石磊-组件化多模式操作系统内核的实践v.04.pdf

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1、组件化多模式内核设计与实践石磊泉城实验室安全操作系统联合创新中心2024.3.30纲要 组件化内核开源项目的发展概况-目标特点-构成方式-当前状态 组件化支持模式内核的设计实践-面临问题-解决思路-下步想法组件化内核开源项目ArceOSrcore-os/arceos:An experimental modular OS written in Rust.()ArceOS是清华大学陈渝教授和他的学生贾越凯博士发起的一个开源的组件化OS项目，最初目标是研究和实践基于Rust语言开发组件化的安全操作系统的理论和方法。目前开源项目团队已经具备一定规模，参与者来自高校(清华大学)、研究机构(泉城实验室)、

2、企业(乾云、国汽智联等)，也包括对操作系统感兴趣的很多个人。希望通过开源协作的方式联合产学研各类型机构的力量和各自优势，探索OS生态建立的方式，向实用化逐步迈进。组件化内核的意义通过对现有的典型OS内核的分析和我们对多种模式内核的实践，发现：即使不同模式的OS内核乃至它们的具体实现之间，也存在很多共性的部分；但是在实际OS开发实践过程中，往往进行重复劳动，即使想到去复用其它实践已经形成的成果，也要付出较大的代价。抽取功能形成组件抽取共性功能并封装为独立组件，进而形成组件仓库，以此为基础，形成另外一种的内核开发形式：可以选择适当的组件，采取适合的组合方式，来构建各种模式的内核。这种方式将在内核开

3、发的效率、内核产品可靠性等方面都带来显著的提升，并且有利于内核开发者之间基于组件的协作。最简单OS架构1.单特权级2.单地址空间组件仓库约束范围建立初始组件集合1.语言级安全支持 类型/内存/并发安全2.组件=crate,接口=trait3.dependencies+features 选择与组合组件安全支持组件支持ArceOS开源项目组件化设计多模式支持基于Rust语言从Unikernel起步组合方式Unikernel模式设计目标和特点宏内核模式Hypervisor模式宏内核Hypervisor扩展组件扩展组件ArceOS组件化系统构成整体到局部按组件类型面向场景与应用内核构建源于场景需求，场

4、景组件为根，以此起点，按依赖关系逐级关联组件，形成单向依赖的近似树形的组件集合；并寻求满足应用运行需求的最小组件集合。ArceOS整体子系统组件模块模块组件模块模块子系统组件模块模块组件模块模块系统构成主干组件主干组件主干组件功能组件功能组件互备功能组件场景组件组件组件组件组件主干组件:承上启下逐级启动，负责组织当前阶段的功能组件进行初始化。功能组件:对应OS功能。有些功能包含多个备选，根据配置进行选择。主干启动过程最后一步进入应用入口。组件是基本元素，通过接口访问。组件按照功能相关形成子系统，进而子系统构成ArceOS组件库。组件内部由一系列模块构成，模块接口仅服务于内部，不公开。系统构成-

5、主要子系统和组件公开接口基础框架modules算法/策略cratesaxtask内存管理任务调度spawnyieldaxMod/api.rsallocatorsched_fifosched_rrsched_cfstlsfbuddyslabbyte_allocaxallocpage_allocschedulerexit设备管理axdriverinit_driversDriverProbemmio/pci/driver_pcidriver_virtio块设备驱动文件系统网卡驱动ramdiskvirtio-blkdriver_blockbcm2835sdhciBlockDriverOpsixgbev

6、irtio-netdriver_netdriver_virtioNetDriverOpsaxnet网络协议栈axsyncsmoltcptcp socketudp socketaxfsaxfs_vfsaxfs_ramfsaxfs_devfsfile_opsdir_ops核心组件仓库Hypervisor虚拟化Unikernel 组合方式宏内核 组合方式Hypervisor 组合方式ArceOS UnikernelOS相关OS无关LinuxRust for Linux组件组件复用扩展组件仓库ArceOS宏内核unikernel多进程组件linux syscall多地址空间特权级扩展组件仓库进程底层组