ユニカーネル

ユニカーネルは、依存するオペレーティングシステムのコードと静的にリンクされたコンピュータプログラムの一種です。ユニカーネルは、プログラムが使用するオペレーティングシステムのサービスを識別し、それらを提供する1つ以上のライブラリオペレーティングシステムとリンクする特殊なコンパイラを使用して構築されます。このようなプログラムは、別途オペレーティングシステムを必要とせず、代わりにハイパーバイザのゲストとして実行できます。^{[ 1 ]}

ユニカーネルアーキテクチャは、1990年代後半にExokernelとNemesisによって開発された概念に基づいて構築されている。

ライブラリオペレーティングシステムでは、保護境界がハードウェアの最下層にまで押し下げられ、その結果、以下のことが起こります。

1. ハードウェアを駆動したり、ネットワークプロトコルを通信したりするために必要なメカニズムなどを実装するライブラリ群。
2. アプリケーション層におけるアクセス制御と分離を強制する一連のポリシー。

ライブラリOSアーキテクチャは、従来のOS設計と比較して、いくつかの利点と欠点があります。利点の1つは、アドレス空間が1つしかないため、ユーザー空間とカーネル空間の間でデータを移動するために特権遷移を繰り返す必要がないことです。したがって、ライブラリOSは、ユーザーモードとカーネルモードを遷移することなくハードウェアに直接アクセスできるようにすることで、パフォーマンスを向上させることができます（従来のカーネルでは、この遷移は単一のTRAP命令^{[ 2 ]で構成され、コンテキストスイッチ[ 3 ]}とは異なります）。ユーザー空間とカーネル空間の間でデータをコピーする必要がなくなることでパフォーマンスが向上する可能性がありますが、これは従来のオペレーティングシステムのゼロコピーデバイスドライバでも可能です。

欠点としては、分離がないため、強力なリソース分離を備えたライブラリ OS で複数のアプリケーションを並行して実行しようとすると複雑になる可能性があることです。^{[ 4 ]}さらに、ライブラリ OS が動作する特定のハードウェア用のデバイス ドライバが必要です。ハードウェアは急速に変化するため、ドライバを最新の状態に保つために定期的に書き換えるという負担が生じます。

OS仮想化は、汎用ハードウェアにおけるこれらの欠点のいくつかを克服できます。最新のハイパーバイザは、仮想マシンに CPU 時間と強力に分離された仮想デバイスを提供します。仮想マシンとして実行されるライブラリ OS は、これらの安定した仮想ハー​​ドウェア デバイスのドライバを実装するだけでよく、実際の物理ハードウェアの駆動はハイパーバイザに任せることができます。ただし、従来のオペレーティングシステムのサービスを置き換えるには、プロトコル ライブラリが依然として必要です。最新のライブラリ OS を実装する際、作業の大部分はこれらのプロトコル ライブラリの作成にあります。^{[ 1 ]}さらに、ハイパーバイザへの依存は、ユニカーネルとハイパーバイザの切り替え時、およびハイパーバイザの仮想デバイスとの間でデータを渡す際に、パフォーマンス オーバーヘッドを再導入する可能性があります。

ユニカーネルは展開されるコードの量を減らすことで、必然的に攻撃対象領域を減らし、セキュリティ特性を向上させます。^{[ 5 ] [ 6 ]}

ユニカーネルベースのメッセージングクライアントの例は、Linux を使用した同等のコードベースの約 4% のサイズである。^{[ 7 ]}

その構造上の性質上、デバイスドライバとアプリケーションロジック全体にわたってシステム全体の最適化を実行することが可能であり、それによって特殊化が改善されます。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}例えば、ユニカーネル上で動作するnginx、SQLite、Redisなどの市販アプリケーションは、1.7倍から2.7倍のパフォーマンス向上を示しています。^{[ 11 ]}

ユニカーネルは、リクエストがタイムアウトする前に受信リクエストに応答できるほど非常に高速に起動することが定期的に示されています。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

ユニカーネルは、サービス指向型またはマイクロサービス型のソフトウェアアーキテクチャに準拠したシステムの構築に適しています。

ユニカーネルは高度に特化しているため、従来のオペレーティングシステムが使用されるような汎用的なマルチユーザーコンピューティングには適していません。コンパイル済みのユニカーネルに機能を追加したり変更したりすることは一般的に不可能であり、代わりに、必要な変更を加えた新しいユニカーネルをコンパイルして展開するというアプローチが取られます。

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