WebAssembly WASI Preview 3: انقلابی در رابط فراخوانی سیستمی برای محاسبات ابری و فراتر از آن

WebAssembly (Wasm) به سرعت از یک فناوری متمرکز بر مرورگر به یک محیط اجرای قدرتمند برای برنامه‌های سمت سرور، خدمات ابری-بومی، محاسبات لبه و حتی محیط‌های دسکتاپ تبدیل شده است. در قلب این گسترش، رابط سیستم وب‌اسمبلی (WASI) قرار دارد، یک استاندارد در حال تحول که نحوه تعامل ماژول‌های Wasm با سیستم عامل زیرین را تعریف می‌کند. پیشرفت‌های اخیر در WASI Preview 3 گامی قابل توجه به جلو را نشان می‌دهد، که یک رابط فراخوانی سیستمی قوی‌تر، قابل پیش‌بینی‌تر و غنی‌تر از ویژگی را معرفی می‌کند که نوید باز کردن پتانسیل بیشتر برای محاسبات قابل حمل و ایمن در سراسر جهان را می‌دهد.

خاستگاه WASI: پل زدن شکاف بین Wasm و سیستم

وب‌اسمبلی که در ابتدا برای مرورگرهای وب طراحی شده بود، ماهیت امنیتی و قابل حمل بودن سندباکس شده آن را به یک کاندیدای جذاب برای محیط‌های غیر مرورگر تبدیل کرده است. با این حال، برای اینکه ماژول‌های Wasm واقعاً در خارج از مرورگر مفید باشند، به یک روش استاندارد برای انجام عملیات سطح سیستم مانند ورودی/خروجی فایل، دسترسی به شبکه و بازیابی متغیرهای محیطی نیاز داشتند. این دقیقاً جایی است که WASI وارد می‌شود. WASI با هدف ارائه یک API سازگار مبتنی بر قابلیت، که به ماژول‌های Wasm اجازه می‌دهد تا به روشی ایمن و کنترل شده با سیستم میزبان تعامل داشته باشند، صرف نظر از سیستم عامل زیرین یا معماری سخت‌افزار.

چرا WASI؟ انگیزه‌ها و اصول طراحی کلیدی

• قابلیت حمل: وعده اصلی وب‌اسمبلی "در همه جا اجرا کنید" است. WASI این را به تعاملات سیستمی گسترش می‌دهد و تضمین می‌کند که یک ماژول Wasm که برای یک هدف WASI خاص کامپایل شده است، می‌تواند بدون تغییر بر روی هر محیط اجرای سازگار با WASI اجرا شود. این یک تغییر دهنده بازی برای توزیع و استقرار نرم‌افزار در محیط‌های متنوع است.
• امنیت: مدل امنیتی مبتنی بر قابلیت WASI بسیار مهم است. WASI به جای اعطای مجوزهای گسترده، قابلیت‌های خاص و با دانه‌بندی ریز (به عنوان مثال، توانایی خواندن از یک دایرکتوری خاص یا باز کردن یک سوکت شبکه خاص) را اعطا می‌کند. این امر در مقایسه با مدل‌های اجرایی سنتی، سطح حمله را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
• قابلیت همکاری: WASI زمینه مشترکی را برای تعامل زبان‌های برنامه‌نویسی و محیط‌های اجرای مختلف فراهم می‌کند. یک برنامه C++ که به Wasm کامپایل شده است می‌تواند به طور یکپارچه با یک ماژول Rust یا یک ماژول Go از طریق رابط‌های WASI تعامل داشته باشد و یک اکوسیستم توسعه یکپارچه‌تر را تقویت کند.
• کارایی: وب‌اسمبلی برای سریع و کارآمد طراحی شده است. با استانداردسازی فراخوانی‌های سیستمی، WASI با هدف به حداقل رساندن سربار مربوط به ارتباطات بین فرآیندی یا فراخوانی‌های سیستمی در محیط‌های سنتی، به ویژه هنگام اجرا در محیط‌های اجرای Wasm بهینه شده مانند Wasmtime یا Wasmer، تلاش می‌کند.

تکامل به پیش‌نمایش 3: پرداختن به محدودیت‌ها و گسترش قابلیت‌ها

سفر به WASI Preview 3 تکراری بوده و بر اساس پایه‌هایی که توسط مشخصات قبلی، به ویژه WASI Preview 1 بنا شده است، ساخته شده است. در حالی که Preview 1 مفاهیم اساسی و مجموعه‌ای از APIهای اصلی را معرفی کرد، محدودیت‌هایی داشت که پذیرش آن را برای موارد استفاده پیچیده‌تر، به ویژه در سناریوهای سمت سرور و ابری-بومی، مانع می‌شد. Preview 3 با اصلاح APIهای موجود و معرفی APIهای جدید، با تمرکز بر ثبات، وضوح و کاربرد گسترده‌تر، به دنبال رفع این موارد است.

بهبودهای کلیدی در WASI Preview 3

WASI Preview 3 یک تغییر یکپارچه واحد نیست، بلکه مجموعه‌ای از پیشنهادات و اصلاحات مرتبط است که در مجموع رابط فراخوانی سیستمی را بهبود می‌بخشد. در حالی که ساختار دقیق و قراردادهای نام‌گذاری هنوز در حال تثبیت هستند، مضامین اصلی حول ارائه روشی جامع‌تر و اصطلاحی‌تر برای ماژول‌های Wasm برای تعامل با سیستم‌های میزبان می‌چرخد. در اینجا برخی از مهم‌ترین زمینه‌های بهبود آورده شده است:

1. دسترسی به شبکه و پشتیبانی HTTP

یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های نسخه‌های اولیه WASI برای توسعه سمت سرور، فقدان قابلیت‌های شبکه قوی بود. Preview 3 پیشرفت‌های قابل توجهی در این زمینه، به ویژه با توسعه پیشنهادات سرور و کلاینت HTTP، ایجاد می‌کند. اینها با هدف ارائه روشی استاندارد برای ماژول‌های Wasm برای مدیریت درخواست‌های HTTP ورودی و انجام تماس‌های HTTP خروجی است.

• API سرور HTTP: این پیشنهاد رابط‌هایی را برای محیط‌های اجرای Wasm برای در معرض قرار دادن درخواست‌های HTTP ورودی برای ماژول‌های Wasm تعریف می‌کند. این برای ساخت سرورهای وب، دروازه‌های API و میکروسرویس‌ها کاملاً در وب‌اسمبلی حیاتی است. توسعه‌دهندگان می‌توانند پردازشگرهایی برای مسیرهای خاص بنویسند، هدرها و بدنه درخواست را پردازش کنند و پاسخ‌های HTTP را برگردانند. این امکان ایجاد برنامه‌های وب کاملاً قابل حمل را فراهم می‌کند که می‌توانند بر روی هر محیط اجرای سازگار با WASI، چه یک ارائه‌دهنده ابری، یک دستگاه لبه، یا حتی یک سرور توسعه محلی، اجرا شوند.
• API کلاینت HTTP: این API که مکمل API سرور است، به ماژول‌های Wasm اجازه می‌دهد تا درخواست‌های HTTP خروجی را آغاز کنند. این برای ادغام با خدمات خارجی، دریافت داده‌ها از APIها و ساخت میکروسرویس‌هایی که با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، ضروری است. این API برای کارآمد و ایمن بودن طراحی شده است، که امکان کنترل دقیق پارامترهای درخواست و مدیریت پاسخ را فراهم می‌کند.
• قابلیت‌های شبکه (عمومی): فراتر از HTTP، تلاش‌های مداومی برای استانداردسازی اصول اولیه شبکه سطح پایین‌تر، مانند برنامه‌نویسی سوکت (TCP/UDP) وجود دارد. در حالی که اینها ممکن است تمرکز اصلی اولین نسخه‌های Preview 3 نباشند، آنها برای ساخت برنامه‌های شبکه پیچیده‌تر و تضمین سازگاری گسترده با پروتکل‌های شبکه موجود حیاتی هستند.

مثال: تصور کنید یک نقطه پایانی API بدون سرور با استفاده از Rust و WebAssembly می‌سازید. با قابلیت‌های سرور HTTP WASI Preview 3، ماژول Wasm Rust شما می‌تواند منتظر درخواست‌های ورودی باشد، payloadهای JSON را تجزیه کند، با یک پایگاه داده تعامل داشته باشد (از طریق یک رابط WASI دیگر یا یک تابع ارائه‌شده توسط میزبان) و پاسخ JSON را برگرداند، همه در سندباکس امن Wasm. سپس این برنامه می‌تواند بدون تغییر در پلتفرم‌های مختلف ابری مستقر شود و از رابط ثابت WASI بهره‌مند شود.

2. بهبود دسترسی به سیستم فایل

در حالی که WASI Preview 1 دسترسی اولیه به سیستم فایل را از طریق کامپوننت wasi-filesystem شامل می‌شد، Preview 3 قصد دارد این قابلیت‌ها را برای همسویی بهتر با عملیات سیستم فایل مدرن و ارائه کنترل دانه‌بندی دقیق‌تر، اصلاح و گسترش دهد.

• جریان‌های دایرکتوری: مکانیسم‌های بهبود یافته برای پیمایش محتویات دایرکتوری، که به ماژول‌های Wasm اجازه می‌دهد تا فایل‌ها و زیردایرکتوری‌ها را به طور موثر فهرست کنند.
• فراداده فایل: راه‌های استاندارد شده برای دسترسی به فراداده فایل مانند مجوزها، زمان‌بندی‌ها و اندازه.
• ورودی/خروجی ناهمزمان: در حالی که هنوز یک حوزه فعال توسعه است، تاکید فزاینده‌ای بر پشتیبانی از عملیات ورودی/خروجی فایل ناهمزمان برای جلوگیری از مسدود کردن محیط اجرای Wasm و بهبود عملکرد کلی، به ویژه در برنامه‌های I/O-bound وجود دارد.

مثال: یک برنامه پردازش داده که به زبان Go نوشته شده و به Wasm کامپایل شده است، ممکن است نیاز به خواندن چندین فایل پیکربندی از یک دایرکتوری خاص داشته باشد. APIهای بهبود یافته سیستم فایل WASI Preview 3 به آن اجازه می‌دهد تا فایل‌ها را با خیال راحت و به طور موثر فهرست کند، محتویات آنها را بخواند و آنها را پردازش کند، در حالی که به دایرکتوری‌های خاصی که محیط اجرای Wasm به آن دسترسی داده است، احترام می‌گذارد.

3. ساعت‌ها و تایمرها

زمان‌بندی دقیق و توانایی زمان‌بندی عملیات، برای بسیاری از برنامه‌ها اساسی است. Preview 3 رابط‌ها را برای دسترسی به ساعت‌های سیستم و تنظیم تایمرها روشن و استاندارد می‌کند.

• ساعت‌های یکنواخت: دسترسی به ساعت‌هایی را فراهم می‌کند که تضمین شده است که همیشه افزایش می‌یابند، مناسب برای اندازه‌گیری فواصل زمانی و تشخیص رگرسیون عملکرد.
• زمان ساعت دیواری: اجازه دسترسی به تاریخ و زمان فعلی را می‌دهد، که برای ثبت، زمان‌بندی و ویژگی‌های قابل مشاهده توسط کاربر مفید است.
• تایمرها: ماژول‌های Wasm را قادر می‌سازد تا رویدادهای ناهمزمان یا callbackها را پس از یک تأخیر مشخص زمان‌بندی کنند، که برای ساخت برنامه‌های پاسخگو و پیاده‌سازی مهلت‌های زمانی حیاتی است.

مثال: یک فرآیند کارگر پس‌زمینه در Wasm می‌تواند از رابط‌های تایمر برای بررسی دوره‌ای به‌روزرسانی‌ها یا انجام وظایف نگهداری زمان‌بندی شده استفاده کند. همچنین می‌تواند از ساعت‌های یکنواخت برای اندازه‌گیری مدت زمان عملیات حیاتی در ماژول استفاده کند.

4. متغیرهای محیطی و آرگومان‌ها

دسترسی به متغیرهای محیطی و آرگومان‌های خط فرمان یک الزام رایج برای پیکربندی برنامه‌ها است. Preview 3 این رابط‌ها را تثبیت می‌کند و باعث می‌شود ماژول‌های Wasm در زمان اجرا به صورت پویا پیکربندی شوند.

• متغیرهای محیطی: راهی امن برای خواندن متغیرهای محیطی که محیط اجرای میزبان به طور صریح به ماژول Wasm ارسال کرده است، فراهم می‌کند.
• آرگومان‌های خط فرمان: به ماژول‌های Wasm اجازه می‌دهد تا به آرگومان‌هایی که هنگام فراخوانی توسط میزبان به آنها ارسال می‌شود، دسترسی پیدا کنند.

مثال: یک ابزار مبتنی بر Wasm که به رشته اتصال پایگاه داده نیاز دارد، می‌تواند این رشته را از یک متغیر محیطی که توسط هماهنگ‌کننده کانتینر تنظیم شده است یا آرگومان‌های خط فرمان ارائه‌شده توسط کاربر بخواند، و ماژول Wasm را بدون نیاز به کامپایل مجدد بسیار قابل پیکربندی کند.

5. مدیریت خطای استاندارد و قابلیت‌ها

فراتر از APIهای عملکردی خاص، Preview 3 همچنین بر بهبود اصول طراحی کلی WASI، از جمله مدیریت خطا و مدل امنیتی مبتنی بر قابلیت، تمرکز دارد.

• گزارش خطای واضح‌تر: تلاش‌هایی برای ارائه کدهای خطا و پیام‌های استانداردتر و آموزنده‌تر از فراخوانی‌های سیستمی WASI در حال انجام است که اشکال‌زدایی و مدیریت خطا در ماژول‌های Wasm را ساده‌تر می‌کند.
• مدیریت قابلیت اصلاح شده: مدل مبتنی بر قابلیت در حال تکرار است تا اطمینان حاصل شود که هم برای برنامه‌های پیچیده قدرتمند است و هم برای محیط‌های اجرا برای پیاده‌سازی و مدیریت آسان است. این شامل بررسی راه‌هایی برای انتقال ایمن قابلیت‌ها بین ماژول‌های Wasm است.

تأثیر WASI Preview 3 بر پارادایم‌های مختلف محاسباتی

بهبودهای WASI Preview 3 پیامدهای گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف محاسباتی دارد:

محاسبات ابری-بومی و بدون سرور

این را می‌توان بیشترین تأثیر فوری و عمیق WASI Preview 3 دانست. با ارائه پشتیبانی قوی HTTP و ورودی/خروجی فایل بهبود یافته، ماژول‌های Wasm با فعال‌سازی WASI به شهروندان درجه یک برای ساخت میکروسرویس‌ها، APIها و توابع بدون سرور تبدیل می‌شوند.

• کاهش شروع‌های سرد: محیط‌های اجرای Wasm اغلب زمان شروع سرد قابل توجهی سریع‌تر نسبت به کانتینرها یا ماشین‌های مجازی سنتی دارند، که یک مزیت حیاتی برای برنامه‌های بدون سرور است.
• امنیت بهبود یافته: سندباکس ذاتی و امنیت مبتنی بر قابلیت Wasm و WASI برای محیط‌های ابری چند مستأجر بسیار جذاب است و خطر تأثیر یک بار کاری بر دیگری را کاهش می‌دهد.
• تنوع زبان: توسعه‌دهندگان می‌توانند از زبان‌های دلخواه خود (Rust، Go، C++، AssemblyScript و غیره) برای ساخت خدمات ابری-بومی که به Wasm کامپایل می‌شوند، استفاده کنند، که انتخاب و بهره‌وری بیشتر توسعه‌دهندگان را ترویج می‌کند.
• قابلیت حمل بین ارائه‌دهندگان ابری: یک میکروسرویس Wasm که با WASI ساخته شده است، به طور نظری می‌تواند بر روی هر ارائه‌دهنده ابری که محیط اجرای سازگار با WASI را ارائه می‌دهد، اجرا شود و قفل شدن فروشنده را کاهش دهد.

محاسبات لبه

دستگاه‌های لبه اغلب منابع محدود و محدودیت‌های شبکه منحصر به فردی دارند. ماهیت سبک WASI و عملکرد قابل پیش‌بینی آن را برای استقرارهای لبه ایده‌آل می‌سازد.

• کارایی منابع: ماژول‌های Wasm منابع کمتری نسبت به کانتینرهای سنتی مصرف می‌کنند و آنها را برای دستگاه‌های لبه با منابع محدود مناسب می‌سازند.
• به‌روزرسانی‌های امن از راه دور: توانایی استقرار و به‌روزرسانی ایمن ماژول‌های Wasm از راه دور یک مزیت قابل توجه برای مدیریت ناوگان دستگاه‌های لبه است.
• منطق سازگار در سراسر لبه و ابر: توسعه‌دهندگان می‌توانند منطق را یک بار در Wasm بنویسند و آن را به طور سازگار از ابر به لبه مستقر کنند، و توسعه و نگهداری را ساده کنند.

برنامه‌های دسکتاپ و سیستم‌های پلاگین

در حالی که مرورگر یک هدف کلیدی باقی می‌ماند، WASI درهایی را برای Wasm فراتر از وب باز می‌کند. برنامه‌های دسکتاپ می‌توانند از Wasm برای معماری‌های پلاگین استفاده کنند یا کد غیرقابل اعتماد را به طور ایمن اجرا کنند.

• معماری‌های پلاگین امن: برنامه‌هایی مانند ویرایشگرها یا IDEها می‌توانند از ماژول‌های Wasm به عنوان پلاگین استفاده کنند و یک محیط امن و سندباکس شده برای افزونه‌های شخص ثالث فراهم کنند.
• برنامه‌های بین پلتفرمی: برنامه‌های Wasm، با WASI، می‌توانند راه استانداردتری برای ساخت برنامه‌های دسکتاپ بین پلتفرمی ارائه دهند، اگرچه رابط کاربری/تجربه کاربری خاص پلتفرم ممکن است همچنان به کد بومی نیاز داشته باشد.

سیستم‌های تعبیه شده

برای سیستم‌های تعبیه شده پیشرفته‌تر، تعامل کنترل شده WASI با سخت‌افزار و منابع سیستم می‌تواند مفید باشد، به خصوص هنگامی که با سیستم‌های عامل بی‌درنگ (RTOS) که پیاده‌سازی محیط اجرای WASI دارند، ترکیب شود.

چالش‌ها و راه پیش رو

علیرغم پیشرفت‌های چشمگیر، اکوسیستم WASI هنوز در حال بلوغ است. چندین چالش و حوزه برای توسعه مداوم وجود دارد:

• سرعت استانداردسازی: در حالی که WASI Preview 3 یک گام بزرگ است، خود استاندارد WASI هنوز در حال تحول است. همراهی با آخرین پیشنهادات و تضمین سازگاری بین محیط‌های اجرای مختلف می‌تواند برای توسعه‌دهندگان چالش‌برانگیز باشد.
• پیاده‌سازی‌های محیط اجرا: کیفیت و کامل بودن ویژگی‌های پیاده‌سازی‌های WASI می‌تواند بین محیط‌های اجرایی مانند Wasmtime، Wasmer و سایرین متفاوت باشد. توسعه‌دهندگان باید محیط‌های اجرایی را انتخاب کنند که بهترین پشتیبانی از رابط‌های WASI مورد نیاز آنها را ارائه می‌دهند.
• ابزارها و اشکال‌زدایی: در حالی که ابزارها به سرعت در حال بهبود هستند، تجربه توسعه برای Wasm با WASI، از جمله اشکال‌زدایی و پروفایل‌بندی، هنوز حوزه‌ای است که پیشرفت‌های قابل توجهی در حال انجام است.
• قابلیت همکاری با سیستم‌های موجود: ادغام یکپارچه ماژول‌های Wasm با پایگاه‌های کد موجود، غیر Wasm و سیستم‌های قدیمی، نیاز به رابط‌های تعریف شده خوب و برنامه‌ریزی معماری دقیق دارد.
• منابع و قابلیت‌های سیستم: متعادل کردن نیاز ماژول‌های Wasm برای انجام عملیات سیستمی مفید با مدل امنیتی WASI یک چالش مداوم است. تعریف مجموعه دقیق قابلیت‌ها و نحوه مدیریت آنها همچنان اصلاح خواهد شد.

آینده WASI: به سوی محاسبات عمومی

WASI Preview 3 یک نقطه عطف مهم است، اما بخشی از یک چشم‌انداز بزرگتر برای تبدیل وب‌اسمبلی به یک محیط اجرای واقعاً جهانی است. انتظار می‌رود تکرارهای آینده WASI شامل موارد زیر باشد:

• شبکه پیچیده‌تر: پشتیبانی از پروتکل‌ها و پیکربندی‌های شبکه‌ای پیشرفته‌تر.
• گرافیک و رابط کاربری: در حالی که تمرکز اصلی نیست، کاوش‌هایی در مورد نحوه تعامل Wasm با کتابخانه‌های گرافیکی و چارچوب‌های رابط کاربری، به طور بالقوه برای موارد استفاده دسکتاپ یا تعبیه شده وجود دارد.
• مدیریت فرآیند: راه‌های استاندارد شده برای راه‌اندازی و مدیریت فرآیندهای فرزند یا رشته‌ها در محیط Wasm.
• تعامل با سخت‌افزار: راه‌های مستقیم‌تر اما ایمن برای تعامل با ویژگی‌های خاص سخت‌افزار، به ویژه برای اینترنت اشیا و سیستم‌های تعبیه شده مرتبط است.

نتیجه‌گیری: پذیرش آینده با WASI Preview 3

رابط سیستم وب‌اسمبلی (WASI) Preview 3 نشان‌دهنده تکامل حیاتی در تبدیل وب‌اسمبلی به یک راه‌حل قدرتمند، ایمن و قابل حمل برای طیف گسترده‌ای از وظایف محاسباتی است که فراتر از مرورگر گسترش می‌یابد. رابط فراخوانی سیستمی بهبود یافته، به ویژه با پیشرفت‌های آن در شبکه، دسترسی به سیستم فایل و مدیریت ساعت، آماده تسریع پذیرش Wasm در محیط‌های ابری-بومی، بدون سرور و محاسبات لبه در سراسر جهان است.

برای توسعه‌دهندگان و سازمان‌ها در سراسر جهان، درک و پذیرش WASI Preview 3 مسیری را برای ساخت برنامه‌های مقاوم‌تر، ایمن‌تر و قابل همکاری ارائه می‌دهد. وعده "یک بار بنویس، همه جا اجرا کن" برای برنامه‌نویسی سطح سیستم در حال تبدیل شدن به یک واقعیت ملموس است و نوآوری و کارایی را در چشم‌اندازهای مختلف فناوری تقویت می‌کند. همانطور که استاندارد WASI و پیاده‌سازی‌های آن به بلوغ خود ادامه می‌دهند، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که وب‌اسمبلی نقش حتی مرکزی‌تری در آینده توسعه نرم‌افزار ایفا کند.

نکات کلیدی برای پذیرش WASI Preview 3:

• محیط‌های اجرای Wasm را کاوش کنید: با محیط‌های اجرای سازگار با WASI پیشرو مانند Wasmtime و Wasmer آشنا شوید.
• از زنجیره‌های ابزار زبان استفاده کنید: بررسی کنید که چگونه زبان‌های برنامه‌نویسی مورد علاقه شما با پشتیبانی WASI به Wasm کامپایل می‌شوند.
• امنیت مبتنی بر قابلیت را درک کنید: برنامه‌های Wasm خود را با در نظر گرفتن مدل امنیتی WASI طراحی کنید.
• با Serverless/Microservices شروع کنید: اینها فوری‌ترین موارد استفاده هستند که از بهبودهای Preview 3 بهره‌مند می‌شوند.
• به‌روز بمانید: مشخصات WASI یک هدف متحرک است؛ از آخرین تحولات و پیشنهادات آگاه باشید.

عصر وب‌اسمبلی به عنوان یک محیط اجرای عمومی فرا رسیده است و WASI Preview 3 گامی عظیم در این جهت است.