitet mit Hyper-V Techniken und nutzt einen eigenen angepassten Linux-Kernel in einer virtuellen Maschine um Linux Anwendungen nativ auszuführen.

WSL 1 richtete sind in erste Linie an Entwickler, um die Übersetzung von Linux Programmen auf Windows Systemen zu ermöglichen. Seine Vorteile liegen in der direkten Ausführung von Prozessen innerhalb der Windows Umgebung und der direkten Nutzung des Dateisystems.
Die Performance des Dateisystems ist hingegen auch der größte Nachteil von WSL 1, da Dateizugriffe um ein vielfaches langsamer arbeiten, als auf einem nativen oder virtualisiertem Linux System.
Außerdem sind spezielle Dienste wie Docker mit diesem Ansatz nicht möglich, da entsprechende Kernel-Aufrufe nicht implementiert sind.

Durch die Nutzung der Virtualisierungstechnik Hyper-V sind Dateisystemzugriffe in WSL 2 fast annähernd so schnell wie auf einem nativen Linux-System geworden und diverse Schnittstellenprobleme der Vorgängerversion sind gelöst.
Das Dateisystem ist nun jedoch nicht mehr direkt zugänglich, deshalb müssen der Windows-Host und der Linux-Bereich über Netzwerkschnittstellen kommunizieren.
(z.B.: \\wsl$\Ubuntu-18.04\usr\bin verweist auf /usr/bin in der Ubuntu Distribution.)

WSL kompatible Distributionen

Während ursprünglich nur Ubuntu als primäre Distribution angeboten wurden, stehen heute mehrere Linux Distributionen für WSL bereit.

Linux Distributionen sind in WSL von einander getrennt, jede läuft mit einem eigenen virtuellen Dateisystem.

WSL kann als “optionales Windows-Feature” aktiviert werden und im Anschluss kann der Benutzer über den Windows Store oder manuell eine Linux Distribution auf sein System übertragen.

WSL Installation

WSL ist auf einem nackten Windows 10/11 oder Server 2016/2019/2022 nicht aktiviert.
Um WSL nutzen zu können, muss man:

Das WSL Windows Feature im System aktivieren
Eine Linux Distribution herunterladen
Die Linux Distribution im System installieren

Während in Windows 10/11 Linux Distributionen im Windows Store per Klick ausgewählt und installiert werden können, fehlt diese Option in den Windows Server Varianten.
Auf älteren Server-Editionen muss man die Distribution als App-Paket manuell herunterladen und das Setup per Hand ausführen.
Neuere Server (z.B. 2022) tragen die neueste Version von WSL.EXE in sich, mit welchem diese Schritte automatisiert durchgeführt werden können.

Windows Feature aktivieren

Das “optionale Windows Feature” kann entweder über die Windows UI, mit dism.exe oder mit der Powershell installiert werden.

Mit dism:
Einfach cmd.exe als Administrator starten und
dism.exe /online /enable-feature /featurename:Microsoft-Windows-Subsystem-Linux /all eintippen.
Mit Powershell:
In der Powershell mit Administrator-Rechten, führt man
Enable-WindowsOptionalFeature -Online -FeatureName Microsoft-Windows-Subsystem-Linux aus.
Windows 10/11 Systemsteuerung:
Man öffnet die Systemsteuerung, wählt dann Programme und Features und klickt links auf Windows Features aktivieren oder deaktivieren. Im nachfolgend Dialog muss Windows Subsystem für Linux ausgewählt und mit OK installiert werden.
Windows Server Manager:
Am Windows Server nutzt man den Server Manager und wählt im Menü Manage und darunter Add Roles and Features, klickt im Wizard weiter, bis man zu den Features kommt und wählt dann Windows Subsystem for Linux aus.

Danach muss in jedem Fall Windows neu gestartet werden, womit die Installation abgeschlossen wird. Ab dem nächsten Login ist WSL in Windows integriert und kann mit Linux Distributionen benutzt werden.

WSL Linux Distributionen als Store App nutzen

In Windows 10/11 findet man Linux Distributionen ganz einfach in der Windows Store App. Man sucht einfach nach “Ubuntu”, “Debian”, “SUSE”, “Alpine” oder “Kali Linux” und lässt den Windows Store die Distribution herunterladen und installieren.

Im Startmenü wird automatisch ein Eintrag angelegt, und wenn dieser das erste Mal ausgeführt wird, wird die Distribution eingerichtet und der Benutzer muss noch einen Linux Benutzeraccount benennen und ein Passwort eintragen.
Künftige Starts nutzen dann diesen Account, um die Linux-Shell zu starten.

WSL.EXE einsetzen

Mit den späteren Versionen von Windows 10 (21H1+), Windows 11 und Server 2022 ist mit wsl.exe ein Tool vorhanden, das Distributionen aus dem Internet anzeigen, herunterladen und installieren kann.
Hinweis: wsl.exe war schon in früheren Windows 10 und Server 2019 Varianten enthalten, hatte jedoch in limitierteres Funktionsset. Daher werden die nachfolgenden Kommandos nicht alle auf diesen älteren Systemen laufen.

wsl --list --online
Zeigt eine Liste von offiziellen WSL-Images an, die über wsl.exe benutzt werden können.
z.B.: Ubuntu-18.04 oder openSUSE-42

wsl --install -d DISTRONAME
Installiert eine Distribution mit Namen DISTRONAME. Aktuelle Installationsbeispiele sind:

1 wsl --install -d Debian
2 wsl --install -d Ubuntu-16.04
3 wsl --install -d Ubuntu-18.04
4 wsl --install -d Ubuntu-20.04
5 wsl --install -d kali-linux
6 wsl --install -d openSUSE-42
7 wsl --install -d SLES-12

Manuelle Installation (Windows Server, älteres Windows 10)

Unter Windows Server 2019 fehlen die neuen Features von wsl.exe und es ist auch keine Store App vorhanden. Um WSL Distributionen nutzen zu können, muss man die App-Pakete manuell herunterladen, entpacken und ihr Setup ausführen.

Die heruntergeladene .appx Datei ist intern als ZIP Datei aufgebaut und beinhalt die notwendigen Dateien und ein Setup Programm (.exe). Man kann also die .appx Datei in eine .zip Datei umbenennen und mit Tools wie 7-zip entpacken und am Ende die darin liegende EXE Datei ausführen, die die Distribution installiert.

Das ganze geht aber auch über die Windows Konsole cmd.exe:

1 curl -L -o opensuseleap15-2.appx https://aka.ms/wsl-opensuseleap15-2
2 mkdir d:\wsl\opensuse-15
3 tar -xf opensuseleap15-2.appx -C d:\wsl\opensuse-15
4 dir d:\wsl\opensuse-15\*.exe
5 cd d:\wsl\opensuse-15
6 openSUSE-Leap-15.2.exe

Die .exe heißt in jeder Distribution etwas anders, im Falle von OpenSUSE 15 wäre es: openSUSE-Leap-15.2.exe, bei Ubuntu 20.04 wäre es ubuntu2004.exe.

Alternativ kann man die gleichen Schritte auch in der Powershell durchführen:

1 Invoke-WebRequest -Uri https://aka.ms/wslubuntu2004 `
2     -OutFile Ubuntu-20.04.appx -UseBasicParsing
3 Rename-Item .\Ubuntu-20.04.appx .\Ubuntu-20.04.zip
4 mkdir d:\wsl\ubuntu-20.04
5 Expand-Archive .\Ubuntu-20.04.zip d:\wsl\ubuntu-20.04
6 dir d:\wsl\ubuntu-20.04\*.exe
7 cd d:\wsl\ubuntu-20.04
8 ubuntu2004.exe

Mit der manuellen Installation kann man den Installationsort selbst bestimmen, während eine Installation über den Windows Store immer in einem Unterordner von C:\Users\%USERNAME%\AppData\Local\Packages landet.

WSL einsetzen

Eine Windows-Store Installation legt Startmenü Einträge an, über welche man eine Distributions-Shell problemlos starten kann.
Bei einer manuellen Installation kann man die EXE Datei der Distribution direkt nutzen, um eine Shell der Linux Distribution zu starten.
Und wer eine moderen Installation besitzt, kann per wsl.exe die Ausführung anstoßen und auch verscripten.

Linux Prozesse starten

Startet man eine WSL Distribution ohne weitere Parameter, so startet man die Linux-Shell (für gewöhnlich /bin/bash) des dort eingerichteten Benutzers. Und von dort aus kann man manuell jedes andere Linux Tool starten, das man braucht.

Manchmal will man aber einfach nur einen Prozess oder einen Dienst starten. Besonders wenn man einen Ablauf automatisieren möchte oder Windows Scripts nutzt, die ein einzelnes Linux-Kommando ausführen sollen, braucht man eine Möglichkeit, Prozesse ohne die interaktive Shell zu starten.

Prozess mit wsl.exe ausführen.

Hinter dem Kommando wsl.exe -d DISTRONAME kann man das gewünschte Programm und seine Parameter angeben, z.B.: wsl.exe -d Ubuntu-18.04 ip addr

Will man übliche Shell-Befehle verknüpft nutzen, hilft es, dass Kommando mit /bin/bash -c abzusetzen.
Ich nutze diese Methode um meine Jekyll-Instanz für den Blog hochzufahren:

wsl.exe -d Ubuntu-18.04 /bin/bash -c "cd /mnt/d/devel/projects/opengate/blog && bundle exec jekyll serve --host 0.0.0.0"

Prozess mit manuell installierter Distribution starten

Das in der .appx Datei mitgelieferte Programm, das man zum Einrichten der Distribution benutzt, kann auch zum Starten einzelner Prozesse genutzt werden. DISTRO.exe /help gibt meist eine Übersicht über die unterstützten Kommandos zurück.
Meine eingesetzten Distros erlauben die Ausführung nach dem Schema
DISTRO.exe run "linux_command parameter"
wie z.B.: openSUSE-Leap-15.2.exe run "ip addr"
oder
ubuntu1804.exe run "cat /etc/os-release"

WSL Konfiguration

Mit wsl.exe lassen sich auf neueren Installationen jede Menge weitere Einstellungen und Aufgaben erledigen.
Parallel dazu existiert das ältere Programm wslconfig.exe

wsl --set-default DISTRONAME oder wslconfig /setdefault DISTRONAME
macht DISTRONAME zur Standard-Distribution. Ruft man wsl.exe ohne weitere Parameter auf, wird die so gesetzte Default-Distribution gestartet.
wsl --export DISTRONAME archive.tar
exportiert das gesamte Linux-Dateisystem einer Distribution in ein .tar Archiv, das man auf einem anderen System wieder importen kann.
wsl --import DISTRONAME d:\path\to\distro\folder archive.tar
importiert eine als .tar exportierte Linux Distribution.
wsl --set-version DISTRONAME 1
Lässt DISTRONAME mit WSL v1 laufen, womit Linux Prozesse auf dem Windows Host emuliert werden.
wsl --set-version DISTRONAME 2
Lässt DISTRONAME mit WSL v2 laufen, womit die gesamte Linux Umgebung in einer virtualisierten Umgebung läuft.
wsl --set-default-version 1 oder wsl --set-default-version 2
Legt den Standard fest, mit welcher WSL Version neu installierte Linux Distributionen gestartet werden sollen.
wsl --unregister DISTRONAME oder wslconfig /unregister DISTRONAME
Löscht DISTRONAME und sein gesamtes Dateisystem.

Dateien austauschen

In WSL v1 liegt das Linux-Dateisystem lediglich in Unterordnern des Windows Hosts. Kennt man den Windows-Ordner der Distribution, befindet sich darunter ein LocalState\rootfs Unterverzeichnis, in dem die gesamte Linux Verzeichnisstruktur abgebildet ist.

Beispiele dafür liegen unter: C:\Users\%USERNAME%\AppData\Local\Packages\
wie z.B.:

CanonicalGroupLimited.Ubuntu16.04onWindows_79rhkp1fndgsc\LocalState\rootfs
CanonicalGroupLimited.Ubuntu18.04onWindows_79rhkp1fndgsc\LocalState\rootfs
CanonicalGroupLimited.Ubuntu20.04onWindows_79rhkp1fndgsc\LocalState\rootfs
TheDebianProject.DebianGNULinux_76v4gfsz19hv4\LocalState\rootfs
46932SUSE.openSUSELeap42.2_022rs5jcyhyac\LocalState\rootfs
36828agowa338.AlpineWSL_my43bytk1c4nr\LocalState\rootfs

Unter WSL v2 liegen die Dateien in virtuellen Datenträger-Dateien (.vhdx). Man kann jedoch über eine spezielle Netzwerk-Dateifreigabe auf die Distribution zugreifen:
\\wsl$ fungiert als Host für die laufenden Distributionen, wobei jede einzelne Distribution und ihre Dateien wie eine Dateifreigabe adressierbar ist, z.B.: \\wsl$\Ubuntu-18.04\var\log oder \\wsl$\Alpine\etc\os-release.

Innerhalb einer Distribution stehen die Windows Laufwerke als Mount-Point in /mnt zur Verfügung.
/mnt/c/Windows/System32/ verweist dann auf C:\Windows\System32 und /mnt/d/path/to/files ist mit D:\path\to\files gleichzusetzen.

Import und Export

Ist eine WSL Distribution für einen bestimmten Anwendungszweck konfiguriert, kann man sie vollständig in eine .tar Datei exportieren, um sie auf einem anderen System wieder importieren zu können.

Wie bereits im Abschnitt WSL Konfiguration erwähnt, helfen hier die Kommandos wsl --export ... und wsl --import ....

Doch beim Import fehlt ein wichtiger Schritt:

Die neu importierte Konfiguration startet immer als root Benutzer.

Die Daten des Benutzerkontos sind zwar im Dateisystem vorhanden, wurden dem neuen WSL Host aber noch nicht kommuniziert.
Leider gibt es aktuell kein Standard-Werkzeug, um dies durchzuführen.

Die interne Funktion WslConfigureDistribution in der Bibliothek wslapi.dll erlaubt das Festlegen der Linux User ID (UID), doch diese wird nur von den Installern der Distributionen aufgerufen. Ein entsprechendes Befehlszeilenkommando wurde noch nicht veröffentlicht.

Wie so oft lässt sich die DefaultUid über die Windows Registry konfigurieren. Unterhalb des Schlüssels
HKEY_CURRENT_USER\SOFTWARE\Microsoft\Windows\CurrentVersion\Lxss befinden sich Schlüssel mit GUIDs für jede einzelne WSL Distribution. Darunter liegen Werte wie:

DistributionName über welchen man den Namen zur Distribution sieht.
DefaultUid, welche die UID als DWORD speichert.

Fehlt die DefaultUid Einstellung oder hat sie den Wert 0 wird die Distribution als root gestartet.
Üblicherweise sollte hier der Wert 1000 (oder 0x000003e8) stehen, das ist in der Regel die ID des ersten erzeugten Benutzeraccounts.

Man kann in der importieren Distribution auch als root per
cat /etc/passwd die Benutzer und der UIDs auflisten und dann den entsprechenden Wert in die Registry eintragen.

Docker Image in WSL importieren

Beim Export und Import von WSL Distributionen wird einfach das gesamte Dateisystem als .tar Datei gespeichert.
Tatsächlich werden auch alle WSL Distributionen einfach nur als .tar exportiert, der Installer importiert dann dieses Dateisystem und lässt danach einige Konfigurationsskripte (wie User anlegen, Defaults setzen) laufen.

Auf diese Weise können wir aus jedem Linux-Dateisystemabbild eine WSL Distribution erstellen.

Mit dem Kommando
docker save -o image.tar docker-image-tag lassen sich Docker Images ebenfalls als .tar Dateien exportieren.
Diese Docker .tar Archive speichern jedoch mehrere Dateien, aber auch weitere TAR Archive (ohne .tar Erweiterung), die das root-Dateisystem beinhanlten.

 1exported-docker-image.tar
 2 |
 3 +-blobs
 4 |  |
 5 |  +-sha256
 6 |     |
 7 |     +-abcdefg_metainfos-json_123456789
 8 |     |
 9 |     +-123456789_linux-rootfs-layer-tar_abcdefg
10 |
11 +-index.json

In index.json findet man den Hash, der als Dateinamen im blobs/sha256 Verzeichnis angelegt ist und darin sind die Hashes der Dateisystem-Layer des Docker Images abgelegt.
Man kann sich die Sache aber auch leichter manchen und einfach die größten Dateien im blobs/sha256 ansehen. Das sind dann nämlich genau die Layer.

Lädt man sich Basis-Docker-Images herunter (z.B.: docker pull debian:9-slim), so bestehen diese in der Regel aus genau einem Layer (also einer großen Hash-TAR Datei).
Mit Tools (wie z.B.: 7zip) lässt sich diese Datei extrahieren und als .tar abspeichern.

Und genau diese .tar Datei wird dann per wsl --import als neue Distribution angelegt.
Auf diese Weise können sehr leicht neue Distributionen erstellt werden, für die es keine offiziellen Images oder Installer gibt.

Weiterführende Links

Fortsetzung folgt…

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