WebAssembly WASI Preview 3: Революция в интерфейса за системни повиквания за Cloud-Native и отвъд

WebAssembly (Wasm) се разви бързо от технология, центрирана върху браузъри, до мощно време за изпълнение за приложения от страна на сървъра, cloud-native услуги, edge computing и дори настолни среди. В сърцевината на това разширяване лежи WebAssembly System Interface (WASI), развиващ се стандарт, който дефинира как Wasm модулите могат да взаимодействат с основната операционна система. Последните постижения в WASI Preview 3 представляват значителен скок напред, въвеждайки по-здрав, предвидим и богат на функции интерфейс за системни повиквания, който обещава да отключи още по-голям потенциал за преносими и сигурни компютри в световен мащаб.

Създаването на WASI: Преодоляване на пропастта между Wasm и системата

Първоначално проектиран за уеб браузъри, сандбокс природата на WebAssembly, вродена сигурност и преносимост, го направиха привлекателен кандидат за среди извън браузъра. Въпреки това, за да бъдат наистина полезни извън браузъра, Wasm модулите се нуждаеха от стандартизиран начин за извършване на операции на системно ниво, като входно/изходни операции с файлове, мрежов достъп и извличане на променливи на средата. Именно тук се намесва WASI. WASI има за цел да предостави последователен API, базиран на възможности, който позволява на Wasm модулите да взаимодействат със хост системата по сигурен и контролиран начин, независимо от основната операционна система или хардуерната архитектура.

Защо WASI? Основни мотивации и принципи на проектиране

• Преносимост: Основното обещание на WebAssembly е „работи навсякъде“. WASI разширява това до системни взаимодействия, като гарантира, че Wasm модул, компилиран за конкретна WASI цел, може да работи на всяко WASI-съвместимо време за изпълнение без модификация. Това променя играта за разпространение и внедряване на софтуер в различни среди.
• Сигурност: Базираният на възможности модел за сигурност на WASI е от първостепенно значение. Вместо да предоставя широки разрешения, интерфейсите на WASI предоставят специфични, фино настроени възможности (напр. способността да се чете от конкретна директория или да се отвори конкретен мрежов сокет). Това значително намалява повърхността на атака в сравнение с традиционните изпълними модели.
• Оперативност: WASI предоставя обща основа за взаимодействие на различни програмни езици и времена за изпълнение. C++ приложение, компилирано в Wasm, може безпроблемно да взаимодейства с Rust модул или Go модул чрез WASI интерфейси, насърчавайки по-единна екосистема за разработка.
• Ефективност: WebAssembly е проектиран да бъде бърз и ефективен. Чрез стандартизиране на системните повиквания, WASI има за цел да минимизира режийните разходи, свързани с междупроцесорна комуникация или системни повиквания в традиционните среди, особено когато се изпълнява в оптимизирани Wasm времена за изпълнение като Wasmtime или Wasmer.

Еволюцията до Preview 3: Адресиране на ограничения и разширяване на възможностите

Пътуването до WASI Preview 3 беше итеративно, надграждайки основите, положени от по-ранни спецификации, най-вече WASI Preview 1. Докато Preview 1 въведе основни концепции и набор от основни API, той имаше определени ограничения, които възпрепятстваха приемането му за по-сложни случаи на употреба, особено в сценарии от страна на сървъра и cloud-native. Preview 3 има за цел да ги адресира, като усъвършенства съществуващите API и въвежда нови, фокусирайки се върху стабилността, яснотата и по-широката приложимост.

Основни подобрения в WASI Preview 3

WASI Preview 3 не е единична монолитна промяна, а по-скоро колекция от взаимосвързани предложения и подобрения, които колективно подобряват интерфейса за системни повиквания. Докато точната структура и конвенции за именуване все още се затвърждават, основните теми се въртят около осигуряването на по-изчерпателен и идиоматичен начин за Wasm модулите да взаимодействат с хост системи. Ето някои от най-значимите области на подобрение:

1. Мрежов достъп и HTTP поддръжка

Едно от най-значимите ограничения на ранните WASI версии за разработка от страна на сървъра беше липсата на надеждни мрежови възможности. Preview 3 постига значителен напредък в тази област, особено с разработването на HTTP сървър и клиентски предложения. Те имат за цел да предоставят стандартизиран начин за Wasm модулите да обработват входящи HTTP заявки и да правят изходящи HTTP обаждания.

• HTTP Server API: Това предложение дефинира интерфейси за Wasm времена за изпълнение, за да излага входящи HTTP заявки към Wasm модули. Това е от решаващо значение за изграждането на уеб сървъри, API шлюзове и микроуслуги изцяло в WebAssembly. Разработчиците могат да пишат обработчици за конкретни маршрути, да обработват заглавки и тела на заявки и да изпращат HTTP отговори. Това позволява създаването на истински преносими уеб приложения, които могат да работят на всяко WASI-съвместимо време за изпълнение, независимо дали става въпрос за доставчик на облак, edge устройство или дори локален сървър за разработка.
• HTTP Client API: Допълвайки сървърния API, клиентският API позволява на Wasm модулите да инициират изходящи HTTP заявки. Това е от съществено значение за интегриране с външни услуги, извличане на данни от API и изграждане на микроуслуги, които комуникират помежду си. API е проектиран да бъде ефективен и сигурен, позволявайки фин контрол върху параметрите на заявката и обработката на отговори.
• Мрежови възможности (Общи): Освен HTTP, има текущи усилия за стандартизиране на мрежови примитиви на по-ниско ниво, като програмиране на сокети (TCP/UDP). Въпреки че те може да не са основният фокус на първоначалните издания на Preview 3, те са от решаващо значение за изграждането на по-сложни мрежови приложения и осигуряването на широка съвместимост със съществуващите мрежови протоколи.

Пример: Представете си, че създавате безсървърна API крайна точка, използвайки Rust и WebAssembly. С HTTP сървърните възможности на WASI Preview 3, вашият Rust Wasm модул може да слуша за входящи заявки, да анализира JSON полезни товари, да взаимодейства с база данни (чрез друг WASI интерфейс или предоставена от хоста функция) и да върне JSON отговор, всичко това в рамките на сигурния Wasm пясъчник. След това това приложение може да бъде внедрено в различни облачни платформи без модификация, възползвайки се от последователния WASI интерфейс.

2. Подобрения на достъпа до файловата система

Докато WASI Preview 1 включваше основен достъп до файлова система чрез компонента wasi-filesystem, Preview 3 има за цел да усъвършенства и разшири тези възможности, за да се приведе по-добре в съответствие със съвременните операции с файлова система и да осигури по-подробен контрол.

• Потоци от директории: Подобрени механизми за итерация върху съдържанието на директорията, позволяващи на Wasm модулите ефективно да изброяват файлове и поддиректории.
• Метаданни на файл: Стандартизирани начини за достъп до метаданни на файл, като разрешения, времеви печати и размер.
• Асинхронно входно/изходно: Докато все още е активна област на разработка, има нарастващ акцент върху поддръжката на асинхронни входно/изходни операции с файлове, за да се предотврати блокирането на времето за изпълнение на Wasm и да се подобри цялостната производителност, особено при приложения, свързани с входно/изходни операции.

Пример: Приложение за обработка на данни, написано в Go и компилирано в Wasm, може да се наложи да прочете множество конфигурационни файлове от конкретна директория. Подобрените API на файловата система на WASI Preview 3 биха му позволили безопасно и ефективно да изброява файловете, да чете тяхното съдържание и да ги обработва, като същевременно зачита конкретните директории, до които времето за изпълнение на Wasm му е предоставило достъп.

3. Часовници и таймери

Точното отчитане на времето и способността за планиране на операции са основни за много приложения. Preview 3 изяснява и стандартизира интерфейсите за достъп до системни часовници и настройка на таймери.

• Монотонни часовници: Предоставя достъп до часовници, които са гарантирано винаги да се увеличават, подходящи за измерване на интервали от време и откриване на регресии в производителността.
• Време на стенния часовник: Позволява достъп до текущата дата и час, полезно за регистриране, планиране и функции, ориентирани към потребителя.
• Таймери: Позволява на Wasm модулите да планират асинхронни събития или обратни повиквания след определено забавяне, което е от решаващо значение за изграждането на отзивчиви приложения и внедряването на тайм аути.

Пример: Процес за фонова работа в Wasm може да използва интерфейси на таймера, за да проверява периодично за актуализации или да извършва планирани задачи по поддръжка. Той също така може да използва монотонни часовници за измерване на продължителността на критични операции в модула.

4. Променливи на средата и аргументи

Достъпът до променливи на средата и аргументи от командния ред е често срещано изискване за конфигуриране на приложения. Preview 3 консолидира тези интерфейси, улеснявайки динамичната конфигурация на Wasm модулите по време на изпълнение.

• Променливи на средата: Осигурява сигурен начин за четене на променливите на средата, които времето за изпълнение на хоста изрично е предало на Wasm модула.
• Аргументи от командния ред: Позволява на Wasm модулите да имат достъп до аргументите, предадени им, когато са извикани от хоста.

Пример: Утилита, базирана на Wasm, която изисква низ за връзка с база данни, може да прочете този низ от променлива на средата, зададена от организатора на контейнери или аргументите от командния ред, предоставени от потребителя, което прави Wasm модула много конфигурируем, без повторно компилиране.

5. Стандартизирано обработване на грешки и възможности

Освен специфичните функционални API, Preview 3 също се фокусира върху подобряването на цялостните принципи на проектиране на WASI, включително обработка на грешки и модела за сигурност, базиран на възможности.

• По-ясни отчети за грешки: Полагат се усилия за предоставяне на по-стандартизирани и информативни кодове за грешки и съобщения от системните повиквания на WASI, което прави отстраняването на грешки и обработката на грешки в Wasm модулите по-ясни.
• Усъвършенствано управление на възможностите: Моделът, базиран на възможности, се повтаря, за да се гарантира, че е едновременно достатъчно мощен за сложни приложения и лесен за изпълнение и управление от времената за изпълнение. Това включва проучване на начини за сигурно предаване на възможности между Wasm модули.

Влиянието на WASI Preview 3 върху различни компютърни парадигми

Подобренията в WASI Preview 3 имат далеко стигащи последици в различни области на компютрите:

Cloud-Native и безсървърни изчисления

Това е може би мястото, където WASI Preview 3 ще има най-непосредственото и дълбоко въздействие. Чрез предоставянето на здрава HTTP поддръжка и подобрен вход/изход с файлове, WASI-разрешените Wasm модули стават първокласни граждани за изграждане на микроуслуги, API и безсървърни функции.

• Намалени студени стартове: Wasm времена за изпълнение често имат значително по-бързо време за студен старт в сравнение с традиционните контейнери или виртуални машини, което е решаващо предимство за безсървърните приложения.
• Подобрена сигурност: Вроденият пясъчник и базираната на възможности сигурност на Wasm и WASI са много привлекателни за многонаемните облачни среди, намалявайки риска една работна натовареност да повлияе на друга.
• Езиково разнообразие: Разработчиците могат да използват предпочитаните от тях езици (Rust, Go, C++, AssemblyScript и т.н.), за да изграждат cloud-native услуги, които се компилират във Wasm, насърчавайки по-голям избор на разработчици и производителност.
• Преносимост в доставчиците на облачни услуги: Микроуслуга Wasm, изградена с WASI, теоретично може да работи на всеки доставчик на облак, който предлага WASI-съвместимо време за изпълнение, намалявайки заключването от доставчик.

Edge Computing

Edge устройствата често имат ограничени ресурси и уникални мрежови ограничения. Лекият характер на WASI и предвидимата производителност го правят идеален за edge разполагания.

• Ефективност на ресурсите: Wasm модулите консумират по-малко ресурси от традиционните контейнери, което ги прави подходящи за edge устройства с ограничени ресурси.
• Сигурни отдалечени актуализации: Възможността за сигурно разполагане и актуализиране на Wasm модули дистанционно е значително предимство за управление на флоти от edge устройства.
• Последователна логика в Edge и Cloud: Разработчиците могат да пишат логика веднъж във Wasm и да я разполагат последователно от облака до edge, опростявайки разработката и поддръжката.

Настолни приложения и плъгин системи

Докато браузърът остава ключова цел, WASI отваря врати за Wasm извън мрежата. Настолните приложения могат да използват Wasm за плъгин архитектури или за безопасно стартиране на несигурен код.

• Сигурни плъгин архитектури: Приложения като редактори или IDE могат да използват Wasm модули като плъгини, предоставяйки сигурна и изолирана среда за разширения на трети страни.
• Кръстосаноплатформени приложения: Wasm приложения, с WASI, могат да предложат по-стандартизиран начин за изграждане на кръстосаноплатформени настолни приложения, въпреки че специфичен за платформата UI/UX може все още да изисква собствен код.

Вградени системи

За по-усъвършенствани вградени системи, контролираното взаимодействие на WASI с хардуера и системните ресурси може да бъде полезно, особено когато се комбинира с операционни системи в реално време (RTOS), които имат WASI реализации за време за изпълнение.

Предизвикателства и пътят напред

Въпреки огромния напредък, екосистемата на WASI все още узрява. Съществуват няколко предизвикателства и области за продължаващо развитие:

• Темпо на стандартизация: Докато WASI Preview 3 е основна стъпка, самият стандарт WASI все още се развива. Поддържането на най-новите предложения и осигуряването на съвместимост между различните времена за изпълнение може да бъде предизвикателство за разработчиците.
• Времена за изпълнение: Качеството и пълнотата на функциите на WASI реализациите може да варира между времена за изпълнение като Wasmtime, Wasmer и други. Разработчиците трябва да изберат времена за изпълнение, които най-добре поддържат WASI интерфейсите, на които разчитат.
• Инструменти и отстраняване на грешки: Докато инструментите се подобряват бързо, опитът за разработка за Wasm с WASI, включително отстраняване на грешки и профилиране, все още е област, в която се правят значителни подобрения.
• Оперативност със съществуващите системи: Безпроблемната интеграция на Wasm модули със съществуващи кодови бази, които не са Wasm, и наследени системи изисква добре дефинирани интерфейси и внимателно архитектурно планиране.
• Системни ресурси и възможности: Балансирането на необходимостта Wasm модулите да извършват полезни системни операции с модела за сигурност на WASI е текущо предизвикателство. Дефинирането на точния набор от възможности и как те се управляват ще продължи да се усъвършенства.

Бъдещето на WASI: Към изчисления с общо предназначение

WASI Preview 3 е важен етап, но той е част от по-голяма визия за превръщането на WebAssembly в наистина универсално време за изпълнение. Очаква се бъдещите итерации на WASI да включват:

• По-сложни мрежи: Поддръжка за по-усъвършенствани мрежови протоколи и конфигурации.
• Графика и потребителски интерфейс: Докато не е основният фокус, има проучвания за това как Wasm може да взаимодейства с графични библиотеки и UI рамки, потенциално за настолни или вградени случаи на употреба.
• Управление на процеси: Стандартизирани начини за създаване и управление на дъщерни процеси или нишки в средата на Wasm.
• Хардуерно взаимодействие: По-директни, но сигурни начини за взаимодействие със специфични хардуерни функции, особено подходящи за IoT и вградени системи.

Заключение: Прегръщайки бъдещето с WASI Preview 3

WebAssembly System Interface (WASI) Preview 3 бележи критична еволюция в превръщането на WebAssembly в мощно, сигурно и преносимо решение за широк спектър от компютърни задачи, простиращо се далеч отвъд браузъра. Подобреният интерфейс за системни повиквания, особено с неговия напредък в работата в мрежа, достъпа до файловата система и управлението на часовника, е готов да ускори приемането на Wasm в cloud-native, безсървърни и edge computing среди в световен мащаб.

За разработчиците и организациите по целия свят, разбирането и приемането на WASI Preview 3 предлага път към изграждане на по-устойчиви, сигурни и оперативно съвместими приложения. Обещанието за „пишете веднъж, работете навсякъде“ се превръща в осезаема реалност за програмиране на системно ниво, насърчавайки иновациите и ефективността в различни технологични среди. Тъй като стандартът WASI и неговите реализации продължават да узряват, можем да очакваме WebAssembly да играе още по-централна роля в бъдещето на разработката на софтуер.

Основни изводи за приемането на WASI Preview 3:

• Разгледайте Wasm времена за изпълнение: Запознайте се с водещите WASI-съвместими времена за изпълнение като Wasmtime и Wasmer.
• Използвайте инструментални вериги за езици: Проучете как предпочитаните от вас програмни езици се компилират в Wasm с WASI поддръжка.
• Разберете сигурността, базирана на възможности: Проектирайте вашите Wasm приложения с мисъл за модела за сигурност на WASI.
• Започнете с безсървърни/микроуслуги: Това са най-непосредствените случаи на употреба, които се възползват от подобренията на Preview 3.
• Бъдете в течение: Спецификацията на WASI е подвижна цел; бъдете в крак с най-новите разработки и предложения.

Ерата на WebAssembly като време за изпълнение с общо предназначение е настъпила и WASI Preview 3 е монументална стъпка в тази посока.