WebAssembly WASI: واجهة النظام والوصول إلى نظام الملفات

ظهر WebAssembly (Wasm) كتقنية قوية لتشغيل الكود في متصفحات الويب، وبشكل متزايد، خارجها. فهو يوفر أداءً شبه أصلي وأمانًا وقابلية للنقل. والعنصر الرئيسي في تحقيق إمكانات Wasm الكاملة هو واجهة نظام WebAssembly (WASI). ستستكشف هذه المقالة WASI، مع التركيز بشكل خاص على دورها الحاسم في توفير الوصول إلى نظام الملفات، وتفصيل فوائدها وتنفيذها وتأثيراتها على تطوير البرمجيات الحديثة.

ما هو WebAssembly (Wasm)؟

WebAssembly هو تنسيق تعليمات ثنائي مصمم لآلة افتراضية قائمة على المكدس. وهو بمثابة هدف تجميع محمول للغات البرمجة، مما يتيح نشر التطبيقات على الويب (وما بعده) بأداء عالٍ. فبدلاً من كتابة الكود خصيصًا للمتصفح، يمكن للمطورين تجميع أكوادهم (المكتوبة بلغات مثل C و C++ و Rust و Go) إلى وحدات Wasm. يمكن بعد ذلك تنفيذ هذه الوحدات في متصفح الويب أو بيئات تشغيل Wasm الأخرى، مثل Node.js أو حتى بيئات تشغيل Wasm المخصصة التي تعمل على الخادم. تشمل المزايا الرئيسية لـ Wasm ما يلي:

• الأداء: يوفر Wasm سرعات تنفيذ شبه أصلية، مما يجعله مناسبًا للمهام التي تتطلب حسابات مكثفة.
• الأمان: يتم تنفيذ وحدات Wasm في بيئة معزولة (sandboxed)، مما يحد من وصولها إلى نظام المضيف ويعزز الأمان.
• قابلية النقل: يمكن تشغيل وحدات Wasm على منصات وبنى مختلفة، مما يعزز التوافق عبر المنصات.
• معيار مفتوح: Wasm هو معيار من W3C، مما يضمن اعتماده ودعمه على نطاق واسع.

دور WASI

بينما يوفر Wasm بيئة التنفيذ، إلا أنه كان يفتقر في الأصل إلى الوصول المباشر إلى موارد النظام مثل نظام الملفات والشبكة وميزات نظام التشغيل الأخرى. وهنا يأتي دور WASI. إن WASI هي واجهة نظام معيارية مصممة لتوفير وصول آمن إلى هذه الموارد لوحدات Wasm. فكر فيها كواجهة برمجة تطبيقات (API) موحدة لتطبيقات Wasm للتفاعل مع نظام التشغيل المضيف. وهذا يسمح للمطورين بإنشاء تطبيقات Wasm أكثر تنوعًا وقوة، متجاوزة حالات الاستخدام المستندة إلى الويب فقط. يعالج WASI حاجة ملحة: تمكين Wasm من التفاعل مع العالم الخارجي بطريقة محكومة وآمنة.

تتمثل الأهداف الأساسية لـ WASI في:

• الأمان: توفير بيئة معزولة تحد من الوصول إلى موارد النظام، مما يخفف من المخاطر الأمنية المحتملة.
• قابلية النقل: ضمان إمكانية تشغيل وحدات Wasm على أنظمة تشغيل مختلفة دون تعديل.
• المرونة: تقديم تصميم معياري يدعم واجهات نظام متنوعة، مثل أنظمة الملفات والشبكات والساعات.
• التوحيد القياسي: تحديد واجهة قياسية للتفاعل مع موارد النظام، مما يعزز التشغيل البيني وإعادة استخدام الكود.

WASI والوصول إلى نظام الملفات

يعد الوصول إلى نظام الملفات ميزة أساسية في WASI. فهو يسمح لوحدات Wasm بقراءة وكتابة ومعالجة الملفات على النظام المضيف. وهذا يفتح مجموعة واسعة من الإمكانيات لتطبيقات Wasm، بدءًا من مهام معالجة الملفات البسيطة إلى التطبيقات المعقدة مثل:

• الدوال بدون خادم: معالجة الملفات التي يتم تحميلها إلى التخزين السحابي.
• تحليلات البيانات: تحليل ومعالجة مجموعات البيانات الكبيرة المخزنة في الملفات.
• أدوات سطر الأوامر: إنشاء أدوات سطر أوامر قائمة على Wasm لإدارة الملفات.
• تطبيقات سطح المكتب: بناء تطبيقات سطح مكتب متعددة المنصات تقرأ وتكتب الملفات.

قبل WASI، كانت وحدات Wasm مقيدة إلى حد كبير في تفاعلاتها مع نظام الملفات. على الرغم من وجود بعض الحلول البديلة، إلا أنها غالبًا ما كانت تعتمد على واجهات برمجة تطبيقات خاصة بالمتصفح أو تنطوي على تنازلات أمنية كبيرة. يوفر WASI طريقة موحدة وآمنة لوحدات Wasm للتفاعل مع نظام الملفات، مما يجعلها مناسبة لمجموعة أوسع من حالات الاستخدام.

كيف يعمل الوصول إلى نظام الملفات مع WASI

يتم تنفيذ الوصول إلى نظام الملفات في WASI عادةً باستخدام القدرات. القدرة هي رمز يمنح وحدة Wasm الوصول إلى مورد معين، مثل دليل أو ملف. يجب إعطاء وحدة Wasm هذه القدرات بشكل صريح، عادةً بواسطة البيئة المضيفة (مثل بيئة تشغيل Wasm). يعزز هذا النهج الأمان من خلال ضمان أن وحدات Wasm لا تملك سوى الوصول إلى الموارد المصرح لها باستخدامها.

إليك نظرة عامة مبسطة:

1. تجميع الوحدة: يتم تجميع الكود (على سبيل المثال، المكتوب بلغة Rust أو C++ أو Go) في وحدة Wasm تستورد وظائف WASI.
2. توفير القدرات: توفر البيئة المضيفة لوحدة Wasm القدرات، مثل القدرة على الوصول إلى أدلة أو ملفات معينة. غالبًا ما يتضمن ذلك تحديد مجموعة من المسارات المسموح بها عند إنشاء مثيل للوحدة.
3. استدعاءات نظام الملفات: تستخدم وحدة Wasm وظائف WASI (مثل `fd_open`، `fd_read`، `fd_write`، `fd_close`) للتفاعل مع نظام الملفات باستخدام القدرات المقدمة.
4. البيئة المعزولة (Sandboxing): يضمن WASI أن عمليات نظام الملفات مقيدة بالموارد المصرح بها، مما يمنع الوحدة من الوصول إلى أجزاء أخرى من نظام الملفات.

مثال عملي (Rust)

لنتأمل مثالاً بسيطًا لقراءة ملف نصي باستخدام Rust و WASI. أولاً، تأكد من تثبيت مجموعة أدوات Rust (rustup) واستهداف `wasm32-wasi` للتجميع.

Cargo.toml:

            [package]
name = "file_reader"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[dependencies]
wasi = "0.11"

            

              
                Copy
              
            
          

src/main.rs:

            use std::fs::File;
use std::io::{self, Read};

fn main() -> io::Result<()> {
    let args: Vec<String> = std::env::args().collect();

    if args.len() != 2 {
        eprintln!("Usage: file_reader <filename>");
        std::process::exit(1);
    }

    let filename = &args[1];

    let mut file = File::open(filename)?;
    let mut contents = String::new();
    file.read_to_string(&mut contents)?;

    println!("File contents:\n{}", contents);

    Ok(())
}


            

              
                Copy
              
            
          

بناء وحدة Wasm:

            cargo build --target wasm32-wasi --release

            

              
                Copy
              
            
          

ينشئ هذا الأمر وحدة Wasm (على سبيل المثال، `target/wasm32-wasi/release/file_reader.wasm`). توفر المكتبة القياسية لـ WASI الوظائف اللازمة لإدخال/إخراج الملفات داخل وحدة Wasm. عند تنفيذ وحدة Wasm، ستتولى البيئة المضيفة (مثل بيئة تشغيل Wasm مثل `wasmer` أو `wasmtime`) توفير الوصول إلى نظام الملفات، عادةً عن طريق السماح للمستخدم بتحديد دليل لقراءة الملفات منه، مما يعزل تفاعل نظام الملفات بشكل فعال. يمكن استخدام واجهات سطر الأوامر `wasmer` أو `wasmtime` لتشغيل وحدة WASM المترجمة.

التشغيل باستخدام Wasmer:

            wasmer run file_reader.wasm --dir=. -- file.txt

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، يمنح `--dir=.` وحدة Wasm الوصول إلى الدليل الحالي، و `file.txt` هو اسم الملف الذي تم تمريره كوسيطة. سيحاول البرنامج بعد ذلك قراءة وطباعة محتويات `file.txt`. تذكر إنشاء ملف `file.txt` في الدليل الحالي قبل تشغيل الوحدة.

فوائد استخدام WASI للوصول إلى نظام الملفات

يقدم استخدام WASI للوصول إلى نظام الملفات العديد من المزايا الهامة:

• الأمان: تقيد البيئة المعزولة الوصول إلى نظام الملفات، مما يقلل من مخاطر الهجمات الخبيثة.
• قابلية النقل: يمكن تشغيل وحدات Wasm التي تستخدم WASI على أنظمة تشغيل وبنى مختلفة دون تعديل.
• التوحيد القياسي: يوفر WASI واجهة برمجة تطبيقات موحدة للتفاعل مع نظام الملفات، مما يعزز التشغيل البيني ويقلل من منحنى التعلم.
• المرونة: يسمح بإنشاء تطبيقات محمولة للغاية يمكن تشغيلها في بيئات مختلفة، من متصفحات الويب إلى عمليات النشر من جانب الخادم.
• التحكم في الموارد: يسمح الوصول القائم على القدرات بالتحكم الدقيق في الموارد التي يمكن لوحدة Wasm الوصول إليها، مما يحسن إدارة الموارد ويمنع سوء الاستخدام العرضي أو الخبيث.

مفاهيم متقدمة في نظام ملفات WASI

إلى جانب القراءة والكتابة الأساسية للملفات، يدعم WASI مفاهيم أكثر تقدمًا للتفاعل مع نظام الملفات.

الأدلة والمسارات

يسمح WASI للوحدات بالعمل مع الأدلة وإنشاء أدلة جديدة والتنقل في مسارات نظام الملفات. يدعم هذا عمليات مثل سرد الملفات وإنشاء ملفات جديدة داخل أدلة معينة وإدارة بنية نظام الملفات بشكل عام. تعد معالجة المسارات قدرة حاسمة لإدارة وتنظيم الملفات.

واصفات الملفات (File Descriptors)

يستخدم WASI واصفات الملفات (FDs) لتمثيل الملفات والأدلة المفتوحة. واصف الملف هو عدد صحيح فريد تستخدمه وحدة Wasm للإشارة إلى ملف أو دليل معين. تُرجع وظائف WASI مثل `fd_open` واصف ملف، والذي يتم استخدامه بعد ذلك في العمليات اللاحقة مثل قراءة الملفات وكتابتها وإغلاقها. تعد إدارة واصفات الملفات مهمة لتجنب تسرب الموارد.

الأذونات والقدرات

كما ذكرنا، يستخدم WASI نهجًا قائمًا على القدرات للوصول إلى نظام الملفات. تحدد البيئة المضيفة الأدلة والملفات التي يُسمح لوحدة Wasm بالوصول إليها. يوفر نظام الأذونات هذا مستوى دقيقًا من التحكم، مما يعزز الأمان ويسمح للمسؤولين بتخصيص الوصول إلى الموارد بناءً على احتياجات التطبيق. هذا يمنع التطبيقات من الوصول إلى ملفات عشوائية على النظام المضيف.

البث والتخزين المؤقت

يوفر WASI آليات لبث بيانات الملفات واستخدام المخازن المؤقتة لقراءة البيانات وكتابتها بكفاءة. يعد البث مهمًا بشكل خاص للتعامل مع الملفات الكبيرة دون استهلاك ذاكرة مفرطة. يحسن التخزين المؤقت الأداء عن طريق تقليل عدد استدعاءات النظام.

حالات الاستخدام والتطبيقات

تمكّن قدرات الوصول إلى نظام الملفات في WASI مجموعة واسعة من التطبيقات. إليك بعض الأمثلة البارزة:

الدوال بدون خادم (Serverless Functions)

يعتبر WASI مثاليًا للدوال بدون خادم. يمكن للمطورين نشر وحدات Wasm التي تقرأ وتعالج وتكتب الملفات المخزنة في التخزين السحابي (مثل Amazon S3 و Google Cloud Storage و Azure Blob Storage). يمكن تشغيل الوحدات بواسطة الأحداث (مثل تحميلات الملفات) وتنفيذها بطريقة آمنة وقابلة للتطوير. وهذا يتيح معالجة وتحويل الملفات في السحابة بكفاءة. ضع في اعتبارك حالات الاستخدام الدولية حيث يمكن معالجة وتحليل الملفات من مناطق ولغات عالمية مختلفة.

أدوات سطر الأوامر

يسمح WASI بإنشاء أدوات سطر أوامر متعددة المنصات. يمكن للمطورين كتابة وحدات Wasm التي تؤدي معالجة الملفات أو معالجة البيانات أو مهام أخرى ثم تشغيلها على أي منصة تدعم بيئة تشغيل WASI. يمكن حزم ونشر الأدوات لمهام مثل معالجة النصوص أو معالجة الصور أو تحليل البيانات كوحدات Wasm، مما يجعلها سهلة التوزيع والاستخدام عبر أنظمة تشغيل مختلفة. تخيل أداة قائمة على Wasm لتنظيف البيانات يمكن توزيعها عالميًا.

تحليل البيانات ومعالجتها

يمكن استخدام WASI لبناء أدوات تحليل بيانات قائمة على Wasm. يمكن لهذه الأدوات قراءة البيانات من الملفات وإجراء الحسابات وإنشاء التقارير. إن قابلية نقل Wasm تجعلها سهلة التوزيع والاستخدام على منصات مختلفة. يمكن استخدام هذه الأدوات لتحليل مجموعات البيانات الكبيرة (مثل ملفات CSV وملفات السجل) المخزنة في الملفات وإنشاء تصورات تفاعلية. ضع في اعتبارك تطبيقات التحليل المالي أو المحاكاة العلمية أو أي مجال يتطلب معالجة البيانات.

تطبيقات سطح المكتب

يمكن للمطورين الاستفادة من WASI لإنشاء تطبيقات سطح مكتب متعددة المنصات تتفاعل مع نظام الملفات. يمكن لهذه التطبيقات قراءة الملفات وكتابتها ومعالجتها، مما يوفر للمستخدمين تجربة مألوفة لنظام الملفات. هذا مفيد بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب تخزينًا محليًا للملفات أو تحرير المستندات أو عمليات أخرى قائمة على الملفات. وهذا يتيح بناء تطبيقات تعمل باستمرار على أنظمة Windows و macOS و Linux. فكر في تطبيق لتحرير الصور أو محرر نصوص مبني باستخدام Wasm و WASI.

معالجة الملفات المستندة إلى الويب

بينما ركز Wasm في الأصل على المتصفح، يتيح WASI التفاعلات خارج تلك البيئة. فهو يفتح الباب أمام تطبيقات الويب التي تحتاج إلى معالجة الملفات على الخادم. هذا يتجنب قيود الوصول إلى الملفات المستندة إلى المتصفح ويسمح بعمليات أكثر تعقيدًا قائمة على الملفات، مما يحسن الأداء وتجربة المستخدم. يمكن أن يكون المثال محول ملفات يعالج ملفات كبيرة من جانب الخادم.

تنفيذ الوصول إلى نظام الملفات عبر WASI

يتضمن تنفيذ الوصول إلى نظام الملفات عبر WASI عادةً الخطوات التالية:

1. اختر لغة برمجة: حدد لغة برمجة تدعم تجميع Wasm (مثل Rust، C/C++، Go). تحظى لغة Rust بشعبية خاصة بسبب أدواتها القوية وأمان الذاكرة ودعم WASI.
2. إعداد بيئة التطوير: قم بتثبيت الأدوات والتبعيات اللازمة، بما في ذلك مترجم Wasm، و WASI SDK (إذا لزم الأمر)، وبيئة تشغيل Wasm.
3. كتابة الكود: اكتب كود التطبيق باستخدام وظائف واجهة برمجة تطبيقات نظام الملفات في WASI (مثل `fd_open`، `fd_read`، `fd_write`).
4. تجميع الكود إلى Wasm: قم بتجميع الكود إلى وحدة Wasm باستخدام المترجم والهدف المناسبين (مثل `wasm32-wasi`).
5. توفير القدرات: يجب منح وحدة Wasm الأذونات اللازمة، على سبيل المثال، أثناء بدء التشغيل، يجب أن تعرف الوحدة من أي دليل ستقرأ أو تكتب أو تنشئ الملفات.
6. تشغيل وحدة Wasm: قم بتنفيذ وحدة Wasm باستخدام بيئة تشغيل Wasm.

الأدوات وبيئات التشغيل

تدعم العديد من الأدوات وبيئات التشغيل WASI، بما في ذلك:

• Wasmer: بيئة تشغيل WebAssembly عالمية تقوم بتشغيل وحدات Wasm على منصات مختلفة.
• Wasmtime: بيئة تشغيل WebAssembly مستقلة بنمط JIT من Bytecode Alliance، تركز على الأداء والأمان.
• WASI SDK: مجموعة من الأدوات والمكتبات لتطوير تطبيقات WASI.
• Node.js: يدعم Node.js WASI، مما يتيح تنفيذ Wasm داخل بيئات Node.js.
• Docker: أصبح WASI مدمجًا في Docker، مما يسمح بوضع تطبيقات Wasm في حاويات.

اعتبارات أمنية

بينما يوفر WASI بيئة آمنة لوحدات Wasm، يجب على المطورين أن يظلوا على دراية بأفضل الممارسات الأمنية.

• مبدأ الامتياز الأقل: امنح وحدات Wasm الحد الأدنى من الأذونات اللازمة فقط.
• التحقق من صحة الإدخال: تحقق من صحة جميع بيانات الإدخال لمنع الثغرات الأمنية مثل تجاوز سعة المخزن المؤقت وهجمات حقن الكود.
• إدارة التبعيات: قم بإدارة التبعيات بعناية لتجنب استخدام مكتبات قد تكون ضعيفة.
• المراجعات المنتظمة: قم بمراجعة وحدات Wasm والبيئة المضيفة بانتظام بحثًا عن الثغرات الأمنية.
• البيئة المعزولة (Sandboxing): تأكد من أن بيئة تشغيل Wasm تفرض العزل وتقيد الوصول إلى موارد النظام، بما في ذلك نظام الملفات والشبكة ومتغيرات البيئة، بما هو مسموح به صراحةً.

مستقبل WASI والوصول إلى نظام الملفات

تتطور WASI وقدراتها في الوصول إلى نظام الملفات باستمرار. تشمل التطورات الجارية ما يلي:

• تحسين الأداء: تحسينات مستمرة لبيئات تشغيل Wasm لتحسين سرعات التنفيذ.
• توسيع دعم واجهة برمجة التطبيقات: تطوير واجهات برمجة تطبيقات WASI جديدة لدعم واجهات نظام إضافية (مثل الشبكات، والخيوط، والرسومات).
• جهود التوحيد القياسي: جهود التوحيد القياسي المستمرة لضمان التشغيل البيني عبر بيئات تشغيل ومنصات Wasm المختلفة.
• التكامل مع المنصات السحابية: زيادة التكامل مع المنصات السحابية، مما يتيح للمطورين نشر وتشغيل وحدات Wasm بسهولة في البيئات بدون خادم.

يبدو المستقبل واعدًا لـ WASI وتطبيقه في الوصول إلى نظام الملفات. مع نضوج التكنولوجيا، يمكننا أن نتوقع رؤية تطبيقات أكثر تطورًا تستفيد من قوة Wasm و WASI.

الخاتمة

يُحدث WebAssembly (Wasm) وواجهة نظامه، WASI، ثورة في كيفية بناء المطورين للبرامج ونشرها. يوفر WASI طريقة آمنة ومحمولة وموحدة لوحدات Wasm للتفاعل مع موارد النظام، بما في ذلك نظام الملفات. يتيح الوصول إلى نظام الملفات من خلال WASI مجموعة واسعة من حالات الاستخدام، من الدوال بدون خادم وأدوات سطر الأوامر إلى تحليل البيانات وتطبيقات سطح المكتب. من خلال فهم المفاهيم وتفاصيل التنفيذ التي تمت مناقشتها في هذه المقالة، يمكن للمطورين تسخير قوة WASM و WASI لإنشاء تطبيقات مبتكرة وفعالة. تعد WASI والوصول إلى نظام الملفات تقنيات أساسية لمستقبل تطوير البرمجيات، مما يمهد الطريق للتطبيقات متعددة المنصات ويمكّن من قابلية النقل والأداء والأمان في مجموعة متنوعة من التطبيقات على نطاق عالمي.