WebAssembly WASI Preview 3: ثورة في واجهة استدعاء النظام للحوسبة السحابية الأصلية وما بعدها

لقد تطورت WebAssembly (Wasm) بسرعة من تقنية تتمحور حول المتصفح إلى بيئة تشغيل قوية لتطبيقات جانب الخادم، والخدمات السحابية الأصلية، وحوسبة الحافة، وحتى بيئات سطح المكتب. يكمن في صميم هذا التوسع واجهة نظام WebAssembly (WASI)، وهي معيار متطور يحدد كيفية تفاعل وحدات Wasm مع نظام التشغيل الأساسي. تمثل التطورات الأخيرة في WASI Preview 3 قفزة كبيرة إلى الأمام، حيث تقدم واجهة استدعاء نظام أكثر قوة وقابلية للتنبؤ وغنية بالميزات، والتي تعد بإطلاق إمكانات أكبر للحوسبة المحمولة والآمنة في جميع أنحاء العالم.

نشأة WASI: سد الفجوة بين Wasm والنظام

صُممت WebAssembly في الأصل للمتصفحات، وقد جعلت طبيعتها المعزولة وأمانها المضمن وقابليتها للنقل مرشحًا جذابًا للبيئات غير المتصفحات. ومع ذلك، لكي تكون وحدات Wasm مفيدة حقًا خارج المتصفح، احتاجت إلى طريقة موحدة لأداء عمليات على مستوى النظام مثل إدخال/إخراج الملفات، والوصول إلى الشبكة، واسترجاع متغيرات البيئة. هذا هو المكان بالضبط الذي تدخل فيه WASI. تهدف WASI إلى توفير واجهة برمجة تطبيقات متسقة تعتمد على القدرات، والتي تسمح لوحدات Wasm بالتفاعل مع النظام المضيف بطريقة آمنة ومتحكم بها، بغض النظر عن نظام التشغيل الأساسي أو بنية الأجهزة.

لماذا WASI؟ الدوافع الرئيسية ومبادئ التصميم

• قابلية النقل: الوعد الأساسي لـ WebAssembly هو "التشغيل في كل مكان". توسع WASI هذا ليشمل تفاعلات النظام، مما يضمن أن وحدة Wasm المجمعة لهدف WASI محدد يمكن تشغيلها على أي بيئة تشغيل متوافقة مع WASI دون تعديل. هذا يغير قواعد اللعبة لتوزيع البرمجيات ونشرها في بيئات متنوعة.
• الأمان: نموذج الأمان القائم على القدرات في WASI أمر بالغ الأهمية. بدلاً من منح أذونات واسعة، تمنح واجهات WASI قدرات محددة ودقيقة (مثل القدرة على القراءة من دليل معين أو فتح مقبس شبكة معين). هذا يقلل بشكل كبير من سطح الهجوم مقارنة بنماذج الملفات التنفيذية التقليدية.
• قابلية التشغيل البيني: توفر WASI أرضية مشتركة لمختلف لغات البرمجة وبيئات التشغيل للتفاعل. يمكن لتطبيق C++ مجمّع لـ Wasm التفاعل بسلاسة مع وحدة Rust أو وحدة Go عبر واجهات WASI، مما يعزز نظام بيئي أكثر توحيدًا للتطوير.
• الكفاءة: تم تصميم WebAssembly لتكون سريعة وفعالة. من خلال توحيد استدعاءات النظام، تهدف WASI إلى تقليل الحمل الزائد المرتبط بالاتصال بين العمليات أو استدعاءات النظام في البيئات التقليدية، خاصة عند تنفيذها داخل بيئات تشغيل Wasm محسّنة مثل Wasmtime أو Wasmer.

التطور إلى Preview 3: معالجة القيود وتوسيع القدرات

كانت الرحلة إلى WASI Preview 3 تكرارية، بالاعتماد على الأسس التي وضعتها المواصفات السابقة، وأبرزها WASI Preview 1. في حين قدمت Preview 1 مفاهيم أساسية ومجموعة من واجهات برمجة التطبيقات الأساسية، إلا أنها كانت تحتوي على قيود معينة أعاقت اعتمادها لحالات استخدام أكثر تعقيدًا، لا سيما في سيناريوهات جانب الخادم والسحابة الأصلية. تهدف Preview 3 إلى معالجة هذه القيود من خلال تحسين واجهات برمجة التطبيقات الحالية وتقديم واجهات جديدة، مع التركيز على الاستقرار والوضوح والتطبيق الأوسع.

التحسينات الرئيسية في WASI Preview 3

WASI Preview 3 ليست تغييرًا متجانسًا واحدًا، بل هي مجموعة من المقترحات والتحسينات المترابطة التي تعزز بشكل جماعي واجهة استدعاء النظام. بينما لا يزال الهيكل الدقيق واتفاقيات التسمية قيد التبلور، تدور الموضوعات الأساسية حول توفير طريقة أكثر شمولاً واصطلاحية لوحدات Wasm للتفاعل مع الأنظمة المضيفة. فيما يلي بعض أهم مجالات التحسين:

1. الوصول إلى الشبكة ودعم HTTP

كان أحد أهم قيود إصدارات WASI المبكرة لتطوير جانب الخادم هو الافتقار إلى قدرات شبكة قوية. حققت Preview 3 تقدمًا كبيرًا في هذا المجال، لا سيما مع تطوير مقترحات خادم وعميل HTTP. تهدف هذه المقترحات إلى توفير طريقة موحدة لوحدات Wasm للتعامل مع طلبات HTTP الواردة وإجراء مكالمات HTTP الصادرة.

• واجهة برمجة تطبيقات خادم HTTP: يحدد هذا الاقتراح واجهات لبيئات تشغيل Wasm لعرض طلبات HTTP الواردة لوحدات Wasm. هذا أمر بالغ الأهمية لبناء خوادم الويب، وبوابات API، والخدمات المصغرة بالكامل داخل WebAssembly. يمكن للمطورين كتابة معالجات لمسارات محددة، ومعالجة رؤوس وأجسام الطلبات، وإرسال استجابات HTTP. هذا يسمح بإنشاء تطبيقات ويب محمولة حقًا يمكن تشغيلها على أي بيئة تشغيل متوافقة مع WASI، سواء كانت مزود خدمة سحابية، أو جهاز حافة، أو حتى خادم تطوير محلي.
• واجهة برمجة تطبيقات عميل HTTP: استكمالًا لواجهة الخادم، تسمح واجهة العميل لوحدات Wasm ببدء طلبات HTTP صادرة. هذا ضروري للتكامل مع الخدمات الخارجية، وجلب البيانات من واجهات برمجة التطبيقات، وبناء الخدمات المصغرة التي تتواصل مع بعضها البعض. تم تصميم الواجهة لتكون فعالة وآمنة، مما يسمح بتحكم دقيق في معلمات الطلب ومعالجة الاستجابة.
• قدرات الشبكات (عام): بالإضافة إلى HTTP، هناك جهود مستمرة لتوحيد بدائيات الشبكات ذات المستوى الأدنى، مثل برمجة المقابس (TCP/UDP). في حين أن هذه قد لا تكون التركيز الأساسي لإصدارات Preview 3 الأولية، إلا أنها حاسمة لبناء تطبيقات شبكة أكثر تعقيدًا وضمان توافق واسع مع بروتوكولات الشبكة الحالية.

مثال: تخيل بناء نقطة نهاية API بدون خادم باستخدام Rust و WebAssembly. مع قدرات خادم HTTP الخاصة بـ WASI Preview 3، يمكن لوحدة Rust Wasm الخاصة بك الاستماع إلى الطلبات الواردة، وتحليل حمولات JSON، والتفاعل مع قاعدة بيانات (عبر واجهة WASI أخرى أو وظيفة يوفرها المضيف)، وإرجاع استجابة JSON، كل ذلك ضمن بيئة Wasm المعزولة الآمنة. يمكن بعد ذلك نشر هذا التطبيق عبر موفري الخدمات السحابية المختلفين دون تعديل، مستفيدًا من واجهة WASI المتسقة.

2. تحسينات الوصول إلى نظام الملفات

بينما تضمنت WASI Preview 1 وصولاً أساسيًا إلى نظام الملفات عبر مكون wasi-filesystem، تهدف Preview 3 إلى تحسين وتوسيع هذه القدرات لتتوافق بشكل أفضل مع عمليات نظام الملفات الحديثة وتوفير تحكم أكثر دقة.

• تيارات الدلائل: آليات محسّنة لتكرار محتويات الدليل، مما يسمح لوحدات Wasm بإدراج الملفات والأدلة الفرعية بكفاءة.
• بيانات وصفية للملفات: طرق موحدة للوصول إلى البيانات الوصفية للملفات مثل الأذونات والطوابع الزمنية والحجم.
• إدخال/إخراج غير متزامن: على الرغم من أنه لا يزال مجال تطوير نشط، هناك تركيز متزايد على دعم عمليات إدخال/إخراج الملفات غير المتزامنة لمنع حظر بيئة تشغيل Wasm وتحسين الأداء العام، خاصة في التطبيقات المقيدة بالإدخال/الإخراج.

مثال: قد يحتاج تطبيق معالجة بيانات مكتوب بلغة Go ومجمّع لـ Wasm إلى قراءة ملفات تكوين متعددة من دليل معين. ستسمح واجهات نظام الملفات المحسّنة لـ WASI Preview 3 له بإدراج الملفات بكفاءة وأمان، وقراءة محتوياتها، ومعالجتها، كل ذلك مع احترام الأدلة المحددة التي منحتها بيئة تشغيل Wasm الإذن بالوصول إليها.

3. الساعات والمؤقتات

يعد التوقيت الدقيق والقدرة على جدولة العمليات أمرًا أساسيًا للعديد من التطبيقات. توضح Preview 3 وتوحد الواجهات للوصول إلى ساعات النظام وتعيين المؤقتات.

• الساعات الرتيبة: توفر الوصول إلى الساعات التي تضمن زيادة دائمًا، وهي مناسبة لقياس فترات الوقت واكتشاف تراجع الأداء.
• وقت ساعة الحائط: تسمح بالوصول إلى التاريخ والوقت الحاليين، وهو أمر مفيد للتسجيل والجدولة والميزات التي تواجه المستخدم.
• المؤقتات: تمكن وحدات Wasm من جدولة الأحداث غير المتزامنة أو ردود النداء بعد تأخير محدد، وهو أمر بالغ الأهمية لبناء تطبيقات سريعة الاستجابة وتنفيذ مهلات زمنية.

مثال: يمكن لعملية عامل خلفية في Wasm استخدام واجهات المؤقت للتحقق بشكل دوري من التحديثات أو أداء مهام الصيانة المجدولة. يمكنها أيضًا استخدام الساعات الرتيبة لقياس مدة العمليات الهامة داخل الوحدة.

4. متغيرات البيئة والوسائط

يعد الوصول إلى متغيرات البيئة ووسائط سطر الأوامر مطلبًا شائعًا لتكوين التطبيقات. تعزز Preview 3 هذه الواجهات، مما يسهل تكوين وحدات Wasm ديناميكيًا في وقت التشغيل.

• متغيرات البيئة: توفر طريقة آمنة لقراءة متغيرات البيئة التي مرت بها بيئة التشغيل المضيفة صراحةً إلى وحدة Wasm.
• وسائط سطر الأوامر: تسمح لوحدات Wasm بالوصول إلى الوسائط التي تم تمريرها إليها عند استدعائها بواسطة المضيف.

مثال: يمكن لأداة مساعدة تعتمد على Wasm تتطلب سلسلة اتصال قاعدة بيانات قراءة هذه السلسلة من متغير بيئة تم تعيينه بواسطة منسق الحاويات أو وسائط سطر الأوامر المقدمة من المستخدم، مما يجعل وحدة Wasm قابلة للتكوين بدرجة عالية دون إعادة تجميع.

5. معالجة الأخطاء والقدرات الموحدة

بالإضافة إلى واجهات وظيفية محددة، تركز Preview 3 أيضًا على تحسين مبادئ التصميم العامة لـ WASI، بما في ذلك معالجة الأخطاء ونموذج الأمان القائم على القدرات.

• تقارير أخطاء أوضح: تجري جهود لتوفير رموز أخطاء ورسائل أكثر توحيدًا وإفادة من استدعاءات نظام WASI، مما يجعل تصحيح الأخطاء ومعالجة الأخطاء داخل وحدات Wasm أكثر سهولة.
• إدارة القدرات المحسّنة: يتم تكرار نموذج القدرات لضمان أنه قوي بما يكفي للتطبيقات المعقدة وسهل التنفيذ والإدارة لبيئات التشغيل. وهذا يشمل استكشاف طرق لتمرير القدرات بين وحدات Wasm بأمان.

تأثير WASI Preview 3 على نماذج الحوسبة المختلفة

للتحسينات في WASI Preview 3 آثار بعيدة المدى عبر مجالات الحوسبة المختلفة:

الحوسبة السحابية الأصلية والخالية من الخوادم

يمكن القول إن هذا هو المجال الذي سيكون لـ WASI Preview 3 التأثير الأكثر فورية وعمقًا. من خلال توفير دعم HTTP قوي وإدخال/إخراج ملفات محسّن، أصبحت وحدات Wasm الممكّنة لـ WASI مواطنين من الدرجة الأولى لبناء الخدمات المصغرة وواجهات برمجة التطبيقات ووظائف بدون خادم.

• تقليل بدايات التشغيل البارد: غالبًا ما يكون لدى بيئات تشغيل Wasm أوقات بدء تشغيل بارد أسرع بكثير مقارنة بالحاويات أو الأجهزة الافتراضية التقليدية، وهي فائدة حاسمة للتطبيقات بدون خادم.
• أمان معزز: يعتبر العزل المضمن والأمان القائم على القدرات لـ Wasm و WASI جذابين للغاية لبيئات السحابة متعددة المستأجرين، مما يقلل من خطر تأثير حمل عمل واحد على آخر.
• تنوع اللغات: يمكن للمطورين الاستفادة من لغاتهم المفضلة (Rust، Go، C++، AssemblyScript، إلخ) لبناء خدمات سحابية أصلية يتم تجميعها إلى Wasm، مما يعزز خيارات أكبر للمطورين وإنتاجيتهم.
• قابلية النقل عبر موفري الخدمات السحابية: يمكن لخدمة مصغرة Wasm مبنية باستخدام WASI نظريًا أن تعمل على أي موفر خدمة سحابية يقدم بيئة تشغيل متوافقة مع WASI، مما يقلل من الارتباط بمورد واحد.

حوسبة الحافة

غالبًا ما تحتوي أجهزة الحافة على موارد محدودة وقيود شبكة فريدة. إن طبيعة WASI الخفيفة والاعتمادية المتوقعة تجعلها مثالية لنشر الحافة.

• كفاءة الموارد: تستهلك وحدات Wasm موارد أقل من الحاويات التقليدية، مما يجعلها مناسبة لأجهزة الحافة ذات الموارد المحدودة.
• تحديثات آمنة عن بعد: تعد القدرة على نشر وتحديث وحدات Wasm بشكل آمن عن بعد ميزة كبيرة لإدارة أساطيل أجهزة الحافة.
• منطق متسق عبر الحافة والسحابة: يمكن للمطورين كتابة المنطق مرة واحدة في Wasm ونشره باستمرار من السحابة إلى الحافة، مما يبسط التطوير والصيانة.

تطبيقات سطح المكتب وأنظمة المكونات الإضافية

بينما يظل المتصفح هدفًا رئيسيًا، تفتح WASI الأبواب لـ Wasm خارج الويب. يمكن لتطبيقات سطح المكتب الاستفادة من Wasm لهياكل المكونات الإضافية أو لتشغيل التعليمات البرمجية غير الموثوق بها بأمان.

• هياكل مكونات إضافية آمنة: يمكن للتطبيقات مثل المحررات أو بيئات التطوير المتكاملة استخدام وحدات Wasm كمكونات إضافية، مما يوفر بيئة آمنة ومعزولة لتوسعات الطرف الثالث.
• تطبيقات عبر الأنظمة الأساسية: يمكن لتطبيقات Wasm، مع WASI، أن تقدم طريقة أكثر توحيدًا لبناء تطبيقات سطح المكتب عبر الأنظمة الأساسية، على الرغم من أن واجهة المستخدم/تجربة المستخدم الخاصة بالنظام الأساسي قد تتطلب رمزًا أصليًا.

الأنظمة المدمجة

بالنسبة للأنظمة المدمجة الأكثر تقدمًا، يمكن أن يكون تفاعل WASI المتحكم به مع الأجهزة وموارد النظام مفيدًا، خاصة عند دمجه مع أنظمة التشغيل في الوقت الفعلي (RTOS) التي لديها تطبيقات WASI.

التحديات والطريق إلى الأمام

على الرغم من التقدم الهائل، لا يزال نظام WASI البيئي في طور النضج. توجد العديد من التحديات ومجالات التطوير المستمر:

• وتيرة التوحيد القياسي: في حين أن WASI Preview 3 خطوة كبيرة، إلا أن معيار WASI نفسه لا يزال قيد التطور. يمكن أن يشكل مواكبة أحدث المقترحات وضمان التوافق عبر بيئات التشغيل المختلفة تحديًا للمطورين.
• تنفيذات بيئات التشغيل: يمكن أن تختلف جودة واكتمال ميزات تطبيقات WASI بين بيئات التشغيل مثل Wasmtime و Wasmer وغيرها. يحتاج المطورون إلى اختيار بيئات التشغيل التي تدعم بشكل أفضل واجهات WASI التي يعتمدون عليها.
• الأدوات وتصحيح الأخطاء: بينما تتحسن الأدوات بسرعة، لا تزال تجربة التطوير لـ Wasm مع WASI، بما في ذلك تصحيح الأخطاء والتنميط، مجالًا يتم فيه إحراز تقدم كبير.
• قابلية التشغيل البيني مع الأنظمة الحالية: يتطلب التكامل السلس لوحدات Wasm مع قواعد التعليمات البرمجية الحالية وغير Wasm والأنظمة القديمة واجهات محددة جيدًا وتخطيطًا معماريًا دقيقًا.
• موارد النظام والقدرات: يمثل الموازنة بين حاجة وحدات Wasm لأداء عمليات النظام المفيدة مع نموذج الأمان الخاص بـ WASI تحديًا مستمرًا. سيستمر تحديد مجموعة القدرات الدقيقة وكيفية إدارتها في التحسن.

مستقبل WASI: نحو الحوسبة للأغراض العامة

تعد WASI Preview 3 معلمًا هامًا، ولكنها جزء من رؤية أكبر لجعل WebAssembly بيئة تشغيل عالمية حقًا. من المتوقع أن تتضمن الإصدارات المستقبلية من WASI:

• شبكات أكثر تطوراً: دعم بروتوكولات وتكوينات شبكات أكثر تقدمًا.
• الرسومات وواجهة المستخدم: على الرغم من أنها ليست التركيز الأساسي، إلا أن هناك استكشافات لكيفية تفاعل Wasm مع مكتبات الرسومات وأطر عمل واجهة المستخدم، مما قد يكون مفيدًا لحالات استخدام سطح المكتب أو المدمجة.
• إدارة العمليات: طرق موحدة لإنشاء وإدارة العمليات الفرعية أو الخيوط داخل بيئة Wasm.
• التفاعل مع الأجهزة: طرق أكثر مباشرة، ولكن آمنة، للتفاعل مع ميزات الأجهزة المحددة، خاصة ذات الصلة بإنترنت الأشياء والأنظمة المدمجة.

الخلاصة: احتضان المستقبل مع WASI Preview 3

يمثل واجهة نظام WebAssembly (WASI) Preview 3 تطورًا حاسمًا في جعل WebAssembly حلاً قويًا وآمنًا ومحمولاً لمجموعة واسعة من مهام الحوسبة، ويمتد إلى ما وراء المتصفح. من المتوقع أن يؤدي واجهة استدعاء النظام المحسّنة، لا سيما مع تطوراتها في الشبكات والوصول إلى نظام الملفات وإدارة الساعات، إلى تسريع اعتماد Wasm في بيئات الحوسبة السحابية الأصلية والخالية من الخوادم وحوسبة الحافة عالميًا.

بالنسبة للمطورين والمؤسسات في جميع أنحاء العالم، فإن فهم واعتماد WASI Preview 3 يوفر مسارًا لبناء تطبيقات أكثر مرونة وأمانًا وقابلية للتشغيل المتبادل. أصبح وعد "اكتب مرة واحدة، شغل في كل مكان" واقعًا ملموسًا لبرمجة النظام، مما يعزز الابتكار والكفاءة عبر المناظر الطبيعية التكنولوجية المتنوعة. مع استمرار نضوج معيار WASI وتطبيقاته، يمكننا أن نتوقع أن تلعب WebAssembly دورًا أكثر مركزية في مستقبل تطوير البرمجيات.

النتائج الرئيسية لاعتماد WASI Preview 3:

• استكشاف بيئات تشغيل Wasm: تعرف على بيئات التشغيل الرائدة المتوافقة مع WASI مثل Wasmtime و Wasmer.
• الاستفادة من سلاسل أدوات اللغات: تحقق من كيفية تجميع لغات البرمجة المفضلة لديك إلى Wasm مع دعم WASI.
• فهم الأمان القائم على القدرات: صمم تطبيقات Wasm الخاصة بك مع مراعاة نموذج الأمان الخاص بـ WASI.
• ابدأ بـ Serverless/Microservices: هذه هي حالات الاستخدام الأكثر فورية التي تستفيد من تحسينات Preview 3.
• ابق على اطلاع: مواصفات WASI هدف متحرك؛ ابق على اطلاع بأحدث التطورات والمقترحات.

لقد حان عصر WebAssembly كبيئة تشغيل للأغراض العامة، و WASI Preview 3 خطوة ضخمة في هذا الاتجاه.