WebAssembly WASI: Sistemos sąsaja ir failų sistemos prieiga

WebAssembly (Wasm) tapo galinga technologija, skirta vykdyti kodą ne tik žiniatinklio naršyklėse, bet vis dažniau ir už jų ribų. Ji siūlo beveik natyvų našumą, saugumą ir perkeliamumą. Pagrindinis elementas, leidžiantis realizuoti visą Wasm potencialą, yra WebAssembly sistemos sąsaja (WASI). Šiame tinklaraščio įraše nagrinėsime WASI, ypatingą dėmesį skirdami jos esminiam vaidmeniui suteikiant prieigą prie failų sistemos, detalizuodami jos privalumus, įgyvendinimą ir pasekmes šiuolaikinei programinės įrangos kūrimui.

Kas yra WebAssembly (Wasm)?

WebAssembly yra dvejetainis instrukcijų formatas, sukurtas steku pagrįstai virtualiai mašinai. Ji tarnauja kaip nešiojamas kompiliavimo tikslas programavimo kalboms, leidžiantis diegti programas žiniatinklyje (ir ne tik) su dideliu našumu. Užuot rašę kodą specialiai naršyklei, kūrėjai gali kompiliuoti savo kodą (parašytą tokiomis kalbomis kaip C, C++, Rust ir Go) į Wasm modulius. Šie moduliai gali būti vykdomi žiniatinklio naršyklėje ar kitose Wasm vykdymo aplinkose, tokiose kaip Node.js ar net dedikuotose Wasm vykdymo aplinkose, veikiančiose serveryje. Pagrindiniai Wasm privalumai yra:

• Našumas: Wasm siūlo beveik natyvų vykdymo greitį, todėl tinka skaičiavimams imlioms užduotims.
• Saugumas: Wasm moduliai vykdomi izoliuotoje aplinkoje (sandbox), apribojant jų prieigą prie pagrindinės sistemos ir didinant saugumą.
• Perkeliamumas: Wasm moduliai gali veikti įvairiose platformose ir architektūrose, skatinant daugiaplatformį suderinamumą.
• Atviras standartas: Wasm yra W3C standartas, užtikrinantis platų pritaikymą ir palaikymą.

WASI vaidmuo

Nors Wasm suteikia vykdymo aplinką, iš pradžių ji neturėjo tiesioginės prieigos prie sistemos išteklių, tokių kaip failų sistema, tinklas ir kitos operacinės sistemos funkcijos. Čia į pagalbą ateina WASI. WASI yra modulinė sistemos sąsaja, skirta suteikti saugią prieigą prie šių išteklių Wasm moduliams. Galvokite apie ją kaip apie standartizuotą API, skirtą Wasm programoms sąveikauti su pagrindine operacine sistema. Tai leidžia kūrėjams kurti universalesnes ir galingesnes Wasm programas, peržengiant vien tik žiniatinklio panaudojimo atvejų ribas. WASI sprendžia esminį poreikį: leisti Wasm sąveikauti su išoriniu pasauliu kontroliuojamu ir saugiu būdu.

Pagrindiniai WASI tikslai yra:

• Saugumas: Suteikti izoliuotą aplinką, kuri apriboja prieigą prie sistemos išteklių, mažinant galimas saugumo rizikas.
• Perkeliamumas: Užtikrinti, kad Wasm moduliai galėtų veikti skirtingose operacinėse sistemose be pakeitimų.
• Lankstumas: Siūlyti modulinį dizainą, palaikantį įvairias sistemos sąsajas, tokias kaip failų sistemos, tinklų posistemės ir laikrodžiai.
• Standartizacija: Apibrėžti standartinę sąsają sąveikai su sistemos ištekliais, skatinant sąveikumą ir kodo pakartotinį naudojimą.

WASI ir failų sistemos prieiga

Failų sistemos prieiga yra pagrindinė WASI savybė. Ji leidžia Wasm moduliams skaityti, rašyti ir manipuliuoti failais pagrindinėje sistemoje. Tai atveria platų galimybių spektrą Wasm programoms, nuo paprastų failų apdorojimo užduočių iki sudėtingų programų, tokių kaip:

• Beserverės funkcijos: Apdoroti failus, įkeltus į debesų saugyklą.
• Duomenų analizė: Analizuoti ir manipuliuoti dideliais duomenų rinkiniais, saugomais failuose.
• Komandų eilutės įrankiai: Kurti Wasm pagrįstus komandų eilutės įrankius failų valdymui.
• Stalinių kompiuterių programos: Kurti daugiaplatformes stalinių kompiuterių programas, kurios skaito ir rašo failus.

Prieš WASI Wasm modulių sąveika su failų sistema buvo labai apribota. Nors egzistavo tam tikri sprendimai, jie dažnai rėmėsi naršyklės specifinėmis API arba buvo susiję su dideliais saugumo kompromisais. WASI suteikia standartizuotą ir saugų būdą Wasm moduliams sąveikauti su failų sistema, todėl jie tinka platesniam panaudojimo atvejų spektrui.

Kaip veikia failų sistemos prieiga su WASI

WASI failų sistemos prieiga paprastai įgyvendinama naudojant galimybes (capabilities). Galimybė yra žetonas, suteikiantis Wasm moduliui prieigą prie konkretaus ištekliaus, pavyzdžiui, katalogo ar failo. Wasm moduliui šios galimybės turi būti suteiktos aiškiai, paprastai tai daro pagrindinė aplinka (pvz., Wasm vykdymo aplinka). Šis metodas padidina saugumą, užtikrindamas, kad Wasm moduliai turėtų prieigą tik prie tų išteklių, kuriuos jiems leidžiama naudoti.

Štai supaprastinta apžvalga:

1. Modulio kompiliavimas: Kodas (pvz., parašytas Rust, C++ ar Go kalbomis) kompiliuojamas į Wasm modulį, kuris importuoja WASI funkcijas.
2. Galimybių suteikimas: Pagrindinė aplinka suteikia Wasm moduliui galimybes, pavyzdžiui, teisę pasiekti konkrečius katalogus ar failus. Tai dažnai apima leidžiamų kelių rinkinio nurodymą, kai modulis yra inicializuojamas.
3. Failų sistemos iškvietimai: Wasm modulis naudoja WASI funkcijas (pvz., `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`, `fd_close`) sąveikai su failų sistema, naudodamas suteiktas galimybes.
4. Izoliavimas (Sandboxing): WASI užtikrina, kad failų sistemos operacijos būtų apribotos leidžiamais ištekliais, neleidžiant moduliui pasiekti kitų failų sistemos dalių.

Praktinis pavyzdys (Rust)

Panagrinėkime paprastą pavyzdį, kaip nuskaityti tekstinį failą naudojant Rust ir WASI. Pirmiausia įsitikinkite, kad turite įdiegtą Rust įrankių rinkinį (rustup) ir kompiliavimui pasirinktą `wasm32-wasi` tikslą.

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
              
            
          

Sukurkite Wasm modulį:

            cargo build --target wasm32-wasi --release

            

              
                Copy
              
            
          

Taip sukuriamas Wasm modulis (pvz., `target/wasm32-wasi/release/file_reader.wasm`). WASI standartinė biblioteka suteikia reikiamas funkcijas failų įvesties/išvesties operacijoms Wasm modulyje. Vykdant Wasm modulį, pagrindinė aplinka (pvz., Wasm vykdymo aplinka, kaip `wasmer` ar `wasmtime`) tvarkys prieigos prie failų sistemos suteikimą, paprastai leisdama vartotojui nurodyti katalogą, iš kurio galima skaityti failus, taip efektyviai izoliuojant failų sistemos sąveiką. `wasmer` ar `wasmtime` komandų eilutės sąsajos gali būti naudojamos sukompiliuotam WASM moduliui paleisti.

Vykdymas su Wasmer:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje `--dir=.` suteikia Wasm moduliui prieigą prie dabartinio katalogo, o `file.txt` yra failo pavadinimas, perduodamas kaip argumentas. Tada programa bandys perskaityti ir išspausdinti `file.txt` turinį. Nepamirškite sukurti `file.txt` failo dabartiniame kataloge prieš paleisdami modulį.

WASI naudojimo failų sistemos prieigai privalumai

WASI naudojimas failų sistemos prieigai suteikia keletą reikšmingų privalumų:

• Saugumas: Izoliuota aplinka apriboja prieigą prie failų sistemos, mažindama piktavališkų atakų riziką.
• Perkeliamumas: Wasm moduliai, naudojantys WASI, gali veikti skirtingose operacinėse sistemose ir architektūrose be pakeitimų.
• Standartizacija: WASI suteikia standartizuotą API failų sistemos sąveikai, skatindama sąveikumą ir mažindama mokymosi kreivę.
• Lankstumas: Leidžia kurti itin nešiojamas programas, kurias galima vykdyti įvairiose aplinkose, nuo žiniatinklio naršyklių iki serverio pusės diegimų.
• Išteklių kontrolė: Galimybėmis pagrįsta prieiga leidžia smulkiai kontroliuoti, kokius išteklius gali pasiekti Wasm modulis, gerinant išteklių valdymą ir užkertant kelią atsitiktiniam ar piktavališkam piktnaudžiavimui.

Pažangesnės WASI failų sistemos koncepcijos

Be pagrindinio failų skaitymo ir rašymo, WASI palaiko ir pažangesnes failų sistemos sąveikos koncepcijas.

Katalogai ir keliai

WASI leidžia moduliams dirbti su katalogais, kurti naujus katalogus ir naršyti failų sistemos kelius. Tai palaiko tokias operacijas kaip failų sąrašo gavimas, naujų failų kūrimas konkrečiuose kataloguose ir bendros failų sistemos struktūros valdymas. Kelių manipuliavimas yra esminė galimybė valdant ir organizuojant failus.

Failų deskriptoriai

WASI naudoja failų deskriptorius (FD) atviriems failams ir katalogams žymėti. Failo deskriptorius yra unikalus sveikasis skaičius, kurį Wasm modulis naudoja nurodydamas konkretų failą ar katalogą. WASI funkcijos, tokios kaip `fd_open`, grąžina FD, kuris vėliau naudojamas kitose operacijose, pavyzdžiui, skaitant, rašant ir uždarant failus. Failų deskriptorių valdymas yra svarbus, norint išvengti išteklių nutekėjimo.

Leidimai ir galimybės (Capabilities)

Kaip minėta, WASI taiko galimybėmis pagrįstą požiūrį į failų sistemos prieigą. Pagrindinė aplinka nustato, kuriuos katalogus ir failus Wasm moduliui leidžiama pasiekti. Ši leidimų sistema suteikia detalų kontrolės lygį, didindama saugumą ir leisdama administratoriams pritaikyti prieigą prie išteklių pagal programos poreikius. Tai neleidžia programoms pasiekti bet kokių failų pagrindinėje sistemoje.

Srautinis perdavimas ir buferizavimas

WASI suteikia mechanizmus failų duomenų srautiniam perdavimui ir buferių naudojimui efektyviam duomenų skaitymui ir rašymui. Srautinis perdavimas yra ypač svarbus dirbant su dideliais failais, nenaudojant per daug atminties. Buferizavimas pagerina našumą, sumažindamas sistemos iškvietimų skaičių.

Panaudojimo atvejai ir pritaikymai

WASI failų sistemos prieigos galimybės leidžia kurti įvairiausias programas. Štai keletas svarbių pavyzdžių:

Beserverės funkcijos

WASI idealiai tinka beserverėms funkcijoms. Kūrėjai gali diegti Wasm modulius, kurie skaito, apdoroja ir rašo failus, saugomus debesų saugyklose (pvz., Amazon S3, Google Cloud Storage, Azure Blob Storage). Moduliai gali būti aktyvuojami įvykių (pvz., failų įkėlimo) ir vykdomi saugiai bei keičiamo dydžio būdu. Tai leidžia efektyviai apdoroti ir transformuoti failus debesyje. Apsvarstykite tarptautinius panaudojimo atvejus, kai galima apdoroti ir analizuoti failus iš įvairių pasaulio regionų ir kalbų.

Komandų eilutės įrankiai

WASI leidžia kurti daugiaplatformius komandų eilutės įrankius. Kūrėjai gali rašyti Wasm modulius, atliekančius failų apdorojimą, duomenų manipuliavimą ar kitas užduotis, ir tada juos paleisti bet kurioje platformoje, palaikančioje WASI vykdymo aplinką. Įrankiai, skirti tokioms užduotims kaip teksto apdorojimas, vaizdų manipuliavimas ar duomenų analizė, gali būti supakuoti ir diegiami kaip Wasm moduliai, todėl juos lengva platinti ir naudoti skirtingose operacinėse sistemose. Įsivaizduokite Wasm pagrįstą duomenų valymo įrankį, kurį galima platinti visame pasaulyje.

Duomenų analizė ir apdorojimas

WASI gali būti naudojamas kuriant Wasm pagrįstus duomenų analizės įrankius. Šie įrankiai gali skaityti duomenis iš failų, atlikti skaičiavimus ir generuoti ataskaitas. Wasm perkeliamumas leidžia juos lengvai platinti ir naudoti įvairiose platformose. Šie įrankiai gali būti naudojami analizuojant didelius duomenų rinkinius (pvz., CSV failus, žurnalo failus), saugomus failuose, ir kuriant interaktyvias vizualizacijas. Apsvarstykite pritaikymus finansinei analizei, mokslinėms simuliacijoms ar bet kuriai sričiai, kuriai reikalingas duomenų apdorojimas.

Stalinių kompiuterių programos

Kūrėjai gali pasinaudoti WASI kurdami daugiaplatformes stalinių kompiuterių programas, kurios sąveikauja su failų sistema. Šios programos gali skaityti, rašyti ir manipuliuoti failais, suteikdamos vartotojams pažįstamą failų sistemos patirtį. Tai ypač naudinga programoms, kurioms reikalinga vietinė failų saugykla, dokumentų redagavimas ar kitos su failais susijusios operacijos. Tai leidžia kurti programas, kurios veikia nuosekliai Windows, macOS ir Linux sistemose. Pagalvokite apie vaizdų redagavimo programą ar teksto redaktorių, sukurtą su Wasm ir WASI.

Žiniatinkliu pagrįstas failų manipuliavimas

Nors Wasm iš pradžių buvo orientuotas į naršyklę, WASI leidžia sąveikauti ir už šios aplinkos ribų. Tai atveria duris žiniatinklio programoms, kurioms reikia apdoroti failus serveryje. Tai leidžia išvengti naršyklės pagrįstos failų prieigos apribojimų ir atlikti sudėtingesnes su failais susijusias operacijas, gerinant našumą ir vartotojo patirtį. Pavyzdys galėtų būti failų konverteris, apdorojantis didelius failus serverio pusėje.

WASI failų sistemos prieigos įgyvendinimas

WASI failų sistemos prieigos įgyvendinimas paprastai apima šiuos veiksmus:

1. Pasirinkite programavimo kalbą: Pasirinkite programavimo kalbą, palaikančią Wasm kompiliavimą (pvz., Rust, C/C++, Go). Rust yra ypač populiari dėl savo tvirtų įrankių, atminties saugumo ir WASI palaikymo.
2. Nustatykite kūrimo aplinką: Įdiekite reikiamus įrankius ir priklausomybes, įskaitant Wasm kompiliatorių, WASI SDK (jei reikia) ir Wasm vykdymo aplinką.
3. Parašykite kodą: Parašykite programos kodą, naudodami WASI failų sistemos API funkcijas (pvz., `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`).
4. Sukompiliuokite kodą į Wasm: Sukompiliuokite kodą į Wasm modulį, naudodami atitinkamą kompiliatorių ir tikslą (pvz., `wasm32-wasi`).
5. Suteikite galimybes: Wasm moduliui turi būti suteikti reikiami leidimai, pvz., vykdymo metu modulis turi žinoti, iš kurio katalogo skaityti, rašyti ar kurti failus.
6. Paleiskite Wasm modulį: Vykdykite Wasm modulį naudodami Wasm vykdymo aplinką.

Įrankiai ir vykdymo aplinkos

Keletas įrankių ir vykdymo aplinkų palaiko WASI, įskaitant:

• Wasmer: Universali WebAssembly vykdymo aplinka, leidžianti paleisti Wasm modulius įvairiose platformose.
• Wasmtime: Atskira JIT stiliaus WebAssembly vykdymo aplinka iš Bytecode Alliance, orientuota į našumą ir saugumą.
• WASI SDK: Įrankių ir bibliotekų rinkinys, skirtas WASI programų kūrimui.
• Node.js: Node.js palaiko WASI, leidžiant vykdyti Wasm Node.js aplinkose.
• Docker: WASI tampa vis labiau integruojamas į Docker, leidžiant konteinerizuoti Wasm programas.

Saugumo aspektai

Nors WASI suteikia saugią aplinką Wasm moduliams, kūrėjai vis tiek turi atsižvelgti į geriausias saugumo praktikas.

• Mažiausių privilegijų principas: Suteikite Wasm moduliams tik minimaliai būtinus leidimus.
• Įvesties patvirtinimas: Patvirtinkite visus įvesties duomenis, kad išvengtumėte pažeidžiamumų, tokių kaip buferio perpildymas ir kodo injekcijos atakos.
• Priklausomybių valdymas: Atidžiai valdykite priklausomybes, kad išvengtumėte potencialiai pažeidžiamų bibliotekų naudojimo.
• Reguliarūs auditai: Reguliariai tikrinkite Wasm modulius ir pagrindinę aplinką dėl saugumo pažeidžiamumų.
• Izoliavimas (Sandboxing): Užtikrinkite, kad Wasm vykdymo aplinka taikytų izoliavimą ir apribotų prieigą prie sistemos išteklių, įskaitant failų sistemą, tinklą ir aplinkos kintamuosius, iki to, kas yra aiškiai leidžiama.

WASI ir failų sistemos prieigos ateitis

WASI ir jo failų sistemos prieigos galimybės nuolat tobulėja. Vykstantys pokyčiai apima:

• Pagerintas našumas: Nuolatinis Wasm vykdymo aplinkų optimizavimas siekiant pagerinti vykdymo greitį.
• Išplėstas API palaikymas: Naujų WASI API kūrimas, siekiant palaikyti papildomas sistemos sąsajas (pvz., tinklų posistemes, gijas ir grafiką).
• Standartizacijos pastangos: Vykstančios standartizacijos pastangos, siekiant užtikrinti sąveikumą tarp skirtingų Wasm vykdymo aplinkų ir platformų.
• Integracija su debesų platformomis: Didesnė integracija su debesų platformomis, leidžianti kūrėjams lengvai diegti ir vykdyti Wasm modulius beserverėse aplinkose.

WASI ir jos pritaikymo failų sistemos prieigai ateitis atrodo daug žadanti. Technologijai bręstant, galime tikėtis pamatyti dar sudėtingesnių programų, kurios išnaudos Wasm ir WASI galią.

Išvada

WebAssembly (Wasm) ir jos sistemos sąsaja WASI keičia tai, kaip kūrėjai kuria ir diegia programinę įrangą. WASI suteikia saugų, nešiojamą ir standartizuotą būdą Wasm moduliams sąveikauti su sistemos ištekliais, įskaitant failų sistemą. Failų sistemos prieiga per WASI leidžia įgyvendinti platų panaudojimo atvejų spektrą, nuo beserverių funkcijų ir komandų eilutės įrankių iki duomenų analizės ir stalinių kompiuterių programų. Suprasdami šiame tinklaraščio įraše aptartas koncepcijas ir įgyvendinimo detales, kūrėjai gali išnaudoti WASM ir WASI galią kurdami inovatyvias ir efektyvias programas. WASI ir failų sistemos prieiga yra esminės technologijos ateities programinės įrangos kūrimui, atveriančios kelią daugiaplatformėms programoms ir užtikrinančios perkeliamumą, našumą ir saugumą įvairiose programose visame pasaulyje.