Nanvix 开源轻量沙箱：Micro-VM 加多内核 OS 设计

Nanvix 是一种沙箱技术，用于在硬件隔离环境中以极低开销运行不受信任的应用程序。

注意：本仓库包含该沙箱的实现。如果你想使用 Nanvix，请参阅 nanvix-python，这是 Nanvix 的 Python 发行版。

概述

Nanvix 采用独特的协同设计架构，融合了两项关键创新：

一个专门构建的 Micro-VM，以极低开销提供硬件强制隔离。该 Micro-VM 设计得尽可能轻量，仅向客户机暴露虚拟处理器和内存，并剥离了所有设备仿真及其他会增加延迟的功能。
一个多内核操作系统，支持灵活的系统组件放置与共享。该设计将操作系统拆分到两个内核：运行在 Micro-VM 内的客户机侧微内核，提供必要的操作系统功能；以及运行在宿主平台上的宿主侧宏内核，提供网络和存储软件交换机。系统组件作为特殊进程运行在任一内核之上，具体取决于部署配置。

在我们的论文中阅读更多关于此架构的内容：Nanvix：面向高密度无服务器部署的多内核操作系统设计。

   ┌─────────────────────────────────────┐
   │               Micro-VM              │   Microkernel on Micro-VM runs:
   │              Microkernel            │     • The untrusted application.
   │                                     │     • Essential system services (scheduler, etc.).
   │   ┌─────────────┐ ┌──────────────┐  │     • Optional in-guest components (e.g. filesystem).
   │   │ Application │ │  Filesystem  │  │
   │   └─────────────┘ └──────────────┘  │
   └──────────────────┬──────────────────┘
                      │  selected I/O
                      │  (e.g. network)
                      ▼
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │             Macro-Kernel            │   Macro-Kernel on host platform runs:
   │              (host OS)              │     • Network software switch.
   │                                     │     • Storage software switch.
   │           ┌──────────────┐          │     • Host-side system components (e.g. network stack).
   │           │   Network    │          │
   │           └──────────────┘          │
   └─────────────────────────────────────┘

主要特性

轻量级虚拟机：以极低开销实现硬件隔离——无设备仿真，仅提供虚拟处理器和内存。
自定义客户机微内核：一个薄内核，暴露丰富的功能集和 POSIX API，以支持广泛的应用（参见我们的软件目录）。
灵活的系统组件放置：文件系统和网络协议栈等组件既可以运行在客户机侧，也可以运行在宿主侧。
跨平台支持：可运行在 Linux 和 Windows 宿主上。
快速启动时间：应用程序启动在数十毫秒范围内，适用于无服务器和智能体工作负载。
低内存占用：每个 Micro-VM 的内存消耗为数十兆字节，对资源受限环境和高密度部署友好。

快速对比

特性	Nanvix	Unikraft	Firecracker	gVisor	Docker	WebAssembly
灵活组件放置	✅	❌	❌	❌	❌	❌
多客户机进程	✅	❌	✅	✅	✅	❌
硬件隔离	✅	✅	✅	❌	❌	❌
启动时间	~30ms	~320ms	~70ms	~160ms	~1s	~1ms
内存占用	~10MB	~10MB	10–100MB	10–50MB	~100MB	~1MB
部署密度	~10k	~1k	~1k	~1k	~100	~10k
完整 Linux 兼容性	❌	❌	✅	✅	✅	❌

启动时间是服务首个 HTTP echo 请求的 p50 延迟；内存占用是同一工作负载下每实例对宿主内存的贡献，通过 MemAvailable 在 /proc/meminfo 中测量。Nanvix 和 Firecracker 使用快照恢复（生产无服务器配置）；Unikraft 和 gVisor 使用冷启动（无可用生产快照路径）。范围涵盖冷启动和快照恢复变体（如适用）。Docker 和 WebAssembly 为近似社区值。有关方法的更多信息，请参见 arXiv:2604.11669。

权衡

Linux 兼容性：Nanvix 提供包含 150 多个系统调用的 POSIX API，但它并非与所有 Linux 应用程序完全兼容，运行某些应用程序可能需要一些修改。
不断壮大的软件生态系统：可运行应用程序的目录正在不断增长，因此引入新工作负载通常需要针对 Nanvix 工具链进行移植和交叉编译。请参阅目录以获取已移植应用程序的列表。

快速开始

Linux

需要 Ubuntu 24.04，具有 sudo 权限并启用 KVM。

# Run on Bash.

# Clone this source code.
git clone https://github.com/nanvix/nanvix.git && cd nanvix

# Setup the development environment.
./z setup

# Build Nanvix.
./z build -- all

# Run an example application.
./bin/nanvixd.elf -console-file /dev/stdout -- ./bin/hello-rust-nostd.elf

Windows

需要 Windows 11，PATH 中包含 GNU Make，启用 Windows Hypervisor Platform，打开开发者模式，并通过 rustup 安装 Rust 工具链。

# Run on PowerShell.

# Clone this source code (symlinks require Developer Mode).
git clone -c core.symlinks=true https://github.com/nanvix/nanvix.git; cd nanvix

# Setup the development environment.
.\z.ps1 setup

# Build Nanvix.
.\z.ps1 build -- all

# Run an example application.
.\bin\uservm.exe -kernel .\bin\kernel.elf -initrd .\bin\hello-rust-nostd.elf -standalone

更多详细信息，请参阅完整的安装、构建和运行指南。

文档

doc/setup.md - 设置开发环境的说明。
doc/build.md - 构建 Nanvix 的说明。
doc/run.md - 运行 Nanvix 的说明。
doc/test.md - 测试 Nanvix 的说明。
doc/benchmark.md - 对 Nanvix 进行基准测试的说明。

使用声明

本项目是一个原型。因此，我们不保证其能够正常工作，您使用该代码需自行承担任何风险。我们欢迎评论和反馈。请将任何问题或评论发送给以下项目维护者：

Pedro Henrique Penna - ppenna@microsoft.com

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许可证

本项目在 MIT 许可证下分发。