我們該如何定義 Unikernel 以及它的存在？
本文介紹了一種新的應(yīng)用虛擬化技術(shù)，它讓應(yīng)用及其所依賴的運(yùn)行環(huán)境、甚至是連內(nèi)核一起打包，直接運(yùn)行在硬件或是Hypervisor上，從而更加高效的利用計(jì)算機(jī)資源。非常有意思，推薦給大家。
如果你持續(xù)關(guān)注DevOps周刊，DevOps主題的會(huì)議或是對(duì)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(gè)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(gè)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(jī)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(yùn)行應(yīng)用，而這些棧和庫對(duì)應(yīng)于操作系統(tǒng)中運(yùn)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(Unikernel)可以直接在虛擬機(jī)管理程序(hypervisor)或硬件上運(yùn)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(duì)嗎?
好吧，如果是我，或許以上并沒有說太多。接下來是我對(duì)Unikernel的解釋。
首先讓我們跟著這里例子回顧一下。假設(shè)你是一個(gè)開發(fā)者在寫PHP應(yīng)用。當(dāng)你運(yùn)行你的PHP(其他Ruby、Node、Perl均類似)應(yīng)用，你本質(zhì)上是在運(yùn)行：
- 語言解釋器：PHP、Perl、Ruby、...
- 調(diào)用操作系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)別的API
- 其中的一些API調(diào)用需要不同級(jí)別的權(quán)限，強(qiáng)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(yùn)行在操作系統(tǒng)上，例如CentOS、Debian、Ubuntu、...
- 或許是運(yùn)行在VM上，例如VMware、Xen、KVM、...
- 或許是運(yùn)行在自己的虛擬化管理系統(tǒng)上，例如ESXi、Xen Hypervisor...
- 依次運(yùn)行在硬件上
- 通過BIOS或UEFI來引導(dǎo)
說老實(shí)話，如果你在抽象一個(gè)應(yīng)用程序構(gòu)建所需的所有層次，這會(huì)是一個(gè)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(shí)到，在提供應(yīng)用運(yùn)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(yùn)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(shí)就像看到單應(yīng)用硬件一樣。 |
Unikernel試圖抹去現(xiàn)代操作系統(tǒng)帶來的一些復(fù)雜性。因?yàn)?ldquo;通用”的操作系統(tǒng)(就像任何Linux和Windows的發(fā)行版)，通常會(huì)伴隨著帶來一些對(duì)你的應(yīng)用來說并不需要的驅(qū)動(dòng)、依賴包、服務(wù)、等等，但這些對(duì)每一個(gè)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(dòng)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(huì)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：
(來源：road_to_unikernels)
Unikernel對(duì)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(yùn)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(dòng)。
- 占用很小空間：想象一下能夠抹去95%內(nèi)核的大小，因?yàn)槟愕膽?yīng)用不需要那些。
- 定制的實(shí)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(yùn)行Unikernel實(shí)例(就像運(yùn)行一個(gè)Docker實(shí)例一樣)，啟動(dòng)時(shí)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(yùn)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(gè)Unikernel。
為此，要使用庫操作系統(tǒng)(LibOS)。一個(gè)庫操作系統(tǒng)會(huì)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(dòng)和庫，這樣你就不需要重復(fù)發(fā)明像TCP棧、持久存儲(chǔ)層等這類東西。
Unikernel是用高級(jí)語言定制的操作系統(tǒng)內(nèi)核，并且作為獨(dú)立的軟件構(gòu)件。完整的應(yīng)用(或應(yīng)用系統(tǒng))作為一個(gè)分布式系統(tǒng)運(yùn)行在一套u(yù)nikernels上。
MirageOS基于OCaml語言并且讓unikernels運(yùn)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(yùn)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(jī)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(gè)完全獨(dú)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(shí)現(xiàn)的庫操作系統(tǒng)VM，并且會(huì)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(yùn)行一個(gè)Unikernel，精簡專屬的操作系統(tǒng)，來運(yùn)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(jí)?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(yùn)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(yùn)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(shí)可以彌補(bǔ)這點(diǎn)中間層的開銷。
誰應(yīng)該使用Unikernel?
實(shí)話實(shí)說，這個(gè)問題的答案對(duì)我來說還并不明確。我認(rèn)為說如果你現(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(gè)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(duì)我們來說還完全陌生的一個(gè)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(huì)以新的規(guī)范一樣來部署Unikernel。目前，我認(rèn)為它針對(duì)一小部分想要相當(dāng)專業(yè)和安全應(yīng)用的用戶。對(duì)于大多數(shù)普通用戶，虛機(jī)(或是，如果你走在技術(shù)前沿一定會(huì)明白：Docker容器)或許才是你應(yīng)該專注的。
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