WebAssembly WASI : Interface système et accès au système de fichiers

WebAssembly (Wasm) est apparu comme une technologie puissante pour exécuter du code dans les navigateurs web, et de plus en plus, en dehors de ceux-ci. Il offre des performances quasi natives, la sécurité et la portabilité. Un élément clé pour réaliser le plein potentiel de Wasm est l'interface système WebAssembly (WASI). Cet article de blog explorera WASI, avec un accent particulier sur son rôle crucial dans la fourniture d'un accès au système de fichiers, en détaillant ses avantages, sa mise en œuvre et ses implications pour le développement de logiciels modernes.

Qu'est-ce que WebAssembly (Wasm) ?

WebAssembly est un format d'instruction binaire conçu pour une machine virtuelle basée sur une pile. Il sert de cible de compilation portable pour les langages de programmation, permettant le déploiement d'applications sur le web (et au-delà) avec des performances élevées. Au lieu d'écrire du code spécifiquement pour le navigateur, les développeurs peuvent compiler leur code (écrit dans des langages comme C, C++, Rust et Go) en modules Wasm. Ces modules peuvent ensuite être exécutés dans un navigateur web ou d'autres environnements d'exécution Wasm, tels que Node.js ou même des environnements d'exécution Wasm dédiés fonctionnant sur un serveur. Les principaux avantages de Wasm incluent :

• Performance : Wasm offre des vitesses d'exécution quasi natives, ce qui le rend adapté aux tâches gourmandes en calcul.
• Sécurité : Les modules Wasm sont exécutés dans un environnement sandboxé, limitant leur accès au système hôte et améliorant la sécurité.
• Portabilité : Les modules Wasm peuvent s'exécuter sur diverses plateformes et architectures, favorisant la compatibilité multiplateforme.
• Standard ouvert : Wasm est une norme W3C, garantissant une adoption et un support généralisés.

Le rôle de WASI

Bien que Wasm fournisse l'environnement d'exécution, il manquait à l'origine d'un accès direct aux ressources système telles que le système de fichiers, le réseau et d'autres fonctionnalités du système d'exploitation. C'est là qu'intervient WASI. WASI est une interface système modulaire conçue pour fournir un accès sécurisé à ces ressources pour les modules Wasm. Considérez-le comme une API standardisée permettant aux applications Wasm d'interagir avec le système d'exploitation hôte. Cela permet aux développeurs de créer des applications Wasm plus polyvalentes et puissantes, allant au-delà des simples cas d'utilisation basés sur le web. WASI répond à un besoin crucial : permettre à Wasm d'interagir avec le monde extérieur de manière contrôlée et sécurisée.

Les principaux objectifs de WASI sont :

• Sécurité : Fournir un environnement sandboxé qui limite l'accès aux ressources système, atténuant ainsi les risques de sécurité potentiels.
• Portabilité : Garantir que les modules Wasm peuvent s'exécuter sur différents systèmes d'exploitation sans modification.
• Flexibilité : Offrir une conception modulaire qui prend en charge diverses interfaces système, telles que les systèmes de fichiers, la mise en réseau et les horloges.
• Standardisation : Définir une interface standard pour interagir avec les ressources système, favorisant l'interopérabilité et la réutilisation du code.

WASI et accès au système de fichiers

L'accès au système de fichiers est une fonctionnalité de base de WASI. Il permet aux modules Wasm de lire, d'écrire et de manipuler des fichiers sur le système hôte. Cela ouvre un large éventail de possibilités pour les applications Wasm, des simples tâches de traitement de fichiers aux applications complexes telles que :

• Fonctions Serverless : Traitement des fichiers téléchargés vers le stockage cloud.
• Analyse de données : Analyse et manipulation de grands ensembles de données stockés dans des fichiers.
• Outils de ligne de commande : Création d'utilitaires de ligne de commande basés sur Wasm pour la gestion des fichiers.
• Applications de bureau : Création d'applications de bureau multiplateformes qui lisent et écrivent des fichiers.

Avant WASI, les modules Wasm étaient largement limités dans leurs interactions avec le système de fichiers. Bien que des solutions de contournement existaient, elles reposaient souvent sur des API spécifiques au navigateur ou impliquaient des compromis de sécurité importants. WASI fournit un moyen standardisé et sécurisé pour les modules Wasm d'interagir avec le système de fichiers, ce qui les rend adaptés à une plus grande variété de cas d'utilisation.

Comment fonctionne l'accès au système de fichiers avec WASI

L'accès au système de fichiers WASI est généralement mis en œuvre à l'aide de capacités. Une capacité est un jeton qui accorde à un module Wasm l'accès à une ressource spécifique, telle qu'un répertoire ou un fichier. Le module Wasm doit recevoir ces capacités explicitement, généralement par l'environnement hôte (par exemple, l'environnement d'exécution Wasm). Cette approche améliore la sécurité en garantissant que les modules Wasm n'ont accès qu'aux ressources qu'ils sont autorisés à utiliser.

Voici un aperçu simplifié :

1. Compilation de module : Le code (par exemple, écrit en Rust, C++ ou Go) est compilé en un module Wasm qui importe les fonctions WASI.
2. Provisionnement des capacités : L'environnement hôte fournit au module Wasm des capacités, telles que la possibilité d'accéder à des répertoires ou des fichiers spécifiques. Cela implique souvent de spécifier un ensemble de chemins autorisés lors de l'instanciation du module.
3. Appels système de fichiers : Le module Wasm utilise les fonctions WASI (par exemple, `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`, `fd_close`) pour interagir avec le système de fichiers à l'aide des capacités fournies.
4. Sandboxing : WASI garantit que les opérations du système de fichiers sont limitées aux ressources autorisées, empêchant ainsi le module d'accéder à d'autres parties du système de fichiers.

Exemple pratique (Rust)

Considérons un exemple simple de lecture d'un fichier texte à l'aide de Rust et WASI. Tout d'abord, assurez-vous que la chaîne d'outils Rust est installée (rustup) et ciblez `wasm32-wasi` pour la compilation.

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<String> = 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
              
            
          

Construire le module Wasm :

            cargo build --target wasm32-wasi --release

            

              
                Copy
              
            
          

Cela crée un module Wasm (par exemple, `target/wasm32-wasi/release/file_reader.wasm`). La bibliothèque standard WASI fournit les fonctions nécessaires pour les E/S de fichiers dans le module Wasm. Lors de l'exécution du module Wasm, l'environnement hôte (par exemple, un environnement d'exécution Wasm comme `wasmer` ou `wasmtime`) gérera la fourniture d'un accès au système de fichiers, généralement en permettant à l'utilisateur de spécifier un répertoire à partir duquel lire des fichiers, en mettant ainsi en place le sandboxing de l'interaction avec le système de fichiers. Les interfaces de ligne de commande `wasmer` ou `wasmtime` peuvent être utilisées pour exécuter le module WASM compilé.

Exécution avec Wasmer :

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

            

              
                Copy
              
            
          

Dans cet exemple, `--dir=.` accorde au module Wasm l'accès au répertoire courant, et `file.txt` est le nom de fichier passé en argument. Le programme essaiera ensuite de lire et d'imprimer le contenu de `file.txt`. N'oubliez pas de créer le fichier `file.txt` dans le répertoire courant avant d'exécuter le module.

Avantages de l'utilisation de WASI pour l'accès au système de fichiers

L'utilisation de WASI pour l'accès au système de fichiers offre plusieurs avantages significatifs :

• Sécurité : L'environnement sandboxé restreint l'accès au système de fichiers, minimisant ainsi le risque d'attaques malveillantes.
• Portabilité : Les modules Wasm utilisant WASI peuvent s'exécuter sur différents systèmes d'exploitation et architectures sans modification.
• Standardisation : WASI fournit une API standardisée pour l'interaction avec le système de fichiers, favorisant l'interopérabilité et réduisant la courbe d'apprentissage.
• Flexibilité : Permet la création d'applications hautement portables qui peuvent être exécutées dans divers environnements, des navigateurs web aux déploiements côté serveur.
• Contrôle des ressources : L'accès basé sur les capacités permet un contrôle précis des ressources auxquelles un module Wasm peut accéder, améliorant ainsi la gestion des ressources et empêchant une utilisation abusive accidentelle ou malveillante.

Concepts avancés du système de fichiers WASI

Au-delà de la lecture et de l'écriture de fichiers de base, WASI prend en charge des concepts plus avancés pour l'interaction avec le système de fichiers.

Répertoires et chemins

WASI permet aux modules de travailler avec des répertoires, de créer de nouveaux répertoires et de naviguer dans les chemins du système de fichiers. Cela prend en charge des opérations telles que la liste des fichiers, la création de nouveaux fichiers dans des répertoires spécifiques et la gestion de la structure globale du système de fichiers. La manipulation des chemins est une capacité essentielle pour la gestion et l'organisation des fichiers.

Descripteurs de fichiers

WASI utilise des descripteurs de fichiers (FD) pour représenter les fichiers et répertoires ouverts. Un descripteur de fichier est un entier unique que le module Wasm utilise pour faire référence à un fichier ou un répertoire spécifique. Les fonctions WASI telles que `fd_open` renvoient un FD, qui est ensuite utilisé dans les opérations suivantes telles que la lecture, l'écriture et la fermeture de fichiers. La gestion des descripteurs de fichiers est importante pour éviter les fuites de ressources.

Autorisations et capacités

Comme mentionné, WASI utilise une approche basée sur les capacités pour l'accès au système de fichiers. L'environnement hôte détermine les répertoires et les fichiers auxquels un module Wasm est autorisé à accéder. Ce système d'autorisation offre un niveau de contrôle granulaire, améliorant la sécurité et permettant aux administrateurs d'adapter l'accès aux ressources en fonction des besoins de l'application. Cela empêche les applications d'accéder à des fichiers arbitraires sur le système hôte.

Streaming et mise en mémoire tampon

WASI fournit des mécanismes pour diffuser en continu les données de fichiers et utiliser des tampons pour lire et écrire des données efficacement. Le streaming est particulièrement important pour gérer les fichiers volumineux sans consommer trop de mémoire. La mise en mémoire tampon améliore les performances en réduisant le nombre d'appels système.

Cas d'utilisation et applications

Les capacités d'accès au système de fichiers de WASI permettent un large éventail d'applications. Voici quelques exemples notables :

Fonctions Serverless

WASI est idéal pour les fonctions serverless. Les développeurs peuvent déployer des modules Wasm qui lisent, traitent et écrivent des fichiers stockés dans le stockage cloud (par exemple, Amazon S3, Google Cloud Storage, Azure Blob Storage). Les modules peuvent être déclenchés par des événements (par exemple, des téléchargements de fichiers) et exécutés de manière sécurisée et évolutive. Cela permet de traiter et de transformer efficacement les fichiers dans le cloud. Considérez les cas d'utilisation internationaux où des fichiers provenant de diverses régions et langues du monde peuvent être traités et analysés.

Outils de ligne de commande

WASI permet la création d'utilitaires de ligne de commande multiplateformes. Les développeurs peuvent écrire des modules Wasm qui effectuent le traitement de fichiers, la manipulation de données ou d'autres tâches, puis les exécuter sur n'importe quelle plateforme prenant en charge un environnement d'exécution WASI. Les outils pour des tâches telles que le traitement de texte, la manipulation d'images ou l'analyse de données peuvent être empaquetés et déployés en tant que modules Wasm, ce qui les rend faciles à distribuer et à utiliser sur différents systèmes d'exploitation. Imaginez un outil basé sur Wasm pour le nettoyage des données qui peut être distribué à l'échelle mondiale.

Analyse et traitement des données

WASI peut être utilisé pour créer des outils d'analyse de données basés sur Wasm. Ces outils peuvent lire les données des fichiers, effectuer des calculs et générer des rapports. La portabilité de Wasm les rend facilement distribuables et utilisables sur diverses plateformes. Ces outils peuvent être utilisés pour analyser de grands ensembles de données (par exemple, des fichiers CSV, des fichiers journaux) stockés dans des fichiers et créer des visualisations interactives. Considérez les applications pour l'analyse financière, les simulations scientifiques ou tout domaine nécessitant un traitement des données.

Applications de bureau

Les développeurs peuvent tirer parti de WASI pour créer des applications de bureau multiplateformes qui interagissent avec le système de fichiers. Ces applications peuvent lire, écrire et manipuler des fichiers, offrant aux utilisateurs une expérience familière du système de fichiers. Ceci est particulièrement utile pour les applications qui nécessitent un stockage de fichiers local, l'édition de documents ou d'autres opérations basées sur des fichiers. Cela permet de créer des applications qui fonctionnent de manière cohérente sur Windows, macOS et Linux. Pensez à une application d'édition d'images ou à un éditeur de texte construit avec Wasm et WASI.

Manipulation de fichiers basée sur le web

Bien que Wasm se soit initialement concentré sur le navigateur, WASI permet des interactions en dehors de cet environnement. Il ouvre la porte aux applications web qui ont besoin de traiter des fichiers sur le serveur. Cela évite les limitations de l'accès aux fichiers basé sur le navigateur et permet des opérations plus complexes basées sur les fichiers, améliorant ainsi les performances et l'expérience utilisateur. Un exemple pourrait être un convertisseur de fichiers qui traite de gros fichiers côté serveur.

Implémentation de l'accès au système de fichiers WASI

L'implémentation de l'accès au système de fichiers WASI implique généralement les étapes suivantes :

1. Choisir un langage de programmation : Sélectionnez un langage de programmation prenant en charge la compilation Wasm (par exemple, Rust, C/C++, Go). Rust est particulièrement populaire en raison de ses outils robustes, de sa sécurité mémoire et de sa prise en charge de WASI.
2. Configurer l'environnement de développement : Installez les outils et dépendances nécessaires, notamment le compilateur Wasm, le SDK WASI (si nécessaire) et un environnement d'exécution Wasm.
3. Écrire le code : Écrivez le code d'application à l'aide des fonctions de l'API du système de fichiers WASI (par exemple, `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`).
4. Compiler le code en Wasm : Compilez le code en un module Wasm à l'aide du compilateur et de la cible appropriés (par exemple, `wasm32-wasi`).
5. Fournir des capacités : Le module Wasm doit recevoir les autorisations nécessaires, par exemple, lors du démarrage de l'exécution, le module doit savoir à partir de quel répertoire lire, écrire ou créer des fichiers.
6. Exécuter le module Wasm : Exécutez le module Wasm à l'aide d'un environnement d'exécution Wasm.

Outils et environnements d'exécution

Plusieurs outils et environnements d'exécution prennent en charge WASI, notamment :

• Wasmer : Un environnement d'exécution WebAssembly universel qui exécute des modules Wasm sur diverses plateformes.
• Wasmtime : Un environnement d'exécution WebAssembly autonome de type JIT de la Bytecode Alliance, axé sur les performances et la sécurité.
• WASI SDK : Un ensemble d'outils et de bibliothèques pour le développement d'applications WASI.
• Node.js : Node.js prend en charge WASI, permettant l'exécution de Wasm dans les environnements Node.js.
• Docker : WASI s'intègre à Docker, permettant de conteneuriser les applications Wasm.

Considérations de sécurité

Bien que WASI fournisse un environnement sécurisé pour les modules Wasm, les développeurs doivent toujours être attentifs aux meilleures pratiques de sécurité.

• Moindre privilège : N'accordez aux modules Wasm que les autorisations minimales nécessaires.
• Validation des entrées : Validez toutes les données d'entrée pour éviter les vulnérabilités telles que les dépassements de mémoire tampon et les attaques par injection de code.
• Gestion des dépendances : Gérez soigneusement les dépendances pour éviter d'utiliser des bibliothèques potentiellement vulnérables.
• Audits réguliers : Auditez régulièrement les modules Wasm et l'environnement hôte pour détecter les vulnérabilités de sécurité.
• Sandboxing : Assurez-vous que l'environnement d'exécution Wasm applique le sandbox et restreint l'accès aux ressources système, y compris le système de fichiers, le réseau et les variables d'environnement, à ce qui est explicitement autorisé.

Avenir de WASI et de l'accès au système de fichiers

WASI et ses capacités d'accès au système de fichiers sont en constante évolution. Les développements en cours incluent :

• Performances améliorées : Optimisations continues des environnements d'exécution Wasm pour améliorer les vitesses d'exécution.
• Prise en charge étendue de l'API : Développement de nouvelles API WASI pour prendre en charge des interfaces système supplémentaires (par exemple, la mise en réseau, le threading et les graphiques).
• Efforts de normalisation : Efforts de normalisation continus pour assurer l'interopérabilité entre différents environnements d'exécution et plateformes Wasm.
• Intégration aux plateformes cloud : Intégration accrue aux plateformes cloud, permettant aux développeurs de déployer et d'exécuter facilement des modules Wasm dans des environnements serverless.

L'avenir s'annonce prometteur pour WASI et son application dans l'accès au système de fichiers. Au fur et à mesure que la technologie évolue, nous pouvons nous attendre à voir des applications encore plus sophistiquées qui exploitent la puissance de Wasm et WASI.

Conclusion

WebAssembly (Wasm) et son interface système, WASI, révolutionnent la façon dont les développeurs créent et déploient des logiciels. WASI fournit un moyen sécurisé, portable et standardisé pour les modules Wasm d'interagir avec les ressources système, y compris le système de fichiers. L'accès au système de fichiers via WASI permet un vaste éventail de cas d'utilisation, des fonctions serverless et des outils de ligne de commande à l'analyse de données et aux applications de bureau. En comprenant les concepts et les détails de mise en œuvre décrits dans cet article de blog, les développeurs peuvent exploiter la puissance de WASM et WASI pour créer des applications innovantes et efficaces. WASI et l'accès au système de fichiers sont des technologies essentielles pour l'avenir du développement logiciel, ouvrant la voie à des applications multiplateformes et permettant la portabilité, les performances et la sécurité dans un éventail diversifié d'applications à l'échelle mondiale.