# yaya **Repository Path**: iloverust/yaya ## Basic Information - **Project Name**: yaya - **Description**: Yaya 纳米内核 基于 libOS 架构的高性能纳米内核，提供直接硬件访问和零开销抽象。 - **Primary Language**: Unknown - **License**: MulanPSL-2.0 - **Default Branch**: master - **Homepage**: None - **GVP Project**: No ## Statistics - **Stars**: 1 - **Forks**: 0 - **Created**: 2025-10-04 - **Last Updated**: 2025-10-19 ## Categories & Tags **Categories**: Uncategorized **Tags**: 芽雅 ## README # Yaya 纳米内核 基于 libOS 架构的高性能纳米内核，提供直接硬件访问和零开销抽象。 ## 项目概述 Yaya 是一个实现纳米内核架构原理的库操作系统（libOS）。与传统微内核不同，Yaya 将操作系统功能作为静态链接库提供，使应用程序能够在保持系统级抽象的同时实现裸机性能。 **核心特性：** - 零系统调用开销 - 直接硬件访问 - 单一地址空间执行 - 编译时服务组合 - Rust 内存安全实现 ## 系统架构 ### 纳米内核设计原理 Yaya 实现了真正的纳米内核架构，具有以下特征： - **最小内核表面**：仅提供必要的硬件抽象和调度功能 - **基于库的服务**：所有操作系统服务都作为编译时链接库提供 - **零拷贝操作**：直接内存映射和硬件访问 - **静态组合**：服务依赖关系在编译时解析 ### 核心组件 ``` 硬件层 ↑ HAL（硬件抽象层） ↑ 纳米内核（最小调度器 + 内存管理器） ↑ 服务库（静态链接） ↑ 应用程序 ``` #### 1. 硬件抽象层（HAL） - CPU 管理（x86_64、ARM64、RISC-V） - 内存管理单元（MMU）接口 - 中断和异常处理 - 设备驱动框架 #### 2. 纳米内核核心 - 最小任务调度器 - 内存保护域 - 域间通信 - 硬件资源仲裁 #### 3. 服务库 - **内存服务**：零拷贝分配，NUMA 感知 - **进程服务**：轻量级线程，异步执行 - **网络服务**：集成 net-next-nuse 用户空间网络 - **存储服务**：直接 I/O，绕过内核 - **图形服务**：GPU 直接访问，计算着色器 #### 4. 网络栈集成（net-next-nuse） - **用户空间 TCP/IP**：完整的用户空间网络栈 - **零拷贝网络**：直接数据包缓冲区访问 - **DPDK 集成**：高性能数据包处理 - **自定义协议支持**：可扩展协议框架 - **硬件卸载**：网卡特性利用 ## 快速开始 ### 基础应用 ```rust #![no_std] #![no_main] use yaya::prelude::*; use yaya::network::nuse::*; #[yaya::main] async fn main() -> Result<()> { // 初始化集成 net-next-nuse 的纳米内核 let kernel = Nanokernel::init()?; // 初始化用户空间网络栈 let mut nuse = NetNextNuse::new(NuseConfig { dpdk_enabled: true, zero_copy: true, offload_features: HardwareOffload::all(), })?; // 创建高性能 TCP 套接字 let socket = nuse.tcp_socket()?; socket.bind("0.0.0.0:8080").await?; socket.listen(1024).await?; // 零拷贝数据包处理循环 loop { let conn = socket.accept().await?; let buffer = kernel.memory().allocate_dma(65536)?; // 无内核参与的直接数据包访问 let packet = conn.receive_zero_copy(&buffer).await?; conn.send_zero_copy(packet).await?; } } ``` ### 高级网络特性 ```rust use yaya::network::nuse::{CustomProtocol, PacketProcessor}; // 自定义协议实现 struct MyProtocol; impl CustomProtocol for MyProtocol { fn process_packet(&mut self, packet: &mut Packet) -> Result { // 直接数据包操作 packet.headers_mut().set_custom_field(0x42); Ok(Action::Forward) } } // 硬件加速数据包处理 let processor = PacketProcessor::new() .with_protocol(MyProtocol) .with_hardware_offload(true) .with_numa_affinity(0)?; processor.start_processing().await?; ``` ### 性能特征 | 指标 | 传统操作系统 | 微内核 | **Yaya + net-next-nuse** | |------|-------------|--------|---------------------------| | 系统调用开销 | ~100ns | ~200ns | **0ns** | | 上下文切换 | ~1μs | ~2μs | **~50ns** | | 网络延迟 | ~10μs | ~15μs | **~2μs** | | 数据包处理 | 1M pps | 0.5M pps | **10M+ pps** | | 内存延迟 | +20% | +30% | **+0%** | | TCP 吞吐量 | 基准线 | -15% | **+300%** | ### 网络性能特性 - **DPDK 集成**：每秒处理 1000 万+ 数据包 - **零拷贝网络**：消除网络路径中的内存拷贝 - **硬件卸载**：TCP/UDP 校验和、分段、RSS - **自定义协议**：无需内核修改即可实现协议 - **NUMA 感知**：针对多插槽系统优化 ### 编译模型 ``` 应用程序源码 ↓ 静态分析与优化 ↓ 服务组合 ↓ 硬件特定代码生成 ↓ 单一二进制文件（应用 + 纳米内核） ``` ## 项目结构 ``` yaya/ ├── Cargo.toml # 主项目配置 ├── build.rs # 构建时代码生成 ├── src/ │ ├── lib.rs # 纳米内核 API 接口 │ ├── nanokernel/ # 核心纳米内核实现 │ │ ├── scheduler.rs # 最小任务调度器 │ │ ├── memory.rs # 内存保护域 │ │ └── ipc.rs # 域间通信 │ ├── hal/ # 硬件抽象层 │ │ ├── x86_64/ # x86_64 特定代码 │ │ ├── aarch64/ # ARM64 特定代码 │ │ └── riscv64/ # RISC-V 特定代码 │ ├── services/ # 服务库实现 │ │ ├── memory/ # 零拷贝内存管理 │ │ ├── network/ # net-next-nuse 集成 │ │ │ ├── nuse/ # 用户空间网络栈 │ │ │ ├── dpdk/ # DPDK 绑定 │ │ │ ├── protocols/ # TCP/UDP/自定义协议 │ │ │ └── offload/ # 硬件加速 │ │ ├── storage/ # 直接 I/O 存储 │ │ └── graphics/ # GPU 计算和渲染 │ └── runtime/ # 应用运行时 │ ├── allocator.rs # 自定义分配器 │ ├── panic.rs # 恐慌处理器 │ └── entry.rs # 应用程序入口点 ├── examples/ │ ├── hello_world/ # 基础纳米内核应用 │ ├── nuse_tcp_server/ # net-next-nuse TCP 服务器 │ ├── nuse_packet_filter/ # 使用 DPDK 的自定义协议 │ ├── nuse_load_balancer/ # 零拷贝负载均衡器 │ ├── compute_shader/ # GPU 计算示例 │ └── realtime_audio/ # 实时音频处理 └── benches/ # 性能基准测试 ├── syscall_overhead.rs ├── memory_latency.rs └── network_throughput.rs ``` ## 构建系统 ### 环境准备 ```bash # 安装 Rust nightly（no_std 特性需要） rustup install nightly rustup component add rust-src --toolchain nightly # 安装目标架构支持 rustup target add x86_64-unknown-none rustup target add aarch64-unknown-none ``` ### 构建应用程序 ```bash # 为 x86_64 裸机构建 cargo +nightly build --target x86_64-unknown-none --release # 使用 net-next-nuse 网络功能构建 cargo +nightly build --features "nuse,dpdk,hardware-offload" --release # 构建所有功能 cargo +nightly build --features "nuse,graphics,compute" --release # 为 ARM64 交叉编译并启用网络功能 cargo +nightly build --target aarch64-unknown-none --features "nuse" --release ``` ### net-next-nuse 配置 ```toml # Cargo.toml [dependencies] yaya = { version = "0.1", features = ["nuse"] } [features] default = ["nuse"] nuse = ["net-next-nuse", "dpdk"] dpdk = ["dpdk-sys"] hardware-offload = ["nuse", "nic-offload"] custom-protocols = ["nuse", "protocol-framework"] ``` ### DPDK 环境配置 ```bash # 安装 DPDK 依赖 sudo apt install dpdk dpdk-dev # 为 DPDK 配置大页内存 echo 1024 | sudo tee /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages # 将网络接口绑定到 DPDK sudo dpdk-devbind.py --bind=uio_pci_generic eth0 ``` ### 部署目标 - **裸机**：直接硬件执行 - **虚拟机管理程序**：Type-1 虚拟机管理程序客户机 - **容器**：轻量级容器运行时 - **UEFI**：直接从 UEFI 固件启动 ## 性能优化 ### 编译时优化 - 死代码消除 - 全程序优化 - 配置文件引导优化（PGO） - 链接时优化（LTO） ### 运行时特性 - 无锁数据结构 - NUMA 感知内存分配 - CPU 亲和性管理 - 硬件加速密码学 ## 应用场景 - **高频交易**：超低延迟金融系统 - **网络功能**：软件定义网络、数据包处理 - **实时系统**：工业控制、自动驾驶车辆 - **边缘计算**：物联网网关、边缘 AI 推理 - **GPU 计算**：机器学习、科学计算 ## 性能基准测试 ```bash # 运行性能基准测试 cargo +nightly bench # 特定基准测试类别 cargo +nightly bench -- syscall cargo +nightly bench -- memory cargo +nightly bench -- network ``` ## 安全保证 - **内存安全**：Rust 所有权模型防止缓冲区溢出 - **类型安全**：服务接口的编译时验证 - **能力安全**：硬件资源访问控制 - **形式化验证**：关键路径通过模型检查验证 ## 开源许可 木兰宽松许可证（MulanPSL v2） --- **Yaya 纳米内核** - 零开销操作系统库