وب‌اسمبلی WASI: رابط سیستمی و دسترسی به فایل سیستم

وب‌اسمبلی (Wasm) به عنوان یک فناوری قدرتمند برای اجرای کد در مرورگرهای وب و به طور فزاینده‌ای خارج از آن‌ها ظهور کرده است. این فناوری عملکردی نزدیک به بومی، امنیت و قابلیت حمل را ارائه می‌دهد. یکی از عناصر کلیدی در تحقق پتانسیل کامل Wasm، رابط سیستمی وب‌اسمبلی (WASI) است. این پست وبلاگ به بررسی WASI با تمرکز ویژه بر نقش حیاتی آن در فراهم کردن دسترسی به فایل سیستم می‌پردازد و مزایا، پیاده‌سازی و پیامدهای آن را برای توسعه نرم‌افزار مدرن تشریح می‌کند.

وب‌اسمبلی (Wasm) چیست؟

وب‌اسمبلی یک فرمت دستورالعمل باینری است که برای یک ماشین مجازی مبتنی بر پشته طراحی شده است. این فناوری به عنوان یک هدف کامپایل قابل حمل برای زبان‌های برنامه‌نویسی عمل می‌کند و امکان استقرار برنامه‌ها را در وب (و فراتر از آن) با عملکرد بالا فراهم می‌سازد. به جای نوشتن کد به طور خاص برای مرورگر، توسعه‌دهندگان می‌توانند کد خود را (که به زبان‌هایی مانند C، C++، Rust و Go نوشته شده) به ماژول‌های Wasm کامپایل کنند. این ماژول‌ها سپس می‌توانند در یک مرورگر وب یا سایر محیط‌های اجرایی Wasm مانند Node.js یا حتی محیط‌های اجرایی اختصاصی Wasm که روی سرور اجرا می‌شوند، اجرا شوند. مزایای کلیدی Wasm عبارتند از:

• عملکرد: Wasm سرعت اجرایی نزدیک به بومی ارائه می‌دهد که آن را برای وظایف محاسباتی سنگین مناسب می‌سازد.
• امنیت: ماژول‌های Wasm در یک محیط سندباکس اجرا می‌شوند که دسترسی آن‌ها به سیستم میزبان را محدود کرده و امنیت را افزایش می‌دهد.
• قابلیت حمل: ماژول‌های Wasm می‌توانند بر روی پلتفرم‌ها و معماری‌های مختلف اجرا شوند و سازگاری بین پلتفرمی را ترویج می‌دهند.
• استاندارد باز: Wasm یک استاندارد W3C است که پذیرش و پشتیبانی گسترده را تضمین می‌کند.

نقش WASI

در حالی که Wasm محیط اجرایی را فراهم می‌کند، در ابتدا فاقد دسترسی مستقیم به منابع سیستمی مانند فایل سیستم، شبکه و سایر ویژگی‌های سیستم‌عامل بود. اینجاست که WASI وارد عمل می‌شود. WASI یک رابط سیستمی ماژولار است که برای فراهم کردن دسترسی امن به این منابع برای ماژول‌های Wasm طراحی شده است. آن را به عنوان یک API استاندارد برای تعامل برنامه‌های Wasm با سیستم‌عامل میزبان در نظر بگیرید. این امکان به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا برنامه‌های Wasm متنوع‌تر و قدرتمندتری ایجاد کنند و از موارد استفاده صرفاً مبتنی بر وب فراتر روند. WASI یک نیاز حیاتی را برطرف می‌کند: امکان تعامل Wasm با دنیای خارج به روشی کنترل‌شده و امن.

اهداف اصلی WASI عبارتند از:

• امنیت: فراهم کردن یک محیط سندباکس که دسترسی به منابع سیستمی را محدود کرده و خطرات امنیتی بالقوه را کاهش می‌دهد.
• قابلیت حمل: تضمین اینکه ماژول‌های Wasm می‌توانند بر روی سیستم‌عامل‌های مختلف بدون تغییر اجرا شوند.
• انعطاف‌پذیری: ارائه یک طراحی ماژولار که از رابط‌های سیستمی مختلف مانند فایل سیستم، شبکه و ساعت پشتیبانی می‌کند.
• استانداردسازی: تعریف یک رابط استاندارد برای تعامل با منابع سیستمی، ترویج قابلیت همکاری و استفاده مجدد از کد.

WASI و دسترسی به فایل سیستم

دسترسی به فایل سیستم یکی از ویژگی‌های اصلی WASI است. این ویژگی به ماژول‌های Wasm اجازه می‌دهد تا فایل‌ها را در سیستم میزبان بخوانند، بنویسند و دستکاری کنند. این امر طیف گسترده‌ای از امکانات را برای برنامه‌های Wasm باز می‌کند، از وظایف ساده پردازش فایل گرفته تا برنامه‌های پیچیده مانند:

• توابع بدون سرور (Serverless Functions): پردازش فایل‌های آپلود شده در فضای ذخیره‌سازی ابری.
• تحلیل داده: تحلیل و دستکاری مجموعه‌های داده بزرگ ذخیره شده در فایل‌ها.
• ابزارهای خط فرمان: ایجاد ابزارهای خط فرمان مبتنی بر Wasm برای مدیریت فایل.
• برنامه‌های دسکتاپ: ساخت برنامه‌های دسکتاپ چندسکویی که فایل‌ها را می‌خوانند و می‌نویسند.

قبل از WASI، ماژول‌های Wasm تا حد زیادی در تعاملات فایل سیستم خود محدود بودند. در حالی که برخی راه‌حل‌های جایگزین وجود داشت، آن‌ها اغلب به APIهای مخصوص مرورگر متکی بودند یا شامل مصالحه‌های امنیتی قابل توجهی می‌شدند. WASI یک روش استاندارد و امن برای تعامل ماژول‌های Wasm با فایل سیستم فراهم می‌کند و آن‌ها را برای طیف وسیع‌تری از موارد استفاده مناسب می‌سازد.

نحوه کار دسترسی به فایل سیستم با WASI

دسترسی به فایل سیستم WASI معمولاً با استفاده از قابلیت‌ها (capabilities) پیاده‌سازی می‌شود. یک قابلیت، توکنی است که به یک ماژول Wasm اجازه دسترسی به یک منبع خاص، مانند یک دایرکتوری یا یک فایل را می‌دهد. این قابلیت‌ها باید به صراحت به ماژول Wasm داده شوند، معمولاً توسط محیط میزبان (مثلاً، محیط اجرایی Wasm). این رویکرد با اطمینان از اینکه ماژول‌های Wasm فقط به منابعی که مجاز به استفاده از آن‌ها هستند دسترسی دارند، امنیت را افزایش می‌دهد.

در اینجا یک نمای کلی ساده ارائه شده است:

1. کامپایل ماژول: کد (مثلاً نوشته شده به زبان Rust، C++ یا Go) به یک ماژول Wasm کامپایل می‌شود که توابع WASI را وارد (import) می‌کند.
2. تخصیص قابلیت‌ها: محیط میزبان به ماژول Wasm قابلیت‌هایی مانند توانایی دسترسی به دایرکتوری‌ها یا فایل‌های خاص را می‌دهد. این کار اغلب شامل مشخص کردن مجموعه‌ای از مسیرهای مجاز هنگام نمونه‌سازی ماژول است.
3. فراخوانی‌های فایل سیستم: ماژول Wasm از توابع WASI (مانند `fd_open`، `fd_read`، `fd_write`، `fd_close`) برای تعامل با فایل سیستم با استفاده از قابلیت‌های ارائه شده استفاده می‌کند.
4. سندباکسینگ: WASI تضمین می‌کند که عملیات فایل سیستم به منابع مجاز محدود می‌شود و از دسترسی ماژول به سایر بخش‌های فایل سیستم جلوگیری می‌کند.

مثال عملی (Rust)

بیایید یک مثال ساده از خواندن یک فایل متنی با استفاده از Rust و WASI را در نظر بگیریم. ابتدا، اطمینان حاصل کنید که زنجیره ابزار Rust (rustup) را نصب کرده‌اید و هدف کامپایل را روی `wasm32-wasi` تنظیم کرده‌اید.

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 = 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
              
            
          

ساخت ماژول Wasm:

            cargo build --target wasm32-wasi --release

            

              
                Copy
              
            
          

این دستور یک ماژول Wasm ایجاد می‌کند (مثلاً `target/wasm32-wasi/release/file_reader.wasm`). کتابخانه استاندارد WASI توابع لازم برای ورودی/خروجی فایل را در داخل ماژول Wasm فراهم می‌کند. هنگام اجرای ماژول Wasm، محیط میزبان (مانند یک محیط اجرایی Wasm مثل `wasmer` یا `wasmtime`) دسترسی به فایل سیستم را مدیریت خواهد کرد، معمولاً با اجازه دادن به کاربر برای مشخص کردن یک دایرکتوری برای خواندن فایل‌ها، که به طور موثر تعامل فایل سیستم را سندباکس می‌کند. از رابط‌های خط فرمان `wasmer` یا `wasmtime` می‌توان برای اجرای ماژول WASM کامپایل شده استفاده کرد.

اجرا با Wasmer:

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

            

              
                Copy
              
            
          

در این مثال، `--dir=.` به ماژول Wasm اجازه دسترسی به دایرکتوری فعلی را می‌دهد و `file.txt` نام فایلی است که به عنوان آرگومان ارسال می‌شود. سپس برنامه سعی می‌کند محتویات `file.txt` را بخواند و چاپ کند. به یاد داشته باشید که قبل از اجرای ماژول، فایل `file.txt` را در دایرکتوری فعلی ایجاد کنید.

مزایای استفاده از WASI برای دسترسی به فایل سیستم

استفاده از WASI برای دسترسی به فایل سیستم چندین مزیت قابل توجه دارد:

• امنیت: محیط سندباکس دسترسی به فایل سیستم را محدود می‌کند و خطر حملات مخرب را به حداقل می‌رساند.
• قابلیت حمل: ماژول‌های Wasm که از WASI استفاده می‌کنند می‌توانند بر روی سیستم‌عامل‌ها و معماری‌های مختلف بدون تغییر اجرا شوند.
• استانداردسازی: WASI یک API استاندارد برای تعامل با فایل سیستم فراهم می‌کند که قابلیت همکاری را ترویج داده و منحنی یادگیری را کاهش می‌دهد.
• انعطاف‌پذیری: امکان ایجاد برنامه‌های بسیار قابل حمل را فراهم می‌کند که می‌توانند در محیط‌های مختلف، از مرورگرهای وب گرفته تا استقرارهای سمت سرور، اجرا شوند.
• کنترل منابع: دسترسی مبتنی بر قابلیت‌ها امکان کنترل دقیق بر منابعی که یک ماژول Wasm می‌تواند به آن‌ها دسترسی داشته باشد را فراهم می‌کند، که مدیریت منابع را بهبود بخشیده و از سوءاستفاده تصادفی یا مخرب جلوگیری می‌کند.

مفاهیم پیشرفته فایل سیستم در WASI

فراتر از خواندن و نوشتن ساده فایل، WASI از مفاهیم پیشرفته‌تری برای تعامل با فایل سیستم پشتیبانی می‌کند.

دایرکتوری‌ها و مسیرها

WASI به ماژول‌ها اجازه می‌دهد با دایرکتوری‌ها کار کنند، دایرکتوری‌های جدید ایجاد کنند و در مسیرهای فایل سیستم پیمایش کنند. این ویژگی از عملیاتی مانند لیست کردن فایل‌ها، ایجاد فایل‌های جدید در دایرکتوری‌های خاص و مدیریت ساختار کلی فایل سیستم پشتیبانی می‌کند. دستکاری مسیر یک قابلیت حیاتی برای مدیریت و سازماندهی فایل‌ها است.

توصیف‌گرهای فایل (File Descriptors)

WASI از توصیف‌گرهای فایل (FDs) برای نمایش فایل‌ها و دایرکتوری‌های باز استفاده می‌کند. یک توصیف‌گر فایل یک عدد صحیح منحصر به فرد است که ماژول Wasm برای ارجاع به یک فایل یا دایرکتوری خاص از آن استفاده می‌کند. توابع WASI مانند `fd_open` یک FD برمی‌گردانند که سپس در عملیات بعدی مانند خواندن، نوشتن و بستن فایل‌ها استفاده می‌شود. مدیریت توصیف‌گرهای فایل برای جلوگیری از نشت منابع مهم است.

مجوزها و قابلیت‌ها

همانطور که ذکر شد، WASI از یک رویکرد مبتنی بر قابلیت‌ها برای دسترسی به فایل سیستم استفاده می‌کند. محیط میزبان تعیین می‌کند که یک ماژول Wasm به کدام دایرکتوری‌ها و فایل‌ها اجازه دسترسی دارد. این سیستم مجوزدهی سطح کنترل دقیقی را فراهم می‌کند، امنیت را افزایش می‌دهد و به مدیران اجازه می‌دهد دسترسی به منابع را بر اساس نیازهای برنامه تنظیم کنند. این کار از دسترسی برنامه‌ها به فایل‌های دلخواه در سیستم میزبان جلوگیری می‌کند.

استریمینگ و بافرینگ

WASI مکانیسم‌هایی برای استریم کردن داده‌های فایل و استفاده از بافرها برای خواندن و نوشتن کارآمد داده‌ها فراهم می‌کند. استریمینگ به ویژه برای مدیریت فایل‌های بزرگ بدون مصرف حافظه بیش از حد مهم است. بافرینگ با کاهش تعداد فراخوانی‌های سیستمی، عملکرد را بهبود می‌بخشد.

موارد استفاده و کاربردها

قابلیت‌های دسترسی به فایل سیستم WASI طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها را ممکن می‌سازد. در اینجا چند نمونه قابل توجه آورده شده است:

توابع بدون سرور

WASI برای توابع بدون سرور ایده‌آل است. توسعه‌دهندگان می‌توانند ماژول‌های Wasm را مستقر کنند که فایل‌های ذخیره شده در فضای ذخیره‌سازی ابری (مانند Amazon S3، Google Cloud Storage، Azure Blob Storage) را می‌خوانند، پردازش می‌کنند و می‌نویسند. این ماژول‌ها می‌توانند توسط رویدادها (مانند آپلود فایل) فعال شده و به روشی امن و مقیاس‌پذیر اجرا شوند. این امر پردازش و تبدیل فایل‌ها در ابر را به طور کارآمد ممکن می‌سازد. موارد استفاده بین‌المللی را در نظر بگیرید که در آن فایل‌هایی از مناطق و زبان‌های مختلف جهانی می‌توانند پردازش و تحلیل شوند.

ابزارهای خط فرمان

WASI امکان ایجاد ابزارهای خط فرمان چندسکویی را فراهم می‌کند. توسعه‌دهندگان می‌توانند ماژول‌های Wasm بنویسند که پردازش فایل، دستکاری داده یا سایر وظایف را انجام می‌دهند و سپس آن‌ها را بر روی هر پلتفرمی که از یک محیط اجرایی WASI پشتیبانی می‌کند، اجرا کنند. ابزارهایی برای وظایفی مانند پردازش متن، دستکاری تصویر یا تحلیل داده می‌توانند به عنوان ماژول‌های Wasm بسته‌بندی و مستقر شوند، که توزیع و استفاده از آن‌ها را در سیستم‌عامل‌های مختلف آسان می‌کند. یک ابزار مبتنی بر Wasm برای پاکسازی داده را تصور کنید که می‌تواند به صورت جهانی توزیع شود.

تحلیل و پردازش داده

WASI می‌تواند برای ساخت ابزارهای تحلیل داده مبتنی بر Wasm استفاده شود. این ابزارها می‌توانند داده‌ها را از فایل‌ها بخوانند، محاسبات انجام دهند و گزارش تولید کنند. قابلیت حمل Wasm باعث می‌شود که به راحتی قابل توزیع و استفاده بر روی پلتفرم‌های مختلف باشند. این ابزارها می‌توانند برای تحلیل مجموعه داده‌های بزرگ (مانند فایل‌های CSV، فایل‌های لاگ) ذخیره شده در فایل‌ها و ایجاد تجسم‌های تعاملی استفاده شوند. کاربردهایی برای تحلیل مالی، شبیه‌سازی‌های علمی یا هر زمینه‌ای که نیاز به پردازش داده دارد را در نظر بگیرید.

برنامه‌های دسکتاپ

توسعه‌دهندگان می‌توانند از WASI برای ایجاد برنامه‌های دسکتاپ چندسکویی که با فایل سیستم تعامل دارند، استفاده کنند. این برنامه‌ها می‌توانند فایل‌ها را بخوانند، بنویسند و دستکاری کنند و تجربه‌ای آشنا از فایل سیستم را برای کاربران فراهم کنند. این ویژگی به ویژه برای برنامه‌هایی که نیاز به ذخیره‌سازی فایل محلی، ویرایش اسناد یا سایر عملیات مبتنی بر فایل دارند، مفید است. این امر ساخت برنامه‌هایی را که به طور یکسان بر روی ویندوز، macOS و لینوکس کار می‌کنند، ممکن می‌سازد. به یک برنامه ویرایش تصویر یا یک ویرایشگر متن ساخته شده با Wasm و WASI فکر کنید.

دستکاری فایل مبتنی بر وب

در حالی که Wasm در ابتدا بر روی مرورگر متمرکز بود، WASI تعاملات خارج از آن محیط را ممکن می‌سازد. این امر در را به روی برنامه‌های وب که نیاز به پردازش فایل‌ها روی سرور دارند، باز می‌کند. این کار از محدودیت‌های دسترسی به فایل مبتنی بر مرورگر جلوگیری می‌کند و امکان عملیات پیچیده‌تر مبتنی بر فایل را فراهم می‌کند، که عملکرد و تجربه کاربری را بهبود می‌بخشد. یک مثال می‌تواند یک مبدل فایل باشد که فایل‌های بزرگ را در سمت سرور پردازش می‌کند.

پیاده‌سازی دسترسی به فایل سیستم با WASI

پیاده‌سازی دسترسی به فایل سیستم با WASI معمولاً شامل مراحل زیر است:

1. یک زبان برنامه‌نویسی انتخاب کنید: یک زبان برنامه‌نویسی که از کامپایل Wasm پشتیبانی می‌کند (مانند Rust، C/C++، Go) را انتخاب کنید. Rust به دلیل ابزارهای قوی، ایمنی حافظه و پشتیبانی از WASI بسیار محبوب است.
2. محیط توسعه را راه‌اندازی کنید: ابزارها و وابستگی‌های لازم، از جمله کامپایلر Wasm، WASI SDK (در صورت نیاز) و یک محیط اجرایی Wasm را نصب کنید.
3. کد را بنویسید: کد برنامه را با استفاده از توابع API فایل سیستم WASI (مانند `fd_open`، `fd_read`، `fd_write`) بنویسید.
4. کد را به Wasm کامپایل کنید: کد را با استفاده از کامپایلر و هدف مناسب (مانند `wasm32-wasi`) به یک ماژول Wasm کامپایل کنید.
5. قابلیت‌ها را فراهم کنید: به ماژول Wasm باید مجوزهای لازم داده شود، به عنوان مثال، در هنگام راه‌اندازی محیط اجرایی، ماژول باید بداند از کدام دایرکتوری بخواند، بنویسد یا فایل ایجاد کند.
6. ماژول Wasm را اجرا کنید: ماژول Wasm را با استفاده از یک محیط اجرایی Wasm اجرا کنید.

ابزارها و محیط‌های اجرایی

چندین ابزار و محیط اجرایی از WASI پشتیبانی می‌کنند، از جمله:

• Wasmer: یک محیط اجرایی جهانی وب‌اسمبلی که ماژول‌های Wasm را بر روی پلتفرم‌های مختلف اجرا می‌کند.
• Wasmtime: یک محیط اجرایی مستقل وب‌اسمبلی به سبک JIT از Bytecode Alliance، که بر عملکرد و امنیت تمرکز دارد.
• WASI SDK: مجموعه‌ای از ابزارها و کتابخانه‌ها برای توسعه برنامه‌های WASI.
• Node.js: نود.جی‌اس از WASI پشتیبانی می‌کند و اجرای Wasm را در محیط‌های Node.js ممکن می‌سازد.
• Docker: WASI در حال یکپارچه‌سازی با داکر است که امکان کانتینری کردن برنامه‌های Wasm را فراهم می‌کند.

ملاحظات امنیتی

در حالی که WASI یک محیط امن برای ماژول‌های Wasm فراهم می‌کند، توسعه‌دهندگان همچنان باید به بهترین شیوه‌های امنیتی توجه داشته باشند.

• حداقل امتیاز: به ماژول‌های Wasm فقط حداقل مجوزهای لازم را بدهید.
• اعتبارسنجی ورودی: تمام داده‌های ورودی را برای جلوگیری از آسیب‌پذیری‌هایی مانند سرریز بافر و حملات تزریق کد اعتبارسنجی کنید.
• مدیریت وابستگی‌ها: وابستگی‌ها را با دقت مدیریت کنید تا از استفاده از کتابخانه‌های بالقوه آسیب‌پذیر جلوگیری شود.
• بازرسی‌های منظم: به طور منظم ماژول‌های Wasm و محیط میزبان را برای آسیب‌پذیری‌های امنیتی بازرسی کنید.
• سندباکسینگ: اطمینان حاصل کنید که محیط اجرایی Wasm سندباکس را اعمال می‌کند و دسترسی به منابع سیستمی، از جمله فایل سیستم، شبکه و متغیرهای محیطی را به آنچه به صراحت مجاز است محدود می‌کند.

آینده WASI و دسترسی به فایل سیستم

WASI و قابلیت‌های دسترسی به فایل سیستم آن به طور مداوم در حال تحول هستند. تحولات جاری شامل موارد زیر است:

• بهبود عملکرد: بهینه‌سازی‌های مداوم در محیط‌های اجرایی Wasm برای بهبود سرعت اجرا.
• پشتیبانی گسترده‌تر از API: توسعه APIهای جدید WASI برای پشتیبانی از رابط‌های سیستمی اضافی (مانند شبکه، نخ‌ها و گرافیک).
• تلاش‌های استانداردسازی: تلاش‌های مداوم برای استانداردسازی به منظور تضمین قابلیت همکاری بین محیط‌های اجرایی و پلتفرم‌های مختلف Wasm.
• یکپارچه‌سازی با پلتفرم‌های ابری: افزایش یکپارچه‌سازی با پلتفرم‌های ابری که به توسعه‌دهندگان امکان استقرار و اجرای آسان ماژول‌های Wasm را در محیط‌های بدون سرور می‌دهد.

آینده برای WASI و کاربرد آن در دسترسی به فایل سیستم امیدوارکننده به نظر می‌رسد. با بلوغ این فناوری، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که برنامه‌های پیچیده‌تری را ببینیم که از قدرت Wasm و WASI بهره می‌برند.

نتیجه‌گیری

وب‌اسمبلی (Wasm) و رابط سیستمی آن، WASI، در حال ایجاد انقلابی در نحوه ساخت و استقرار نرم‌افزار توسط توسعه‌دهندگان هستند. WASI یک روش امن، قابل حمل و استاندارد برای تعامل ماژول‌های Wasm با منابع سیستمی، از جمله فایل سیستم، فراهم می‌کند. دسترسی به فایل سیستم از طریق WASI طیف وسیعی از موارد استفاده را ممکن می‌سازد، از توابع بدون سرور و ابزارهای خط فرمان گرفته تا تحلیل داده و برنامه‌های دسکتاپ. با درک مفاهیم و جزئیات پیاده‌سازی مورد بحث در این پست وبلاگ، توسعه‌دهندگان می‌توانند از قدرت WASM و WASI برای ایجاد برنامه‌های نوآورانه و کارآمد بهره‌مند شوند. WASI و دسترسی به فایل سیستم فناوری‌های ضروری برای آینده توسعه نرم‌افزار هستند که راه را برای برنامه‌های چندسکویی هموار کرده و قابلیت حمل، عملکرد و امنیت را در طیف متنوعی از برنامه‌ها در مقیاس جهانی امکان‌پذیر می‌سازند.