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你知道到底什么是Unikernel嗎

系統(tǒng) 系統(tǒng)運維
Unikernel是通過使用專門的庫操作系統(tǒng)來構(gòu)建的單地址空間機器鏡像。開發(fā)者通過選擇棧模塊和一系列最小依賴庫來運行應(yīng)用,而這些棧和庫對應(yīng)于操作系統(tǒng)中運行應(yīng)用所必需的依賴。也許在今后的5至10年,我們會以新的規(guī)范一樣來部署Unikernel。

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如果你持續(xù)關(guān)注DevOps周刊,DevOps主題的會議或是對技術(shù)真正感興趣,你也許已經(jīng)聽說Unikernel很多次了。在過去的幾個月,它似乎越來越受關(guān)注。

  然而,究竟什么是Unikernel? 它是我想要的東西嗎?

  我糾結(jié)這個問題許久。不知如何定義Unikernel以及它存在的意義?

  什么是Unikernel?

  真相的來源僅僅是Wikipedia上的一段晦澀的解釋,我們先看看:

  Unikernel是通過使用專門的庫操作系統(tǒng)來構(gòu)建的單地址空間機器鏡像。開發(fā)者通過選擇棧模塊和一系列最小依賴庫來運行應(yīng)用,而這些棧和庫對應(yīng)于操作系統(tǒng)中運行應(yīng)用所必需的依賴。

  這些庫負(fù)責(zé)應(yīng)用和配置代碼編譯,構(gòu)建成封閉的、固定用途的鏡像(即Unikernel),可以直接在虛擬機管理程序hypervisor或硬件上運行,不需要類似Linux或Windows的操作系統(tǒng)介于其中。

  ---- 維基百科:Unikernel

  都清楚了,對嗎?

  好吧!如果是我,或許以上并沒有說太多。接下來是我對Unikernel的解釋。

  首先,讓我們跟著這里的例子回顧一下。假設(shè)你是一個開發(fā)者在寫PHP應(yīng)用。當(dāng)你運行你的PHP(其他Ruby、Node、Perl均類似)應(yīng)用,你本質(zhì)上是在運行:

  ◆語言解釋器:PHP、Perl、Ruby、...

  ◆調(diào)用操作系統(tǒng)中系統(tǒng)級別的API。

  ◆其中的一些API調(diào)用需要不同級別的權(quán)限,強制切換應(yīng)用程序的上下文...(用戶空間 vs. 內(nèi)核空間)。

  ◆所有運行在操作系統(tǒng)上,例如CentOS、Debian、Ubuntu、...

  ◆或許是運行在VM上,例如VMware、Xen、KVM、...

  ◆或許是運行在自己的虛擬化管理系統(tǒng)上,例如ESXi、Xen Hypervisor...

  ◆依次運行在硬件上

  ◆通過BIOS或UEFI來引導(dǎo)

  說老實話,如果你在抽象一個應(yīng)用程序構(gòu)建所需的所有層次,這會是一個奇跡般的工作。

  但是他們做到了。并且做得非常好,有較好的性能。但是你必須認(rèn)識到,在提供應(yīng)用運行環(huán)境的硬件到應(yīng)用程序本身存在許多層。

  那就是Unikernel試圖解決的:刪除應(yīng)用與硬件中間臃腫的部分。讓最“精簡”的操作系統(tǒng)運行你的代碼。

  這里有一篇論文總結(jié)得非常好:

  Unikernel的愿景:當(dāng)你看到云客戶端時就像看到單應(yīng)用硬件一樣。

  - The Rise and Fall of the Operating System

  Unikernel試圖抹去現(xiàn)代操作系統(tǒng)帶來的一些復(fù)雜性。因為“通用”的操作系統(tǒng)(就像任何Linux和Windows的發(fā)行版),通常會伴隨著帶來一些對你的應(yīng)用來說并不需要的驅(qū)動、依賴包、服務(wù)、等等,但這些對每一個操作系統(tǒng)來說某種程度上又是必需的。

  甚至是在Linux內(nèi)核的核心模塊都并不是需要每一次都完全加載。像USB驅(qū)動這類東西在虛擬化的“云”環(huán)境被認(rèn)為是無用的,但仍然會被包含在內(nèi)核中。

  相比容器和虛擬化,Unikernel所呈現(xiàn)的演進(jìn)如下圖:

  unikernels

  Unikernel對比通用的操作系統(tǒng),例如Linux有許多優(yōu)勢:

  ◆安全性的提升:只運行操作系統(tǒng)的核心,廢棄掉那些可能是干擾源的視頻和USB驅(qū)動。

  ◆占用很小空間:想象一下能夠抹去95%內(nèi)核的大小,因為你的應(yīng)用不需要那些。

  ◆定制的實現(xiàn):深諳應(yīng)用并且把內(nèi)核精簡調(diào)整到你想要的部分。

  ◆ 快速精準(zhǔn)的運行Unikernel實例(就像運行一個Docker實例一樣),啟動時間少于1s。

  這樣,我們非常自然的把Unikernel當(dāng)作是微服務(wù)的備選方案。

  用Unikernel抹去復(fù)雜的中間層

  如果你運行應(yīng)用之后想要它的開銷是最小的,那你就可能要考慮制作一個Unikernel。

  為此,要使用庫操作系統(tǒng)LibOS。一個庫操作系統(tǒng)會給你提供構(gòu)建自己的Unikernel的方式。最值得關(guān)注的是MirageOS(術(shù)語“unikernel”的創(chuàng)造者)和Rump Kernels。兩者本質(zhì)上都是一系列標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動和庫,這樣你就不需要重復(fù)發(fā)明像TCP棧、持久存儲層等這類東西。

  Unikernel是用高級語言定制的操作系統(tǒng)內(nèi)核,并且作為獨立的軟件構(gòu)件。完整的應(yīng)用(或應(yīng)用系統(tǒng))作為一個分布式系統(tǒng)運行在一套unikernels上。

  MirageOS基于OCaml語言并且讓unikernels運行在Xen hypervisor上。

  -- queue.acm.org: Unikernels: Rise of the Virtual Library Operating System

  目前***的用來寫unikernel的語言是:

  ◆Rust

  ◆Go (or 'golang')

  ◆OCaml

  ◆Haskell

  這些并不都是新的編程語言。除了Go和Rust,其他均有超過15年的歷史。

  為了使操作系統(tǒng)和應(yīng)用運行得更加流暢,這些unikernel庫需要使用內(nèi)核部分盡可能小。

  現(xiàn)在,由于虛擬化技術(shù),像Xen或VMware這類虛機管理系統(tǒng)(注*:原Operating System)把異構(gòu)的硬件設(shè)備抽象成一堆標(biāo)準(zhǔn)的虛擬化設(shè)備,unikernel也能為定制的虛擬設(shè)備而優(yōu)化。

  Unikernel利用虛擬化的優(yōu)勢創(chuàng)造出一種專屬的經(jīng)過優(yōu)化的操作系統(tǒng)。

  想要編譯應(yīng)用程序的“unikernel”,需要依賴MirageOS的庫和OCaml語言,結(jié)果像這樣:

  編譯器輸出一個完全獨立的內(nèi)核取代Unix可執(zhí)行文件。這些unikernels是只為滿足特定的應(yīng)用程序和配置文件而實現(xiàn)的庫操作系統(tǒng)VM,并且會依賴hypervisor提供的資源復(fù)用和隔離。

  --- queue.acm.org: Unikernels: Rise of the Virtual Library Operating System

  最終你通過運行一個Unikernel,精簡專屬的操作系統(tǒng),來運行你應(yīng)用程序的一部分。如果你的應(yīng)用和配置需要更新,你需要重新編譯你的源碼來生成新的Unikernel并部署新版本。如果是新的安全升級?也同樣需要重新編譯和部署。

  這將使部署的協(xié)調(diào)和編排更加困難,但好處是運行應(yīng)用程序更加高效。

  構(gòu)建不可變的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的關(guān)鍵在于:應(yīng)用程序不再保存狀態(tài),并且能方便地丟棄和重新構(gòu)建。

  一方面,我們可以讓Unikernel運行在Docker容器中,但是是否應(yīng)該盡量避免增加其他復(fù)雜的中間層?另一方面,Docker在使用和部署上的優(yōu)勢確實可以彌補這點中間層的開銷。

  誰應(yīng)該使用Unikernel?

  實話實說,這個問題的答案對我來說還并不明確。我認(rèn)為如果你現(xiàn)在是要在WordPress上部署web應(yīng)用,使用Unikernel也許還有一定的鴻溝。

  另一方面,Unikernel的好處是明顯的,但需要一個完全不同的模式來管理你的基礎(chǔ)設(shè)施,一組不同的技能來構(gòu)建這類的應(yīng)用和內(nèi)核并且需要深諳目前對我們來說還完全陌生的一個概念:不可變的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)。

  也許在今后的5至10年,我們會以新的規(guī)范一樣來部署Unikernel。目前,我認(rèn)為它針對一小部分想要相當(dāng)專業(yè)和安全應(yīng)用的用戶。對于大多數(shù)普通用戶,虛機(或是,如果你走在技術(shù)前沿一定會明白:Docker容器)或許才是你應(yīng)該專注的。

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責(zé)任編輯:武曉燕 來源: DockerOne
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