WebAssembly WASI Preview 3: Революция в интерфейсе системных вызовов для облачных и других сред

WebAssembly (Wasm) быстро развился из браузерной технологии в мощную среду выполнения для серверных приложений, облачных сервисов, периферийных вычислений и даже настольных сред. В основе этого расширения лежит WebAssembly System Interface (WASI), развивающийся стандарт, определяющий, как модули Wasm могут взаимодействовать с базовой операционной системой. Недавние достижения в WASI Preview 3 представляют собой значительный скачок вперед, представляя более надежный, предсказуемый и многофункциональный интерфейс системных вызовов, который обещает раскрыть еще больший потенциал для портативных и безопасных вычислений во всем мире.

Происхождение WASI: преодоление разрыва между Wasm и системой

Первоначально разработанный для веб-браузеров, изолированный характер WebAssembly, присущая ему безопасность и переносимость сделали его привлекательным кандидатом для сред, отличных от браузеров. Однако, чтобы быть действительно полезным вне браузера, модулям Wasm нужен был стандартизированный способ выполнения операций системного уровня, таких как файловый ввод-вывод, сетевой доступ и извлечение переменных среды. Именно здесь вступает в дело WASI. WASI стремится предоставить согласованный API на основе возможностей, который позволяет модулям Wasm взаимодействовать с хост-системой безопасным и контролируемым образом, независимо от базовой операционной системы или аппаратной архитектуры.

Почему WASI? Ключевые мотивы и принципы проектирования

• Портативность: Основное обещание WebAssembly — «запускать где угодно». WASI распространяет это на системные взаимодействия, гарантируя, что модуль Wasm, скомпилированный для определенной цели WASI, может работать в любой среде выполнения, совместимой с WASI, без изменений. Это меняет правила игры для распространения и развертывания программного обеспечения в различных средах.
• Безопасность: Модель безопасности WASI, основанная на возможностях, имеет первостепенное значение. Вместо предоставления широких разрешений интерфейсы WASI предоставляют определенные, детализированные возможности (например, возможность чтения из определенного каталога или открытия определенного сетевого сокета). Это значительно снижает поверхность атаки по сравнению с традиционными моделями исполняемых файлов.
• Совместимость: WASI предоставляет общую основу для взаимодействия различных языков программирования и сред выполнения. Приложение C++, скомпилированное в Wasm, может беспрепятственно взаимодействовать с модулем Rust или модулем Go через интерфейсы WASI, способствуя созданию более унифицированной экосистемы разработки.
• Эффективность: WebAssembly разработан как быстрый и эффективный. Стандартизируя системные вызовы, WASI стремится минимизировать накладные расходы, связанные с межпроцессным взаимодействием или системными вызовами в традиционных средах, особенно при выполнении в оптимизированных средах выполнения Wasm, таких как Wasmtime или Wasmer.

Эволюция до Preview 3: Устранение ограничений и расширение возможностей

Путь к WASI Preview 3 был итеративным, основанным на фундаменте, заложенном более ранними спецификациями, в первую очередь WASI Preview 1. В то время как Preview 1 представил основные концепции и набор основных API, он имел определенные ограничения, которые препятствовали его принятию для более сложных случаев использования, особенно в серверных и облачных сценариях. Preview 3 направлен на решение этих проблем путем уточнения существующих API и внедрения новых, уделяя особое внимание стабильности, ясности и более широкой применимости.

Ключевые улучшения в WASI Preview 3

WASI Preview 3 — это не единое монолитное изменение, а скорее набор взаимосвязанных предложений и уточнений, которые в совокупности улучшают интерфейс системных вызовов. Хотя точная структура и соглашения об именах все еще утверждаются, основные темы вращаются вокруг предоставления более полного и идиоматичного способа взаимодействия модулей Wasm с хост-системами. Вот некоторые из наиболее значительных областей улучшения:

1. Сетевой доступ и поддержка HTTP

Одним из наиболее существенных ограничений ранних версий WASI для серверной разработки было отсутствие надежных сетевых возможностей. Preview 3 значительно продвинулся в этом направлении, особенно с разработкой предложений для HTTP-сервера и клиента. Они направлены на предоставление стандартизированного способа для модулей Wasm обрабатывать входящие HTTP-запросы и выполнять исходящие HTTP-вызовы.

• HTTP Server API: Это предложение определяет интерфейсы для сред выполнения Wasm для предоставления входящих HTTP-запросов модулям Wasm. Это имеет решающее значение для создания веб-серверов, API-шлюзов и микросервисов полностью в WebAssembly. Разработчики могут писать обработчики для определенных маршрутов, обрабатывать заголовки и тела запросов и отправлять обратно HTTP-ответы. Это позволяет создавать действительно портативные веб-приложения, которые могут работать в любой среде выполнения, совместимой с WASI, будь то облачный провайдер, периферийное устройство или даже локальный сервер разработки.
• HTTP Client API: В дополнение к серверному API, клиентский API позволяет модулям Wasm инициировать исходящие HTTP-запросы. Это необходимо для интеграции с внешними службами, получения данных из API и создания микросервисов, которые взаимодействуют друг с другом. API разработан как эффективный и безопасный, позволяя детально контролировать параметры запроса и обработку ответов.
• Сетевые возможности (общие): Помимо HTTP, предпринимаются усилия по стандартизации сетевых примитивов более низкого уровня, таких как сокетное программирование (TCP/UDP). Хотя они могут и не быть основным направлением первоначальных выпусков Preview 3, они имеют решающее значение для создания более сложных сетевых приложений и обеспечения широкой совместимости с существующими сетевыми протоколами.

Пример: Представьте себе создание бессерверной конечной точки API с использованием Rust и WebAssembly. Благодаря возможностям HTTP-сервера WASI Preview 3 ваш Rust Wasm-модуль может прослушивать входящие запросы, анализировать полезные нагрузки JSON, взаимодействовать с базой данных (через другой интерфейс WASI или предоставленную хостом функцию) и возвращать ответ JSON, и все это в безопасной песочнице Wasm. Затем это приложение можно развернуть на различных облачных платформах без изменений, используя преимущества согласованного интерфейса WASI.

2. Улучшения доступа к файловой системе

В то время как WASI Preview 1 включал базовый доступ к файловой системе через компонент wasi-filesystem, Preview 3 направлен на уточнение и расширение этих возможностей, чтобы лучше соответствовать современным операциям с файловой системой и обеспечить более детальный контроль.

• Потоки каталогов: Улучшены механизмы для итерации по содержимому каталогов, позволяющие модулям Wasm эффективно перечислять файлы и подкаталоги.
• Метаданные файлов: Стандартизированные способы доступа к метаданным файлов, таким как разрешения, временные метки и размер.
• Асинхронный ввод-вывод: Хотя это все еще активная область разработки, растет акцент на поддержке асинхронных операций файлового ввода-вывода, чтобы предотвратить блокировку среды выполнения Wasm и улучшить общую производительность, особенно в приложениях, связанных с вводом-выводом.

Пример: Приложению для обработки данных, написанному на Go и скомпилированному в Wasm, может потребоваться чтение нескольких файлов конфигурации из определенного каталога. Улучшенные API файловой системы WASI Preview 3 позволят ему безопасно и эффективно перечислять файлы, читать их содержимое и обрабатывать их, и все это с учетом определенных каталогов, к которым среда выполнения Wasm предоставила ему доступ.

3. Часы и таймеры

Точное ведение времени и возможность планировать операции являются основополагающими для многих приложений. Preview 3 уточняет и стандартизирует интерфейсы для доступа к системным часам и установки таймеров.

• Монотонные часы: Обеспечивает доступ к часам, которые гарантированно всегда увеличиваются, что подходит для измерения временных интервалов и обнаружения регрессий производительности.
• Время по часам: Обеспечивает доступ к текущей дате и времени, что полезно для ведения журнала, планирования и функций, ориентированных на пользователя.
• Таймеры: Позволяет модулям Wasm планировать асинхронные события или обратные вызовы после указанной задержки, что имеет решающее значение для создания адаптивных приложений и реализации тайм-аутов.

Пример: Фоновый рабочий процесс в Wasm может использовать интерфейсы таймера для периодической проверки наличия обновлений или выполнения запланированных задач обслуживания. Он также может использовать монотонные часы для измерения продолжительности критических операций внутри модуля.

4. Переменные среды и аргументы

Доступ к переменным среды и аргументам командной строки является общим требованием для настройки приложений. Preview 3 укрепляет эти интерфейсы, упрощая динамическую настройку модулей Wasm во время выполнения.

• Переменные среды: Обеспечивает безопасный способ чтения переменных среды, которые среда выполнения хоста явно передала модулю Wasm.
• Аргументы командной строки: Позволяет модулям Wasm получать доступ к аргументам, переданным им при вызове хостом.

Пример: Утилита на основе Wasm, требующая строку подключения к базе данных, может считывать эту строку из переменной среды, установленной оркестратором контейнеров, или из аргументов командной строки, предоставленных пользователем, что делает модуль Wasm легко настраиваемым без перекомпиляции.

5. Стандартизированная обработка ошибок и возможности

Помимо конкретных функциональных API, Preview 3 также фокусируется на улучшении общих принципов проектирования WASI, включая обработку ошибок и модель безопасности, основанную на возможностях.

• Более четкая отчетность об ошибках: Ведутся работы по предоставлению более стандартизированных и информативных кодов ошибок и сообщений от системных вызовов WASI, что упрощает отладку и обработку ошибок в модулях Wasm.
• Уточненное управление возможностями: Выполняется итерация модели на основе возможностей, чтобы убедиться, что она достаточно мощная для сложных приложений и проста для реализации и управления средами выполнения. Это включает в себя изучение способов безопасной передачи возможностей между модулями Wasm.

Влияние WASI Preview 3 на различные вычислительные парадигмы

Улучшения в WASI Preview 3 имеют далеко идущие последствия в различных вычислительных областях:

Облачные и бессерверные вычисления

Это, пожалуй, то, где WASI Preview 3 окажет наиболее немедленное и глубокое влияние. Предоставляя надежную поддержку HTTP и улучшенный файловый ввод-вывод, модули Wasm с поддержкой WASI становятся первоклассными гражданами для создания микросервисов, API и бессерверных функций.

• Сокращение времени холодного запуска: Среды выполнения Wasm часто имеют значительно более быстрое время холодного запуска по сравнению с традиционными контейнерами или виртуальными машинами, что является важным преимуществом для бессерверных приложений.
• Повышенная безопасность: Присущая песочница и безопасность на основе возможностей Wasm и WASI очень привлекательны для многопользовательских облачных сред, снижая риск воздействия одной рабочей нагрузки на другую.
• Разнообразие языков: Разработчики могут использовать свои предпочтительные языки (Rust, Go, C++, AssemblyScript и т. д.) для создания облачных сервисов, которые компилируются в Wasm, что способствует расширению возможностей выбора разработчиков и повышению производительности.
• Портативность между облачными провайдерами: Микросервис Wasm, созданный с помощью WASI, теоретически может работать на любом облачном провайдере, который предлагает среду выполнения, совместимую с WASI, что снижает зависимость от поставщика.

Периферийные вычисления

Периферийные устройства часто имеют ограниченные ресурсы и уникальные сетевые ограничения. Легкий характер WASI и предсказуемая производительность делают его идеальным для периферийных развертываний.

• Эффективность использования ресурсов: Модули Wasm потребляют меньше ресурсов, чем традиционные контейнеры, что делает их пригодными для периферийных устройств с ограниченными ресурсами.
• Безопасные удаленные обновления: Возможность безопасного развертывания и обновления модулей Wasm удаленно является значительным преимуществом для управления парком периферийных устройств.
• Согласованная логика между периферией и облаком: Разработчики могут один раз написать логику в Wasm и последовательно развертывать ее из облака на периферию, упрощая разработку и обслуживание.

Настольные приложения и системы плагинов

Хотя браузер остается ключевой целью, WASI открывает двери для Wasm за пределами Интернета. Настольные приложения могут использовать Wasm для архитектур плагинов или для безопасного запуска ненадежного кода.

• Безопасные архитектуры плагинов: Такие приложения, как редакторы или IDE, могут использовать модули Wasm в качестве плагинов, обеспечивая безопасную и изолированную среду для сторонних расширений.
• Кроссплатформенные приложения: Приложения Wasm с WASI могут предложить более стандартизированный способ создания кроссплатформенных настольных приложений, хотя для пользовательского интерфейса/UX для конкретной платформы все равно может потребоваться собственный код.

Встроенные системы

Для более продвинутых встроенных систем контролируемое взаимодействие WASI с аппаратным обеспечением и системными ресурсами может быть полезным, особенно в сочетании с операционными системами реального времени (RTOS), которые имеют реализации среды выполнения WASI.

Проблемы и дальнейший путь

Несмотря на огромный прогресс, экосистема WASI все еще развивается. Существует несколько проблем и областей для дальнейшего развития:

• Темпы стандартизации: Хотя WASI Preview 3 является важным шагом, сам стандарт WASI все еще развивается. Отслеживание последних предложений и обеспечение совместимости между различными средами выполнения может быть проблемой для разработчиков.
• Реализации среды выполнения: Качество и полнота функциональности реализаций WASI могут различаться между средами выполнения, такими как Wasmtime, Wasmer и другие. Разработчикам необходимо выбирать среды выполнения, которые лучше всего поддерживают интерфейсы WASI, на которые они полагаются.
• Инструменты и отладка: Хотя инструменты быстро улучшаются, опыт разработки для Wasm с WASI, включая отладку и профилирование, по-прежнему является областью, в которой достигаются значительные успехи.
• Взаимодействие с существующими системами: Беспрепятственная интеграция модулей Wasm с существующими, не-Wasm кодовыми базами и устаревшими системами требует четко определенных интерфейсов и тщательного архитектурного планирования.
• Системные ресурсы и возможности: Балансировка потребности модулей Wasm в выполнении полезных системных операций с моделью безопасности WASI является постоянной проблемой. Определение точного набора возможностей и способов управления ими будет продолжать совершенствоваться.

Будущее WASI: к вычислениям общего назначения

WASI Preview 3 — важная веха, но это часть более масштабного видения, направленного на то, чтобы сделать WebAssembly действительно универсальной средой выполнения. Ожидается, что будущие итерации WASI будут включать:

• Более сложная работа в сети: Поддержка более продвинутых сетевых протоколов и конфигураций.
• Графика и пользовательский интерфейс: Хотя это и не является основным направлением, есть исследования того, как Wasm может взаимодействовать с графическими библиотеками и платформами пользовательского интерфейса, возможно, для настольных или встроенных случаев использования.
• Управление процессами: Стандартизированные способы создания и управления дочерними процессами или потоками в среде Wasm.
• Взаимодействие с оборудованием: Более прямые, но безопасные способы взаимодействия с конкретными аппаратными функциями, особенно актуальные для IoT и встроенных систем.

Заключение: Принятие будущего с WASI Preview 3

WebAssembly System Interface (WASI) Preview 3 знаменует собой критическую эволюцию в превращении WebAssembly в мощное, безопасное и портативное решение для широкого спектра вычислительных задач, выходящее далеко за рамки браузера. Улучшенный интерфейс системных вызовов, особенно с его достижениями в области работы в сети, доступа к файловой системе и управления часами, готов ускорить внедрение Wasm в облачных, бессерверных и периферийных вычислительных средах по всему миру.

Для разработчиков и организаций во всем мире понимание и внедрение WASI Preview 3 предлагает путь к созданию более устойчивых, безопасных и совместимых приложений. Обещание «написать один раз, запускать где угодно» становится ощутимой реальностью для программирования на системном уровне, способствуя инновациям и эффективности в различных технологических ландшафтах. Поскольку стандарт WASI и его реализации продолжают развиваться, мы можем ожидать, что WebAssembly будет играть еще более центральную роль в будущем разработки программного обеспечения.

Ключевые выводы для внедрения WASI Preview 3:

• Изучите среды выполнения Wasm: Ознакомьтесь с ведущими средами выполнения, совместимыми с WASI, такими как Wasmtime и Wasmer.
• Используйте цепочки инструментов языка: Изучите, как ваши предпочитаемые языки программирования компилируются в Wasm с поддержкой WASI.
• Понимание безопасности на основе возможностей: Разрабатывайте свои приложения Wasm с учетом модели безопасности WASI.
• Начните с бессерверных/микросервисов: Это наиболее непосредственные случаи использования, извлекающие выгоду из улучшений Preview 3.
• Будьте в курсе: Спецификация WASI является движущейся целью; будьте в курсе последних разработок и предложений.

Эра WebAssembly как среды выполнения общего назначения уже наступила, и WASI Preview 3 — монументальный шаг в этом направлении.