WebAssembly WASI Preview 3: Vallankumous järjestelmäkutsujen rajapinnassa pilvipohjaiseen kehitykseen ja sen ulkopuolelle

WebAssembly (Wasm) on kehittynyt nopeasti selainkeskeisestä teknologiasta tehokkaaksi suoritukseksi palvelinpuolen sovelluksille, pilvipohjaisille palveluille, reunalaskennalle ja jopa työpöytäympäristöille. Tämän laajentumisen ytimessä on WebAssembly System Interface (WASI), kehittyvä standardi, joka määrittelee, miten Wasm-moduulit voivat olla vuorovaikutuksessa taustalla olevan käyttöjärjestelmän kanssa. Viimeaikaiset edistysaskeleet WASI Preview 3:ssa edustavat merkittävää harppausta eteenpäin, ottaen käyttöön vankemman, ennustettavamman ja ominaisuusrikkaamman järjestelmäkutsujen rajapinnan, joka lupaa avata vieläkin suurempia mahdollisuuksia kannettavalle ja turvalliselle tietojenkäsittelylle maailmanlaajuisesti.

WASI:n synty: Sillan rakentaminen Wasm:n ja järjestelmän välille

Alun perin verkkoselaimille suunniteltu WebAssemblyn hiekkalaatikkoluonne, johon sisältyy turvallisuus ja kannettavuus, teki siitä houkuttelevan ehdokkaan selainten ulkopuolisiin ympäristöihin. Jotta Wasm-moduulit olisivat todella hyödyllisiä selaimen ulkopuolella, ne tarvitsivat standardoidun tavan suorittaa järjestelmätason toimintoja, kuten tiedosto I/O, verkkoyhteys ja ympäristömuuttujien haku. Juuri tässä WASI astuu kuvaan. WASI:n tavoitteena on tarjota johdonmukainen, kykyihin perustuva API, jonka avulla Wasm-moduulit voivat olla vuorovaikutuksessa isäntäjärjestelmän kanssa turvallisesti ja hallitusti riippumatta taustalla olevasta käyttöjärjestelmästä tai laitteistoarkkitehtuurista.

Miksi WASI? Tärkeimmät motivaatiot ja suunnitteluperiaatteet

• Kannettavuus: WebAssemblyn keskeinen lupaus on "suorita missä tahansa". WASI laajentaa tämän järjestelmävuorovaikutukseen varmistaen, että tietylle WASI-kohteelle käännetty Wasm-moduuli voi suorittaa millä tahansa WASI-yhteensopivalla suorituksella ilman muutoksia. Tämä on pelin muuttaja ohjelmistojen jakelussa ja käyttöönotossa monenlaisissa ympäristöissä.
• Turvallisuus: WASI:n kykyihin perustuva turvallisuusmalli on ensiarvoisen tärkeä. Sen sijaan, että myönnettäisiin laajoja oikeuksia, WASI-rajapinnat myöntävät erityisiä, hienojakoisia kykyjä (esim. kyky lukea tietystä hakemistosta tai avata tietty verkkoyhteys). Tämä vähentää huomattavasti hyökkäyspintaa perinteisiin suoritettaviin malleihin verrattuna.
• Yhteentoimivuus: WASI tarjoaa yhteisen pohjan eri ohjelmointikielille ja suorituksille vuorovaikutukseen. C++-sovellus, joka on käännetty Wasm:ksi, voi olla saumattomasti vuorovaikutuksessa Rust-moduulin tai Go-moduulin kanssa WASI-rajapintojen kautta, mikä edistää yhtenäisempää kehitysekosysteemiä.
• Tehokkuus: WebAssembly on suunniteltu nopeaksi ja tehokkaaksi. Standardoimalla järjestelmäkutsut WASI pyrkii minimoimaan peräkkäisten prosessien väliseen viestintään tai järjestelmäkutsujen aiheuttamat yläkustannukset perinteisissä ympäristöissä, erityisesti silloin, kun ne suoritetaan optimoiduissa Wasm-suorituksissa, kuten Wasmtime tai Wasmer.

Evoluutio Preview 3:een: Rajoitusten korjaaminen ja ominaisuuksien laajentaminen

Matka WASI Preview 3:een on ollut iteratiivinen, rakentaen aiemmille spesifikaatioille, erityisesti WASI Preview 1:lle. Vaikka Preview 1 esitteli peruskäsitteet ja joukon ydinarvoja, sillä oli tiettyjä rajoituksia, jotka haittasivat sen käyttöönottoa monimutkaisemmissa käyttötapauksissa, erityisesti palvelinpuoleisissa ja pilvipohjaisissa skenaarioissa. Preview 3:n tavoitteena on korjata nämä tarkentamalla olemassa olevia API:ita ja ottamalla käyttöön uusia, keskittyen vakauteen, selkeyteen ja laajempaan sovellettavuuteen.

WASI Preview 3:n keskeiset parannukset

WASI Preview 3 ei ole yksittäinen monoliittinen muutos, vaan joukko toisiinsa liittyviä ehdotuksia ja parannuksia, jotka yhdessä parantavat järjestelmäkutsujen rajapintaa. Vaikka tarkka rakenne ja nimeämiskäytännöt ovat edelleen vakiintumassa, ydinaiheet pyörivät sen ympärillä, että tarjotaan kattavampi ja idiomaattisempi tapa Wasm-moduuleille olla vuorovaikutuksessa isäntäjärjestelmien kanssa. Tässä on joitain merkittävimpiä parannusalueita:

1. Verkkoyhteys ja HTTP-tuki

Yksi varhaisten WASI-versioiden merkittävimmistä rajoituksista palvelinpuolen kehityksen osalta oli vankkojen verkkoyhteyksien puute. Preview 3 edistyy merkittävästi tällä alueella, erityisesti HTTP-palvelimen ja -asiakkaan ehdotusten kehittämisessä. Näiden tavoitteena on tarjota standardoitu tapa Wasm-moduuleille käsitellä saapuvia HTTP-pyyntöjä ja tehdä lähteviä HTTP-puheluita.

• HTTP-palvelimen API: Tämä ehdotus määrittelee rajapinnat Wasm-suorituksille, jotta ne voivat paljastaa saapuvia HTTP-pyyntöjä Wasm-moduuleille. Tämä on ratkaisevan tärkeää web-palvelimien, API-yhdyskäytävien ja mikropalvelujen rakentamisessa kokonaan WebAssemblyssa. Kehittäjät voivat kirjoittaa käsittelijöitä tiettyihin reitteihin, käsitellä pyyntöpäätietoja ja -runkoja sekä lähettää takaisin HTTP-vastauksia. Tämä mahdollistaa sellaisten todella kannettavien web-sovellusten luomisen, jotka voivat toimia millä tahansa WASI-yhteensopivalla suorituksella, olipa kyseessä pilvipalveluntarjoaja, reunalaite tai jopa paikallinen kehityspalvelin.
• HTTP-asiakkaan API: Palvelin-API:ta täydentävä asiakas-API mahdollistaa Wasm-moduulien lähtevien HTTP-pyyntöjen aloittamisen. Tämä on välttämätöntä integroitaessa ulkoisiin palveluihin, haettaessa tietoja API:ista ja rakennettaessa mikropalveluita, jotka kommunikoivat keskenään. API on suunniteltu tehokkaaksi ja turvalliseksi, mikä mahdollistaa hienojakoisen hallinnan pyyntöparametreille ja vastauksen käsittelylle.
• Verkkoyhteysominaisuudet (yleiset): HTTP:n lisäksi on käynnissä ponnisteluja alempien verkkoprimitiivien, kuten pistorasiaohjelmoinnin (TCP/UDP), standardoimiseksi. Vaikka nämä eivät välttämättä olekaan alkuperäisten Preview 3 -julkaisujen ensisijainen painopiste, ne ovat kriittisiä monimutkaisempien verkko-sovellusten rakentamisessa ja laajan yhteensopivuuden varmistamisessa olemassa olevien verkkoprotokollien kanssa.

Esimerkki: Kuvittele, että rakennat palvelimettoman API-päätepisteen Rustilla ja WebAssemblylla. WASI Preview 3:n HTTP-palvelinominaisuuksien avulla Rust Wasm -moduulisi voisi kuunnella saapuvia pyyntöjä, jäsentää JSON-hyötykuormia, olla vuorovaikutuksessa tietokannan kanssa (toisen WASI-rajapinnan tai isännän tarjoaman funktion kautta) ja palauttaa JSON-vastauksen, kaikki turvallisessa Wasm-hiekkalaatikossa. Tämä sovellus voitaisiin sitten ottaa käyttöön eri pilvialustoilla ilman muutoksia, hyötyen johdonmukaisesta WASI-rajapinnasta.

2. Tiedostojärjestelmän käytön parannukset

Vaikka WASI Preview 1 sisälsi perusominaisuuksia tiedostojärjestelmän käytölle wasi-filesystem -komponentin kautta, Preview 3:n tavoitteena on tarkentaa ja laajentaa näitä ominaisuuksia, jotta ne sopisivat paremmin nykyaikaisiin tiedostojärjestelmätoimintoihin ja tarjoamaan yksityiskohtaisempaa hallintaa.

• Hakemistovirrat: Parannetut mekanismit hakemistojen sisällön iteroimiseen, jolloin Wasm-moduulit voivat listata tiedostoja ja alihakemistoja tehokkaasti.
• Tiedoston metatiedot: Standardoidut tavat päästä tiedoston metatietoihin, kuten käyttöoikeuksiin, aikaleimoihin ja kokoon.
• Asynkroninen I/O: Vaikka kehitysalue on edelleen aktiivinen, korostetaan yhä enemmän asynkronisten tiedosto I/O -toimintojen tukemista Wasm-suorituksen estämisen ja yleisen suorituskyvyn parantamisen estämiseksi, erityisesti I/O-sidonnaisissa sovelluksissa.

Esimerkki: Go-kielellä kirjoittavan ja Wasm:ksi käännettävän tietojenkäsittelysovelluksen saattaa olla tarpeen lukea useita määritystiedostoja tietystä hakemistosta. WASI Preview 3:n parannetut tiedostojärjestelmän API:t mahdollistaisivat tiedostojen turvallisen ja tehokkaan luetteloinnin, niiden sisällön lukemisen ja käsittelyn, ja kaikki samalla kunnioittaen tiettyjä hakemistoja, joihin Wasm-suoritus on antanut sille pääsyn.

3. Kellot ja ajastimet

Tarkka ajankäyttö ja kyky ajoittaa toimintoja ovat olennaisia monille sovelluksille. Preview 3 selkeyttää ja standardoi rajapinnat pääsemiseksi järjestelmäkelloihin ja ajastimien asettamiseen.

• Monotoniset kellot: Tarjoaa pääsyn kelloihin, joiden taataan aina kasvavan, sopivia ajanjaksojen mittaamiseen ja suorituskyvyn taantumien havaitsemiseen.
• Seinäkelloaika: Mahdollistaa pääsyn nykyiseen päivämäärään ja kellonaikaan, mikä on hyödyllistä lokien kirjaamiseen, aikataulutukseen ja käyttäjille suunnattuihin ominaisuuksiin.
• Ajastimet: Mahdollistaa Wasm-moduuleille asynkronisten tapahtumien tai takaisinkutsujen ajoittamisen määritetyn viiveen jälkeen, mikä on ratkaisevan tärkeää reagoivien sovellusten rakentamisessa ja aikakatkaisujen toteuttamisessa.

Esimerkki: Wasm-taustainen työntekijäprosessi voisi käyttää ajastinrajapintoja tarkistaakseen päivityksiä säännöllisesti tai suorittaakseen ajoitettuja ylläpitotehtäviä. Se voisi myös käyttää monotonisia kelloja kriittisten toimintojen keston mittaamiseen moduulissa.

4. Ympäristömuuttujat ja argumentit

Ympäristömuuttujien ja komentoriviargumenttien käyttäminen on yleinen vaatimus sovellusten määrittämisessä. Preview 3 vahvistaa nämä rajapinnat, mikä helpottaa Wasm-moduulien dynaamista konfigurointia ajonaikaisesti.

• Ympäristömuuttujat: Tarjoaa turvallisen tavan lukea ympäristömuuttujia, jotka isäntäsuoritus on nimenomaisesti välittänyt Wasm-moduulille.
• Komentoriviargumentit: Mahdollistaa Wasm-moduuleille pääsyn argumentteihin, jotka on välitetty niille, kun isäntä kutsuu niitä.

Esimerkki: Wasm-pohjainen apuohjelma, joka vaatii tietokantayhteyden merkkijonon, voisi lukea tämän merkkijonon ympäristömuuttujasta, jonka säiliöorkesteroija on asettanut, tai käyttäjän antamista komentoriviargumenteista, mikä tekee Wasm-moduulista erittäin määriteltävän ilman uudelleenkääntämistä.

5. Standardoitu virheiden käsittely ja kyvyt

Toiminnallisten rajapintojen lisäksi Preview 3 keskittyy myös WASI:n yleisten suunnitteluperiaatteiden parantamiseen, mukaan lukien virheiden käsittely ja kykyihin perustuva turvallisuusmalli.

• Selkeämpi virheilmoitus: Ponnisteluja on meneillään standardoidumpien ja informatiivisempien virhekoodien ja -viestien tarjoamiseksi WASI-järjestelmäkutsuista, mikä tekee virheiden etsimisestä ja käsittelystä Wasm-moduuleissa suoraviivaisempaa.
• Tarkempi kykyjen hallinta: Kykyihin perustuvaa mallia iteroidaan varmistaakseen, että se on sekä riittävän tehokas monimutkaisille sovelluksille että helppo suoritusten toteuttaa ja hallita. Tähän sisältyy tapojen tutkiminen kykyjen turvalliseen välittämiseen Wasm-moduulien välillä.

WASI Preview 3:n vaikutus eri tietojenkäsittelyparadigmoihin

WASI Preview 3:n parannuksilla on kauaskantoisia vaikutuksia eri tietojenkäsittelyalueilla:

Pilvipohjainen ja palvelimeton tietojenkäsittely

Tämä on luultavasti se, missä WASI Preview 3:lla on välittömin ja syvällisin vaikutus. Tarjoamalla vankan HTTP-tuen ja parannetun tiedosto I/O:n, WASI-käyttöiset Wasm-moduulit ovat nousemassa ensiluokkaisiksi kansalaisiksi mikropalveluiden, API:iden ja palvelimettomien toimintojen rakentamisessa.

• Vähentyneet kylmäkäynnistykset: Wasm-suorituksilla on usein huomattavasti nopeammat kylmäkäynnistysajat verrattuna perinteisiin säiliöihin tai VM:iin, mikä on ratkaiseva etu palvelimettomille sovelluksille.
• Parannettu turvallisuus: Wasm:n ja WASI:n luontainen hiekkalaatikointi ja kykyihin perustuva turvallisuus ovat erittäin houkuttelevia monen vuokralaisen pilviympäristöissä, mikä vähentää yhden työnkuorman vaikutusta toiseen.
• Kielten monimuotoisuus: Kehittäjät voivat hyödyntää haluamiaan kieliä (Rust, Go, C++, AssemblyScript jne.) pilvipohjaisten palveluiden rakentamiseen, jotka kääntyvät Wasm:ksi, mikä edistää suurempaa kehittäjien valintaa ja tuottavuutta.
• Kannettavuus pilvipalveluntarjoajien kesken: Wasm-mikropalvelu, joka on rakennettu WASI:lla, voi teoriassa toimia millä tahansa pilvipalveluntarjoajalla, joka tarjoaa WASI-yhteensopivan suorituksen, mikä vähentää toimittajalukkoa.

Reunalaskenta

Reunalaitteilla on usein rajalliset resurssit ja ainutlaatuiset verkkorajoitukset. WASI:n kevyt luonne ja ennustettava suorituskyky tekevät siitä ihanteellisen reunakäyttöönottoihin.

• Resurssitehokkuus: Wasm-moduulit kuluttavat vähemmän resursseja kuin perinteiset säiliöt, mikä tekee niistä sopivia resurssirajoitteisille reunalaitteille.
• Turvalliset etäpäivitykset: Kyky ottaa turvallisesti käyttöön ja päivittää Wasm-moduuleja etänä on merkittävä etu reunalaitteiden hallinnassa.
• Johdonmukainen logiikka reunalla ja pilvessä: Kehittäjät voivat kirjoittaa logiikan kerran Wasm:ssa ja ottaa sen käyttöön johdonmukaisesti pilvestä reunaan, mikä yksinkertaistaa kehitystä ja ylläpitoa.

Työpöytäsovellukset ja liitännäisjärjestelmät

Vaikka selain on edelleen keskeinen kohde, WASI avaa ovia Wasm:lle verkon ulkopuolella. Työpöytäsovellukset voivat hyödyntää Wasmia liitännäisarkkitehtuureille tai suorittaa luotettamatonta koodia turvallisesti.

• Turvalliset liitännäisarkkitehtuurit: Sovellukset, kuten editorit tai IDE:t, voivat käyttää Wasm-moduuleja liitännäisinä, tarjoten turvallisen ja hiekkalaatikoidun ympäristön kolmannen osapuolen laajennuksille.
• Monialustaiset sovellukset: Wasm-sovellukset WASI:lla voivat tarjota standardoidumman tavan rakentaa monialustaisia työpöytäsovelluksia, vaikka alustakohtaiset käyttöliittymät/käyttökokemukset saattavat edelleen vaatia natiivikoodia.

Sulautetut järjestelmät

Edistyneemmissä sulautetuissa järjestelmissä WASI:n hallittu vuorovaikutus laitteiston ja järjestelmäresurssien kanssa voi olla hyödyllistä, erityisesti yhdessä reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän (RTOS) kanssa, joilla on WASI-suorituksen toteutukset.

Haasteet ja tie eteenpäin

Huolimatta valtavasta edistyksestä, WASI-ekosysteemi on vielä kypsymässä. On olemassa useita haasteita ja kehityskohteita:

• Standardoinnin tahti: Vaikka WASI Preview 3 on suuri askel, WASI-standardi itsessään kehittyy edelleen. Kehittäjille voi olla haastavaa pysyä ajan tasalla viimeisimmistä ehdotuksista ja varmistaa yhteensopivuus eri suoritusten välillä.
• Suoritusten toteutukset: WASI-toteutusten laatu ja ominaisuuksien täydellisyys voivat vaihdella suoritusten, kuten Wasmtime, Wasmer ja muiden, välillä. Kehittäjien on valittava suoritukset, jotka parhaiten tukevat käyttämiään WASI-rajapintoja.
• Työkalut ja virheenkorjaus: Vaikka työkalut paranevat nopeasti, Wasm-kehityskokemus WASI:n kanssa, mukaan lukien virheenkorjaus ja profilointi, on edelleen alue, jolla tehdään merkittäviä edistysaskeleita.
• Yhteentoimivuus olemassa olevien järjestelmien kanssa: Wasm-moduulien saumaton integrointi olemassa olevien, ei-Wasm-koodikantojen ja vanhojen järjestelmien kanssa vaatii hyvin määriteltyjä rajapintoja ja huolellista arkkitehtonista suunnittelua.
• Järjestelmäresurssit ja kyvyt: Wasm-moduulien tarpeen suorittaa hyödyllisiä järjestelmätoimintoja ja WASI:n turvallisuusmallin tasapainottaminen on jatkuva haaste. Kykyjen täsmällisen joukon määrittäminen ja niiden hallinta jatkaa tarkentumista.

WASI:n tulevaisuus: Kohti yleiskäyttöistä tietojenkäsittelyä

WASI Preview 3 on merkittävä virstanpylväs, mutta se on osa suurempaa visiota tehdä WebAssemblysta todella universaali suoritus. WASI:n tuleviin toistoihin odotetaan sisältyvän:

• Hienostuneempi verkostoituminen: Tuki edistyneemmille verkkoprotokollille ja konfiguraatioille.
• Grafiikka ja UI: Vaikka ei olekaan keskeinen painopiste, tutkitaan, miten Wasm voisi olla yhteydessä grafiikkakirjastoihin ja käyttöliittymäkehyksiin, mahdollisesti työpöydän tai sulautettujen käyttötapauksiin.
• Prosessien hallinta: Standardoidut tavat käynnistää ja hallita aliprosesseja tai säikeitä Wasm-ympäristössä.
• Laitteistovuorovaikutus: Suoremmat, mutta turvalliset, tavat olla vuorovaikutuksessa tiettyjen laitteisto-ominaisuuksien kanssa, mikä on erityisen tärkeää IoT:lle ja sulautetuille järjestelmille.

Johtopäätös: Tulevaisuuden omaksuminen WASI Preview 3:lla

WebAssembly System Interface (WASI) Preview 3 merkitsee kriittistä kehitystä tehden WebAssemblysta tehokkaan, turvallisen ja kannettavan ratkaisun monenlaisiin tietojenkäsittelytehtäviin, ulottuen selaimen ulkopuolelle. Parannettu järjestelmäkutsujen rajapinta, erityisesti edistysaskeleillaan verkostoitumisessa, tiedostojärjestelmän käytössä ja kellon hallinnassa, on valmis nopeuttamaan Wasm:n käyttöönottoa pilvipohjaisissa, palvelimettomissa ja reunalaskenta-ympäristöissä maailmanlaajuisesti.

Kehittäjille ja organisaatioille maailmanlaajuisesti WASI Preview 3:n ymmärtäminen ja omaksuminen tarjoaa polun rakentaa joustavampia, turvallisempia ja yhteentoimivampia sovelluksia. Lupaus "kirjoita kerran, suorita missä tahansa" on muuttumassa konkreettiseksi todellisuudeksi järjestelmätason ohjelmoinnissa, edistäen innovaatioita ja tehokkuutta eri teknologisissa maisemissa. Koska WASI-standardi ja sen toteutukset jatkavat kypsymistään, voimme odottaa WebAssemblyn näyttelevän vieläkin keskeisempää roolia ohjelmistokehityksen tulevaisuudessa.

Keskeiset asiat WASI Preview 3:n omaksumiseksi:

• Tutki Wasm-suorituksia: Tutustu johtaviin WASI-yhteensopiviin suorituksiin, kuten Wasmtime ja Wasmer.
• Hyödynnä kielityökaluja: Tutki, miten suosikkiohjelmointikielesi kääntyvät Wasm:ksi WASI-tuella.
• Ymmärrä kykyihin perustuva turvallisuus: Suunnittele Wasm-sovelluksesi WASI:n turvallisuusmallin mukaisesti.
• Aloita palvelimettomista/mikropalveluista: Nämä ovat välittömimmät käyttötapaukset, jotka hyötyvät Preview 3:n parannuksista.
• Pysy ajan tasalla: WASI-määritys on liikkuva kohde; pysy ajan tasalla viimeisimmistä kehityksistä ja ehdotuksista.

WebAssemblyn aikakausi yleiskäyttöisenä suorituksena on käsillä, ja WASI Preview 3 on monumentaalinen edistysaskel tähän suuntaan.