WebAssembly WASI Preview 3: En revolusjon innen systemkallgrensesnitt for skybasert og mer

WebAssembly (Wasm) har raskt utviklet seg fra en nettlesersentrert teknologi til en kraftig kjøretid for serverapplikasjoner, skybaserte tjenester, Edge Computing og til og med skrivebordsmiljøer. Kjernen i denne utvidelsen er WebAssembly System Interface (WASI), en standard i utvikling som definerer hvordan Wasm-moduler kan interagere med det underliggende operativsystemet. De nylige fremskrittene i WASI Preview 3 representerer et betydelig sprang fremover, og introduserer et mer robust, forutsigbart og funksjonsrikt systemkallgrensesnitt som lover å frigjøre enda større potensial for bærbar og sikker databehandling over hele verden.

WASI's tilblivelse: Brobygging mellom Wasm og systemet

WebAssembly ble opprinnelig designet for nettlesere, men dens sandkasse-natur, iboende sikkerhet og portabilitet gjorde den til en attraktiv kandidat for ikke-nettlesermiljøer. For å være virkelig nyttige utenfor nettleseren, trengte imidlertid Wasm-moduler en standardisert måte å utføre systemnivåoperasjoner på, som fil-I/O, nettverkstilgang og henting av miljøvariabler. Det er nettopp her WASI kommer inn. WASI har som mål å tilby et konsistent, kapabilitetsbasert API som lar Wasm-moduler interagere med vertssystemet på en sikker og kontrollert måte, uavhengig av det underliggende operativsystemet eller maskinvarearkitekturen.

Hvorfor WASI? Viktige motivasjoner og designprinsipper

• Portabilitet: Kjerneløftet med WebAssembly er "kjør hvor som helst". WASI utvider dette til systeminteraksjoner, og sikrer at en Wasm-modul kompilert til et spesifikt WASI-mål kan kjøre på hvilken som helst WASI-kompatibel kjøretid uten modifikasjon. Dette er en game-changer for programvare distribusjon og utplassering i ulike miljøer.
• Sikkerhet: WASI's kapabilitetsbaserte sikkerhetsmodell er avgjørende. I stedet for å gi brede tillatelser, tildeler WASI-grensesnitt spesifikke, finkornede kapabiliteter (f.eks. muligheten til å lese fra en spesifikk katalog eller åpne en bestemt nettverkssokkel). Dette reduserer angrepsflaten betydelig sammenlignet med tradisjonelle kjørbare modeller.
• Interoperabilitet: WASI tilbyr et felles grunnlag for ulike programmeringsspråk og kjøretider å samhandle. En C++-applikasjon kompilert til Wasm kan sømløst interagere med en Rust-modul eller en Go-modul gjennom WASI-grensesnitt, noe som fremmer et mer enhetlig utviklingsøkosystem.
• Effektivitet: WebAssembly er designet for å være raskt og effektivt. Ved å standardisere systemkall, har WASI som mål å minimere overheaden knyttet til interprosesskommunikasjon eller systemkall i tradisjonelle miljøer, spesielt når det utføres innenfor optimaliserte Wasm-kjøretider som Wasmtime eller Wasmer.

Utviklingen til Preview 3: Håndtering av begrensninger og utvidelse av kapabiliteter

Reisen til WASI Preview 3 har vært iterativ, og bygger på grunnlaget lagt av tidligere spesifikasjoner, spesielt WASI Preview 1. Mens Preview 1 introduserte grunnleggende konsepter og et sett med kjerne-APIer, hadde den visse begrensninger som hemmet adopsjonen for mer komplekse bruksområder, spesielt i server-side og skybaserte scenarier. Preview 3 har som mål å adressere disse ved å forbedre eksisterende APIer og introdusere nye, med fokus på stabilitet, klarhet og bredere anvendelighet.

Viktige forbedringer i WASI Preview 3

WASI Preview 3 er ikke en enkelt monolitisk endring, men snarere en samling av sammenkoblede forslag og forbedringer som samlet sett forbedrer systemkallgrensesnittet. Mens den nøyaktige strukturen og navnekonvensjonene fortsatt er under konsolidering, dreier kjernetemaene seg om å tilby en mer omfattende og idiomatisk måte for Wasm-moduler å samhandle med vertssystemer. Her er noen av de viktigste forbedringsområdene:

1. Nettverkstilgang og HTTP-støtte

En av de mest betydelige begrensningene ved tidlige WASI-versjoner for server-side utvikling var mangelen på robuste nettverksfunksjoner. Preview 3 gjør betydelige fremskritt på dette området, spesielt med utviklingen av HTTP-server- og klientforslagene. Disse har som mål å tilby en standardisert måte for Wasm-moduler å håndtere innkommende HTTP-forespørsler og utføre utgående HTTP-kall.

• HTTP Server API: Dette forslaget definerer grensesnitt for Wasm-kjøretider for å eksponere innkommende HTTP-forespørsler til Wasm-moduler. Dette er avgjørende for å bygge webservere, API-gatewayer og mikrotjenester helt innenfor WebAssembly. Utviklere kan skrive håndterere for spesifikke ruter, behandle forespørselshoder og -kropper, og sende tilbake HTTP-svar. Dette muliggjør opprettelse av genuint bærbare webapplikasjoner som kan kjøre på enhver WASI-kompatibel kjøretid, enten det er en skyleverandør, en kant-enhet eller til og med en lokal utviklingsserver.
• HTTP Client API: Som et supplement til server-API-en, lar klient-API-en Wasm-moduler initiere utgående HTTP-forespørsler. Dette er viktig for integrasjon med eksterne tjenester, henting av data fra APIer, og bygging av mikrotjenester som kommuniserer med hverandre. API-en er designet for å være effektiv og sikker, og tillater finkornet kontroll over forespørselsparametere og svarhåndtering.
• Nettverkskapabiliteter (Generelt): Utover HTTP, pågår det arbeid for å standardisere nettverksprimitiver på lavere nivå, som sokkelprogrammering (TCP/UDP). Selv om disse kanskje ikke er hovedfokuset for de første Preview 3-utgivelsene, er de kritiske for å bygge mer komplekse nettverksapplikasjoner og sikre bred kompatibilitet med eksisterende nettverksprotokoller.

Eksempel: Forestill deg å bygge et serverløst API-endepunkt ved hjelp av Rust og WebAssembly. Med WASI Preview 3s HTTP-serverkapabiliteter, kan din Rust Wasm-modul lytte etter innkommende forespørsler, tolke JSON-nyttelast, interagere med en database (via et annet WASI-grensesnitt eller en vert-levert funksjon), og returnere et JSON-svar, alt innenfor den sikre Wasm-sandboksen. Denne applikasjonen kan deretter distribueres på tvers av ulike skyplattformer uten modifikasjon, og dra nytte av det konsistente WASI-grensesnittet.

2. Forbedringer av filsystemtilgang

Mens WASI Preview 1 inkluderte grunnleggende filsystemtilgang gjennom wasi-filesystem-komponenten, har Preview 3 som mål å forbedre og utvide disse kapabilitetene for bedre å samsvare med moderne filsystemoperasjoner og gi mer finkornet kontroll.

• Katalogstrømmer: Forbedrede mekanismer for å iterere over kataloginnhold, slik at Wasm-moduler effektivt kan liste filer og underkataloger.
• Filmetadata: Standardiserte måter å få tilgang til filmetadata som tillatelser, tidsstempler og størrelse.
• Asynkron I/O: Mens det fortsatt er et aktivt utviklingsområde, er det et økende fokus på å støtte asynkrone fil-I/O-operasjoner for å forhindre blokkering av Wasm-kjøretiden og forbedre den generelle ytelsen, spesielt i I/O-intensive applikasjoner.

Eksempel: En databehandlingsapplikasjon skrevet i Go og kompilert til Wasm kan måtte lese flere konfigurasjonsfiler fra en spesifikk katalog. WASI Preview 3s forbedrede filsystem-APIer vil tillate den å trygt og effektivt liste filene, lese innholdet deres, og behandle dem, alt mens den respekterer de spesifikke katalogene Wasm-kjøretiden har gitt den tilgang til.

3. Klokker og tidtakere

Nøyaktig tidsføring og evnen til å planlegge operasjoner er grunnleggende for mange applikasjoner. Preview 3 avklarer og standardiserer grensesnittene for tilgang til systemklokker og innstilling av tidtakere.

• Monotone klokker: Gir tilgang til klokker som garantert alltid øker, egnet for å måle tidsintervaller og oppdage ytelsesnedgang.
• "Wall-Clock" tid: Tillater tilgang til gjeldende dato og tid, nyttig for logging, planlegging og brukerrettede funksjoner.
• Tidtaker: Gjør det mulig for Wasm-moduler å planlegge asynkrone hendelser eller tilbakekallinger etter en spesifisert forsinkelse, avgjørende for å bygge responsive applikasjoner og implementere tidsavbrudd.

Eksempel: En bakgrunnsarbeidsprosess i Wasm kunne bruke tidtakergrensesnitt for periodisk å sjekke etter oppdateringer eller utføre planlagte vedlikeholdsoppgaver. Den kunne også bruke monotone klokker til å måle varigheten av kritiske operasjoner innenfor modulen.

4. Miljøvariabler og argumenter

Tilgang til miljøvariabler og kommandolinjeargumenter er et vanlig krav for å konfigurere applikasjoner. Preview 3 befester disse grensesnittene, noe som gjør det enklere for Wasm-moduler å bli dynamisk konfigurert ved kjøretid.

• Miljøvariabler: Tilbyr en sikker måte å lese miljøvariabler som verts-kjøretiden eksplisitt har sendt til Wasm-modulen.
• Kommandolinjeargumenter: Lar Wasm-moduler få tilgang til argumenter som er sendt til dem når de kalles av verten.

Eksempel: Et Wasm-basert verktøy som krever en databasetilkoblingsstreng, kan lese denne strengen fra en miljøvariabel satt av containerorkestratoren eller fra kommandolinjeargumentene gitt av brukeren, noe som gjør Wasm-modulen svært konfigurerbar uten rekompilering.

5. Standardisert feilhåndtering og kapabiliteter

Utover spesifikke funksjonelle APIer, fokuserer Preview 3 også på å forbedre de generelle designprinsippene for WASI, inkludert feilhåndtering og den kapabilitetsbaserte sikkerhetsmodellen.

• Tydeligere feilrapportering: Det jobbes med å tilby mer standardiserte og informative feilkoder og meldinger fra WASI-systemkall, noe som gjør feilsøking og feilhåndtering i Wasm-moduler mer enkel.
• Forbedret kapabilitetsadministrasjon: Den kapabilitetsbaserte modellen blir videreutviklet for å sikre at den er både kraftig nok for komplekse applikasjoner og enkel for kjøretider å implementere og administrere. Dette inkluderer å utforske måter å trygt overføre kapabiliteter mellom Wasm-moduler.

Virkningen av WASI Preview 3 på ulike databehandlingsparadigmer

Forbedringene i WASI Preview 3 har vidtrekkende implikasjoner på tvers av ulike databehandlingsdomener:

Skybasert og serverløs databehandling

Dette er uten tvil hvor WASI Preview 3 vil ha den mest umiddelbare og dype virkningen. Ved å tilby robust HTTP-støtte og forbedret fil-I/O, blir WASI-aktiverte Wasm-moduler førsteklasses borgere for å bygge mikrotjenester, APIer og serverløse funksjoner.

• Reduserte kaldstarttider: Wasm-kjøretider har ofte betydelig raskere kaldstarttider sammenlignet med tradisjonelle containere eller VM-er, en avgjørende fordel for serverløse applikasjoner.
• Forbedret sikkerhet: Den iboende sandkasse-funksjonaliteten og den kapabilitetsbaserte sikkerheten til Wasm og WASI er svært attraktive for multitenant sky-miljøer, noe som reduserer risikoen for at én arbeidsbelastning påvirker en annen.
• Språkmangfold: Utviklere kan utnytte sine foretrukne språk (Rust, Go, C++, AssemblyScript, osv.) for å bygge skybaserte tjenester som kompilerer til Wasm, noe som fremmer større utviklervalg og produktivitet.
• Portabilitet på tvers av skyleverandører: En Wasm-mikrotjeneste bygget med WASI kan teoretisk sett kjøre på enhver skyleverandør som tilbyr en WASI-kompatibel kjøretid, noe som reduserer leverandørlåsingen.

Edge Computing

Kant-enheter har ofte begrensede ressurser og unike nettverksbegrensninger. WASI's lette natur og forutsigbare ytelse gjør den ideell for kant-utplasseringer.

• Ressurseffektivitet: Wasm-moduler forbruker færre ressurser enn tradisjonelle containere, noe som gjør dem egnet for ressursbegrensede kant-enheter.
• Sikre fjernoppdateringer: Evnen til å trygt distribuere og oppdatere Wasm-moduler eksternt er en betydelig fordel for å administrere flåter av kant-enheter.
• Konsistent logikk på tvers av kant og sky: Utviklere kan skrive logikk én gang i Wasm og distribuere den konsekvent fra skyen til kanten, noe som forenkler utvikling og vedlikehold.

Skrivebordsprogrammer og pluginsystemer

Mens nettleseren forblir et viktig mål, åpner WASI dører for Wasm utover nettet. Skrivebordsprogrammer kan utnytte Wasm for plugin-arkitekturer eller for å kjøre upålitelig kode sikkert.

• Sikre plugin-arkitekturer: Applikasjoner som redaktører eller IDE-er kan bruke Wasm-moduler som plugins, noe som gir et sikkert og sandkasset miljø for tredjepartsutvidelser.
• Kryssplattformapplikasjoner: Wasm-applikasjoner, med WASI, kan tilby en mer standardisert måte å bygge kryssplattform-skrivebordsprogrammer på, selv om plattformspesifikk UI/UX fortsatt kan kreve native kode.

Innebygde systemer

For mer avanserte innebygde systemer kan WASI's kontrollerte interaksjon med maskinvare og systemressurser være fordelaktig, spesielt når det kombineres med sanntidsoperativsystemer (RTOS) som har WASI-kjøretidsimplementeringer.

Utfordringer og veien videre

Til tross for den enorme fremgangen, er WASI-økosystemet fortsatt i modningsfasen. Det finnes flere utfordringer og områder for videre utvikling:

• Standardiseringstempo: Selv om WASI Preview 3 er et stort skritt, er WASI-standarden i seg selv fortsatt under utvikling. Det kan være en utfordring for utviklere å holde seg oppdatert med de nyeste forslagene og sikre kompatibilitet på tvers av ulike kjøretider.
• Kjøretidsimplementeringer: Kvaliteten og funksjonaliteten til WASI-implementeringer kan variere mellom kjøretider som Wasmtime, Wasmer og andre. Utviklere må velge kjøretider som best støtter de WASI-grensesnittene de er avhengige av.
• Verktøy og feilsøking: Mens verktøy forbedres raskt, er utviklingsopplevelsen for Wasm med WASI, inkludert feilsøking og profilering, fortsatt et område hvor det gjøres betydelige fremskritt.
• Interoperabilitet med eksisterende systemer: Sømløs integrering av Wasm-moduler med eksisterende, ikke-Wasm kodebaser og eldre systemer krever veldefinerte grensesnitt og nøye arkitektonisk planlegging.
• Systemressurser og kapabiliteter: Å balansere behovet for at Wasm-moduler skal utføre nyttige systemoperasjoner med WASI's sikkerhetsmodell er en pågående utfordring. Defineringen av det nøyaktige settet med kapabiliteter og hvordan de administreres vil fortsette å bli forbedret.

Fremtiden for WASI: Mot generell databehandling

WASI Preview 3 er en betydelig milepæl, men det er en del av en større visjon om å gjøre WebAssembly til en virkelig universell kjøretid. Fremtidige iterasjoner av WASI forventes å inkludere:

• Mer sofistikert nettverk: Støtte for mer avanserte nettverksprotokoller og konfigurasjoner.
• Grafikk og brukergrensesnitt: Selv om det ikke er hovedfokus, utforskes det hvordan Wasm kan interagere med grafikkbiblioteker og UI-rammeverk, potensielt for skrivebords- eller innebygde bruksområder.
• Prosessadministrasjon: Standardiserte måter å starte og administrere underprosesser eller tråder innenfor Wasm-miljøet.
• Maskinvareinteraksjon: Mer direkte, men likevel sikre, måter å interagere med spesifikke maskinvarefunksjoner, spesielt relevant for IoT og innebygde systemer.

Konklusjon: Omfavn fremtiden med WASI Preview 3

WebAssembly System Interface (WASI) Preview 3 markerer en kritisk utvikling i å gjøre WebAssembly til en kraftig, sikker og bærbar løsning for et bredt spekter av databehandlingsoppgaver, som strekker seg langt utover nettleseren. Det forbedrede systemkallgrensesnittet, spesielt med fremskrittene innen nettverk, filsystemtilgang og klokkehåndtering, er klar til å akselerere adopsjonen av Wasm i skybaserte, serverløse og kant-databehandlingsmiljøer globalt.

For utviklere og organisasjoner over hele verden tilbyr forståelsen og adopsjonen av WASI Preview 3 en vei til å bygge mer robuste, sikre og interoperable applikasjoner. Løftet om "skriv én gang, kjør hvor som helst" blir en håndgripelig virkelighet for systemnivåprogrammering, noe som fremmer innovasjon og effektivitet på tvers av ulike teknologiske landskap. Etter hvert som WASI-standarden og dens implementeringer fortsetter å modnes, kan vi forvente at WebAssembly vil spille en enda mer sentral rolle i fremtiden for programvareutvikling.

Viktige læringspunkter for å ta i bruk WASI Preview 3:

• Utforsk Wasm-kjøretider: Gjør deg kjent med ledende WASI-kompatible kjøretider som Wasmtime og Wasmer.
• Utnytt språks verktøykjeder: Undersøk hvordan dine foretrukne programmeringsspråk kompileres til Wasm med WASI-støtte.
• Forstå kapabilitetsbasert sikkerhet: Design dine Wasm-applikasjoner med WASI's sikkerhetsmodell i tankene.
• Start med serverløs/mikrotjenester: Dette er de mest umiddelbare bruksområdene som drar nytte av Preview 3's forbedringer.
• Hold deg oppdatert: WASI-spesifikasjonen er et bevegelig mål; hold deg informert om de siste utviklingene og forslagene.

Æraen med WebAssembly som en generell kjøretid er over oss, og WASI Preview 3 er et monumentalt skritt i den retningen.