快速上手 Multikernel

什么是 Multikernel Linux？

Multikernel 将 Linux 内核分离为多个独立实例，在同一台物理机器上同时运行。你的应用程序获得属于自己的内核，拥有专用 CPU、内存，且不受任何中断干扰。设备驱动与 I/O 处理运行在独立核心上的另一个内核中。无需虚拟机管理程序，原生性能。

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│   Web Server    │  │    Database     │  │   ML Training   │
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│  Linux Kernel   │  │  Linux Kernel   │  │  Linux Kernel   │
│  (Web-tuned)    │  │  (I/O-optimized)│  │  (GPU-optimized)│
├─────────────────┤  ├─────────────────┤  ├─────────────────┤
│   CPU + NIC     │  │   CPU + NVMe    │  │   CPU + GPU     │
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每个工作负载都运行在拥有定制配置的独立内核中，与其他实例完全隔离。某个实例中的驱动崩溃或内核漏洞利用无法影响其他实例。可以在运行时使用标准 Linux 热插拔机制在各内核之间重新平衡资源。

1 构建 Multikernel 内核

克隆支持 multikernel 的 Linux 内核，并开启 CONFIG_MULTIKERNEL 和 CONFIG_MKTTY 进行构建。

git clone https://github.com/multikernel/linux.git
cd linux
cp /boot/config-$(uname -r) .config  # 以当前运行内核的配置为起点
make menuconfig  # Enable CONFIG_MULTIKERNEL=y and CONFIG_MKTTY=y
make -j$(nproc)
sudo make modules_install
sudo make install

这样会生成一个带有 multikernel 扩展的标准 Linux 内核。它会作为你的常规内核运行，并且还能额外生成新的内核实例。

2 加载 Lazy CMA 模块

子内核需要连续的物理内存。Lazy CMA 是一个树外（out-of-tree）内核模块，可在运行时完成分配：无需启动参数，无需重启，也无需提前规划容量。

git clone https://github.com/multikernel/lazy_cma.git
cd lazy_cma
make
sudo insmod lazy_cma.ko

加载模块后会创建 /dev/lazy_cma。Kerf 会直接通过它分配内存池，因此无需其他配置。内存池可调整大小、支持 NUMA 感知，并可在 /proc/iomem 中查看。

3 安装 Kerf 管理工具

Kerf 是用于创建、配置和管理 multikernel 实例的命令行工具，负责资源分配、内核加载以及实例生命周期管理。

git clone https://github.com/multikernel/kerf.git
cd kerf
pip install -e .

4 启动你的第一个实例

初始化资源池，创建实例，然后将其启动：

# Initialize: CPUs 4-31 and an 8 GB memory pool (allocated via lazy_cma)
kerf init --cpus=4-31 --memory=8GB

# Create an instance with 4 CPUs and 2 GB of memory
kerf create web-server --cpus=4-7 --memory=2GB

# Load a kernel that boots straight into a Docker image (via DAXFS)
kerf load web-server --kernel=/boot/vmlinuz --image=nginx:latest

# Boot the instance
kerf exec web-server

子内核会在分配到的 CPU 和内存上启动，直接运行在硬件之上。它拥有自己的调度器、自己的网络协议栈，以及对分配给它的设备的独立视图。

使用 --image 时，kerf 会从 Docker 镜像构建 DAXFS 镜像，子内核直接将其挂载为根文件系统。DAXFS 是树外模块，kerf 不会自动加载它。仅当你需要从 Docker 镜像启动或共享主机目录时，才需要先手动加载：

git clone https://github.com/multikernel/daxfs.git
cd daxfs
make
sudo insmod daxfs.ko

子内核同样需要 DAXFS 支持：将其编译进内核，或通过 --initrd 传入包含 daxfs.ko 的 initramfs。仅用 --initrd 启动传统 initrd 时完全不需要 DAXFS。

关键组件

multikernel 技术栈由多个开源项目组成：

• Multikernel Linux - 内核补丁，支持使用 kexec 子系统生成并管理额外的内核实例
• Kerf - 用于管理内核实例、资源和生命周期的编排工具；直接驱动 Lazy CMA 与 DAXFS，无需额外工具
• DAXFS - 树外内核模块，使用直接内存访问在多个内核实例之间共享的文件系统，支持共享容器根文件系统和零拷贝数据共享
• Lazy CMA - 树外内核模块，提供运行时连续内存分配；为子内核提供的内存池可调整大小、支持 NUMA 感知，无需启动时预留

底层工作原理

• 通过 kexec 生成内核 - 新内核使用 Linux 现有的 kexec 机制启动，该机制经过扩展，可与主内核并行运行，而非将其替换
• 资源分区 - CPU、内存和设备通过标准热插拔接口在各内核之间分配
• 硬件队列共享 - 现代网卡和 SSD 拥有多个硬件队列；每个内核独占访问特定队列，实现真正的硬件级隔离
• 内核间网络 - 每个子内核都获得一个标准 Linux 网络设备，底层由共享内存中的描述符环支撑；数据帧留在共享内存中，跨内核传递的只有描述符，应用程序无需修改即可使用普通套接字
• Docker 集成 - 子内核可以使用 DAXFS 共享容器根文件系统，直接启动进 Docker 镜像，无需操作系统初始化层