WebAssembly WASI: Sistēmas saskarne un failu sistēmas piekļuve

WebAssembly (Wasm) ir kļuvusi par spēcīgu tehnoloģiju koda izpildei tīmekļa pārlūkprogrammās un arvien biežāk arī ārpus tām. Tā piedāvā gandrīz dabīgu veiktspēju, drošību un pārnesamību. Galvenais elements Wasm pilnā potenciāla realizēšanā ir WebAssembly sistēmas saskarne (WASI). Šajā emuāra ierakstā tiks pētīta WASI, īpašu uzmanību pievēršot tās izšķirošajai lomai piekļuves nodrošināšanā failu sistēmai, detalizēti aprakstot tās priekšrocības, ieviešanu un ietekmi uz mūsdienu programmatūras izstrādi.

Kas ir WebAssembly (Wasm)?

WebAssembly ir bināro instrukciju formāts, kas paredzēts uz steka bāzes veidotai virtuālajai mašīnai. Tā kalpo kā pārnēsājams kompilācijas mērķis programmēšanas valodām, ļaujot ar augstu veiktspēju izvietot lietojumprogrammas tīmeklī (un ārpus tā). Tā vietā, lai rakstītu kodu īpaši pārlūkprogrammai, izstrādātāji var kompilēt savu kodu (rakstītu tādās valodās kā C, C++, Rust un Go) Wasm moduļos. Pēc tam šos moduļus var izpildīt tīmekļa pārlūkprogrammā vai citās Wasm izpildlaika vidēs, piemēram, Node.js vai pat specializētās Wasm izpildlaika vidēs, kas darbojas serverī. Wasm galvenās priekšrocības ir:

• Veiktspēja: Wasm piedāvā gandrīz dabīgu izpildes ātrumu, padarot to piemērotu skaitļošanas ziņā intensīviem uzdevumiem.
• Drošība: Wasm moduļi tiek izpildīti izolētā vidē (sandboxed environment), ierobežojot to piekļuvi resursdatora sistēmai un uzlabojot drošību.
• Pārnesamība: Wasm moduļi var darboties uz dažādām platformām un arhitektūrām, veicinot starpplatformu saderību.
• Atvērtais standarts: Wasm ir W3C standarts, kas nodrošina plašu pieņemšanu un atbalstu.

WASI loma

Lai gan Wasm nodrošina izpildes vidi, sākotnēji tam trūka tiešas piekļuves sistēmas resursiem, piemēram, failu sistēmai, tīklam un citām operētājsistēmas funkcijām. Šeit parādās WASI. WASI ir modulāra sistēmas saskarne, kas paredzēta, lai nodrošinātu drošu piekļuvi šiem resursiem Wasm moduļiem. Iztēlojieties to kā standartizētu API, lai Wasm lietojumprogrammas varētu mijiedarboties ar resursdatora operētājsistēmu. Tas ļauj izstrādātājiem veidot daudzpusīgākas un jaudīgākas Wasm lietojumprogrammas, pārsniedzot tikai tīmekļa lietošanas gadījumus. WASI risina būtisku vajadzību: ļaut Wasm kontrolētā un drošā veidā mijiedarboties ar ārpasauli.

WASI galvenie mērķi ir:

• Drošība: Nodrošināt izolētu vidi (sandboxed environment), kas ierobežo piekļuvi sistēmas resursiem, mazinot potenciālos drošības riskus.
• Pārnesamība: Nodrošināt, ka Wasm moduļi var darboties dažādās operētājsistēmās bez izmaiņām.
• Elastīgums: Piedāvāt modulāru dizainu, kas atbalsta dažādas sistēmas saskarnes, piemēram, failu sistēmas, tīklošanu un pulksteņus.
• Standardizācija: Definēt standarta saskarni mijiedarbībai ar sistēmas resursiem, veicinot sadarbspēju un koda atkārtotu izmantošanu.

WASI un failu sistēmas piekļuve

Failu sistēmas piekļuve ir WASI pamatfunkcija. Tā ļauj Wasm moduļiem lasīt, rakstīt un manipulēt ar failiem resursdatora sistēmā. Tas paver plašas iespējas Wasm lietojumprogrammām, sākot no vienkāršiem failu apstrādes uzdevumiem līdz sarežģītām lietojumprogrammām, piemēram:

• Bezservera funkcijas: Apstrādāt failus, kas augšupielādēti mākoņkrātuvē.
• Datu analīze: Analizēt un manipulēt ar lielām datu kopām, kas glabājas failos.
• Komandrindas rīki: Izveidot uz Wasm bāzētas komandrindas utilītas failu pārvaldībai.
• Darbvirsmas lietojumprogrammas: Veidot starpplatformu darbvirsmas lietojumprogrammas, kas lasa un raksta failus.

Pirms WASI Wasm moduļi bija lielā mērā ierobežoti savā failu sistēmas mijiedarbībā. Lai gan pastāvēja daži risinājumi, tie bieži balstījās uz pārlūkprogrammai specifiskām API vai ietvēra nozīmīgus drošības kompromisus. WASI nodrošina standartizētu un drošu veidu, kā Wasm moduļi var mijiedarboties ar failu sistēmu, padarot tos piemērotus daudz plašākam lietošanas gadījumu klāstam.

Kā darbojas failu sistēmas piekļuve ar WASI

WASI failu sistēmas piekļuve parasti tiek īstenota, izmantojot spējas (capabilities). Spēja ir marķieris (token), kas piešķir Wasm modulim piekļuvi konkrētam resursam, piemēram, direktorijam vai failam. Wasm modulim šīs spējas ir jāpiešķir skaidri, parasti to dara resursdatora vide (piemēram, Wasm izpildlaiks). Šī pieeja uzlabo drošību, nodrošinot, ka Wasm moduļiem ir piekļuve tikai tiem resursiem, kurus tie ir pilnvaroti izmantot.

Šeit ir vienkāršots pārskats:

1. Moduļa kompilēšana: Kods (piemēram, rakstīts Rust, C++ vai Go valodā) tiek kompilēts Wasm modulī, kas importē WASI funkcijas.
2. Spēju nodrošināšana: Resursdatora vide nodrošina Wasm moduli ar spējām, piemēram, spēju piekļūt konkrētiem direktorijiem vai failiem. Tas bieži ietver atļauto ceļu kopas norādīšanu, kad modulis tiek inicializēts.
3. Failu sistēmas izsaukumi: Wasm modulis izmanto WASI funkcijas (piemēram, `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`, `fd_close`), lai mijiedarbotos ar failu sistēmu, izmantojot nodrošinātās spējas.
4. Izolēšana (Sandboxing): WASI nodrošina, ka failu sistēmas operācijas ir ierobežotas ar autorizētajiem resursiem, neļaujot modulim piekļūt citām failu sistēmas daļām.

Praktisks piemērs (Rust)

Apskatīsim vienkāršu piemēru, kā lasīt teksta failu, izmantojot Rust un WASI. Vispirms pārliecinieties, ka esat instalējis Rust rīkkopu (rustup) un kompilācijai norādījis mērķi `wasm32-wasi`.

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
              
            
          

Izveidojiet Wasm moduli:

            cargo build --target wasm32-wasi --release

            

              
                Copy
              
            
          

Šādi tiek izveidots Wasm modulis (piem., `target/wasm32-wasi/release/file_reader.wasm`). WASI standarta bibliotēka nodrošina nepieciešamās funkcijas failu I/O operācijām Wasm modulī. Izpildot Wasm moduli, resursdatora vide (piemēram, Wasm izpildlaiks, kā `wasmer` vai `wasmtime`) nodrošinās piekļuvi failu sistēmai, parasti ļaujot lietotājam norādīt direktoriju, no kuras lasīt failus, tādējādi efektīvi izolējot (sandboxing) mijiedarbību ar failu sistēmu. Lai palaistu kompilēto WASM moduli, var izmantot `wasmer` vai `wasmtime` komandrindas saskarnes.

Palaišana ar Wasmer:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Šajā piemērā `--dir=.` piešķir Wasm modulim piekļuvi pašreizējam direktorijam, un `file.txt` ir faila nosaukums, kas tiek nodots kā arguments. Programma mēģinās nolasīt un izdrukāt `file.txt` saturu. Atcerieties izveidot `file.txt` failu pašreizējā direktorijā pirms moduļa palaišanas.

WASI izmantošanas priekšrocības failu sistēmas piekļuvei

WASI izmantošana failu sistēmas piekļuvei piedāvā vairākas būtiskas priekšrocības:

• Drošība: Izolētā vide (sandboxed environment) ierobežo piekļuvi failu sistēmai, samazinot ļaunprātīgu uzbrukumu risku.
• Pārnesamība: Wasm moduļi, kas izmanto WASI, var darboties dažādās operētājsistēmās un arhitektūrās bez izmaiņām.
• Standardizācija: WASI nodrošina standartizētu API failu sistēmas mijiedarbībai, veicinot sadarbspēju un samazinot mācīšanās līkni.
• Elastīgums: Ļauj izveidot ļoti pārnēsājamas lietojumprogrammas, kuras var palaist dažādās vidēs, sākot no tīmekļa pārlūkprogrammām līdz servera puses izvietojumiem.
• Resursu kontrole: Uz spējām balstīta piekļuve nodrošina detalizētu kontroli pār to, kādiem resursiem Wasm modulis var piekļūt, uzlabojot resursu pārvaldību un novēršot nejaušu vai ļaunprātīgu izmantošanu.

Padziļināti WASI failu sistēmas jēdzieni

Papildus pamata failu lasīšanai un rakstīšanai, WASI atbalsta arī sarežģītākus jēdzienus failu sistēmas mijiedarbībai.

Direktoriji un ceļi

WASI ļauj moduļiem strādāt ar direktorijiem, veidot jaunus direktorijus un pārvietoties pa failu sistēmas ceļiem. Tas atbalsta tādas operācijas kā failu saraksta iegūšana, jaunu failu izveide konkrētos direktorijos un vispārējās failu sistēmas struktūras pārvaldība. Ceļu manipulācija ir kritiska spēja failu pārvaldīšanai un organizēšanai.

Failu deskriptori

WASI izmanto failu deskriptorus (FDs), lai attēlotu atvērtus failus un direktorijus. Failu deskriptors ir unikāls vesels skaitlis, ko Wasm modulis izmanto, lai atsauktos uz konkrētu failu vai direktoriju. WASI funkcijas, piemēram, `fd_open`, atgriež FD, kas pēc tam tiek izmantots turpmākajās operācijās, piemēram, lasīšanā, rakstīšanā un failu aizvēršanā. Failu deskriptoru pārvaldība ir svarīga, lai izvairītos no resursu noplūdes.

Atļaujas un spējas

Kā jau minēts, WASI izmanto uz spējām balstītu pieeju failu sistēmas piekļuvei. Resursdatora vide nosaka, kuriem direktorijiem un failiem Wasm modulim ir atļauts piekļūt. Šī atļauju sistēma nodrošina granulāru kontroles līmeni, uzlabojot drošību un ļaujot administratoriem pielāgot resursu piekļuvi atbilstoši lietojumprogrammas vajadzībām. Tas novērš lietojumprogrammu piekļuvi patvaļīgiem failiem resursdatora sistēmā.

Straumēšana un buferizācija

WASI nodrošina mehānismus failu datu straumēšanai un buferu izmantošanai, lai efektīvi lasītu un rakstītu datus. Straumēšana ir īpaši svarīga, lai apstrādātu lielus failus, nepatērējot pārmērīgu atmiņu. Buferizācija uzlabo veiktspēju, samazinot sistēmas izsaukumu skaitu.

Lietošanas gadījumi un lietojumprogrammas

WASI failu sistēmas piekļuves iespējas nodrošina plašu lietojumprogrammu klāstu. Šeit ir daži ievērojami piemēri:

Bezservera funkcijas

WASI ir ideāli piemērots bezservera funkcijām. Izstrādātāji var izvietot Wasm moduļus, kas lasa, apstrādā un raksta failus, kas glabājas mākoņkrātuvē (piemēram, Amazon S3, Google Cloud Storage, Azure Blob Storage). Moduļus var aktivizēt ar notikumiem (piemēram, failu augšupielādēm) un izpildīt drošā un mērogojamā veidā. Tas ļauj efektīvi apstrādāt un pārveidot failus mākonī. Apsveriet starptautiskus lietošanas gadījumus, kur var apstrādāt un analizēt failus no dažādiem pasaules reģioniem un valodām.

Komandrindas rīki

WASI ļauj izveidot starpplatformu komandrindas utilītas. Izstrādātāji var rakstīt Wasm moduļus, kas veic failu apstrādi, datu manipulācijas vai citus uzdevumus, un pēc tam palaist tos uz jebkuras platformas, kas atbalsta WASI izpildlaiku. Rīkus tādiem uzdevumiem kā teksta apstrāde, attēlu manipulācija vai datu analīze var iepakot un izvietot kā Wasm moduļus, padarot tos viegli izplatāmus un lietojamus dažādās operētājsistēmās. Iedomājieties uz Wasm balstītu datu tīrīšanas rīku, ko var izplatīt visā pasaulē.

Datu analīze un apstrāde

WASI var izmantot, lai veidotu uz Wasm balstītus datu analīzes rīkus. Šie rīki var lasīt datus no failiem, veikt aprēķinus un ģenerēt atskaites. Wasm pārnesamība padara tos viegli izplatāmus un lietojamus uz dažādām platformām. Šos rīkus var izmantot, lai analizētu lielas datu kopas (piemēram, CSV failus, žurnālfailus), kas glabājas failos, un veidotu interaktīvas vizualizācijas. Apsveriet lietojumprogrammas finanšu analīzei, zinātniskām simulācijām vai jebkurai jomai, kas prasa datu apstrādi.

Darbvirsmas lietojumprogrammas

Izstrādātāji var izmantot WASI, lai izveidotu starpplatformu darbvirsmas lietojumprogrammas, kas mijiedarbojas ar failu sistēmu. Šīs lietojumprogrammas var lasīt, rakstīt un manipulēt ar failiem, nodrošinot lietotājiem pazīstamu failu sistēmas pieredzi. Tas ir īpaši noderīgi lietojumprogrammām, kurām nepieciešama lokāla failu glabāšana, dokumentu rediģēšana vai citas uz failiem balstītas operācijas. Tas ļauj veidot lietojumprogrammas, kas konsekventi darbojas Windows, macOS un Linux. Iedomājieties attēlu rediģēšanas lietojumprogrammu vai teksta redaktoru, kas izveidots ar Wasm un WASI.

Tīmekļa failu manipulācijas

Lai gan Wasm sākotnēji koncentrējās uz pārlūkprogrammu, WASI nodrošina mijiedarbību ārpus šīs vides. Tas paver durvis tīmekļa lietojumprogrammām, kurām nepieciešams apstrādāt failus serverī. Tas ļauj izvairīties no pārlūkprogrammas failu piekļuves ierobežojumiem un nodrošina sarežģītākas uz failiem balstītas operācijas, uzlabojot veiktspēju un lietotāja pieredzi. Piemērs varētu būt failu pārveidotājs, kas apstrādā lielus failus servera pusē.

WASI failu sistēmas piekļuves ieviešana

WASI failu sistēmas piekļuves ieviešana parasti ietver šādus soļus:

1. Izvēlieties programmēšanas valodu: Izvēlieties programmēšanas valodu, kas atbalsta Wasm kompilāciju (piemēram, Rust, C/C++, Go). Rust ir īpaši populāra tās robusto rīku, atmiņas drošības un WASI atbalsta dēļ.
2. Iestatiet izstrādes vidi: Instalējiet nepieciešamos rīkus un atkarības, tostarp Wasm kompilatoru, WASI SDK (ja nepieciešams) un Wasm izpildlaiku.
3. Rakstiet kodu: Rakstiet lietojumprogrammas kodu, izmantojot WASI failu sistēmas API funkcijas (piemēram, `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`).
4. Kompilējiet kodu uz Wasm: Kompilējiet kodu Wasm modulī, izmantojot atbilstošo kompilatoru un mērķi (piemēram, `wasm32-wasi`).
5. Nodrošiniet spējas: Wasm modulim ir jāpiešķir nepieciešamās atļaujas, piemēram, izpildlaika startēšanas laikā modulim ir jāzina, no kura direktorija lasīt, rakstīt vai izveidot failus.
6. Palaidiet Wasm moduli: Izpildiet Wasm moduli, izmantojot Wasm izpildlaiku.

Rīki un izpildlaiki

Vairāki rīki un izpildlaiki atbalsta WASI, tostarp:

• Wasmer: Universāls WebAssembly izpildlaiks, kas palaiž Wasm moduļus uz dažādām platformām.
• Wasmtime: Atsevišķs JIT stila WebAssembly izpildlaiks no Bytecode Alliance, kas koncentrējas uz veiktspēju un drošību.
• WASI SDK: Rīku un bibliotēku kopums WASI lietojumprogrammu izstrādei.
• Node.js: Node.js atbalsta WASI, nodrošinot Wasm izpildi Node.js vidēs.
• Docker: WASI tiek integrēts Docker, ļaujot Wasm lietojumprogrammas konteinerizēt.

Drošības apsvērumi

Lai gan WASI nodrošina drošu vidi Wasm moduļiem, izstrādātājiem joprojām ir jāievēro labākās drošības prakses.

• Vismazākās privilēģijas princips: Piešķiriet Wasm moduļiem tikai minimāli nepieciešamās atļaujas.
• Ievades validācija: Validējiet visus ievades datus, lai novērstu tādas ievainojamības kā bufera pārpilde un koda injekcijas uzbrukumi.
• Atkarību pārvaldība: Rūpīgi pārvaldiet atkarības, lai izvairītos no potenciāli neaizsargātu bibliotēku izmantošanas.
• Regulāras pārbaudes: Regulāri pārbaudiet Wasm moduļus un resursdatora vidi attiecībā uz drošības ievainojamībām.
• Izolēšana (Sandboxing): Pārliecinieties, ka Wasm izpildlaiks nodrošina izolētu vidi un ierobežo piekļuvi sistēmas resursiem, tostarp failu sistēmai, tīklam un vides mainīgajiem, tikai tam, kas ir skaidri atļauts.

WASI un failu sistēmas piekļuves nākotne

WASI un tā failu sistēmas piekļuves iespējas nepārtraukti attīstās. Pašreizējie attīstības virzieni ietver:

• Uzlabota veiktspēja: Nepārtrauktas Wasm izpildlaiku optimizācijas, lai uzlabotu izpildes ātrumu.
• Paplašināts API atbalsts: Jaunu WASI API izstrāde, lai atbalstītu papildu sistēmas saskarnes (piemēram, tīklošanu, pavedienošanu un grafiku).
• Standardizācijas centieni: Notiekošie standartizācijas centieni, lai nodrošinātu sadarbspēju starp dažādiem Wasm izpildlaikiem un platformām.
• Integrācija ar mākoņplatformām: Palielināta integrācija ar mākoņplatformām, ļaujot izstrādātājiem viegli izvietot un palaist Wasm moduļus bezservera vidēs.

Nākotne WASI un tā pielietojumam failu sistēmas piekļuvē izskatās daudzsološa. Tehnoloģijai attīstoties, mēs varam sagaidīt vēl sarežģītākas lietojumprogrammas, kas izmanto Wasm un WASI jaudu.

Noslēgums

WebAssembly (Wasm) un tā sistēmas saskarne, WASI, revolucionizē veidu, kā izstrādātāji veido un izvieto programmatūru. WASI nodrošina drošu, pārnēsājamu un standartizētu veidu, kā Wasm moduļi var mijiedarboties ar sistēmas resursiem, tostarp failu sistēmu. Failu sistēmas piekļuve, izmantojot WASI, nodrošina plašu lietošanas gadījumu klāstu, sākot no bezservera funkcijām un komandrindas rīkiem līdz datu analīzei un darbvirsmas lietojumprogrammām. Izprotot šajā emuāra ierakstā apskatītos jēdzienus un ieviešanas detaļas, izstrādātāji var izmantot WASM un WASI jaudu, lai radītu inovatīvas un efektīvas lietojumprogrammas. WASI un failu sistēmas piekļuve ir būtiskas tehnoloģijas programmatūras izstrādes nākotnei, paverot ceļu starpplatformu lietojumprogrammām un nodrošinot pārnesamību, veiktspēju un drošību daudzveidīgā lietojumprogrammu klāstā globālā mērogā.