Datotečni sistem WebAssembly WASI: Poglobljen pregled implementacije navideznega datotečnega sistema

WebAssembly (Wasm) je revolucioniral področje razvoja aplikacij, saj ponuja prenosljivo, učinkovito in varno izvajalno okolje. Vendar je WebAssembly po svoji zasnovi izoliran in nima neposrednega dostopa do sistemskih virov. Tu nastopi WebAssembly System Interface (WASI). WASI zagotavlja standardiziran vmesnik za interakcijo modulov WebAssembly z operacijskim sistemom, ključni del WASI pa je njegova implementacija navideznega datotečnega sistema.

Kaj je WASI?

WASI (WebAssembly System Interface) je modularni sistemski vmesnik za WebAssembly. Njegov cilj je zagotoviti varen in prenosljiv način za dostop modulov WebAssembly do virov operacijskega sistema, kot so datotečni sistem, omrežje in ura. Tradicionalni pristopi k izvajanju WebAssembly zunaj spletnih brskalnikov so se zanašali na brskalniške API-je ali ad-hoc platformno specifične vezave. WASI to standardizira, kar omogoča, da se moduli WebAssembly izvajajo v različnih okoljih, od vgrajenih sistemov do strežnikov v oblaku, brez ponovnega prevajanja.

Potreba po navideznem datotečnem sistemu

Neposreden dostop do gostiteljskega datotečnega sistema bi predstavljal znatna varnostna tveganja. Zlonamerni ali ogroženi modul WebAssembly bi lahko bral, pisal ali brisal občutljive podatke. Za ublažitev teh tveganj WASI implementira navidezni datotečni sistem. Ta navidezni datotečni sistem deluje kot vmesni sloj med modulom WebAssembly in gostiteljskim datotečnim sistemom. Modulu WebAssembly omogoča nadzorovano in varno interakcijo z datotekami in mapami.

Ključne prednosti navideznega datotečnega sistema:

• Varnost: Navidezni datotečni sistem omeji dostop modula WebAssembly samo na tiste mape in datoteke, ki jih izrecno odobri gostiteljsko okolje. Ta mehanizem peskovnika (sandboxing) preprečuje nepooblaščen dostop do občutljivih podatkov.
• Prenosljivost: Modul WebAssembly komunicira z doslednim vmesnikom navideznega datotečnega sistema, ne glede na osnovni gostiteljski operacijski sistem. To zagotavlja, da se modul predvidljivo obnaša na različnih platformah.
• Ponovljivost: Z nadzorom vsebine in strukture navideznega datotečnega sistema lahko gostiteljsko okolje zagotovi, da je izvajanje modula WebAssembly ponovljivo. To je ključnega pomena za aplikacije, ki zahtevajo deterministično obnašanje.
• Testiranje: Navidezni datotečni sistem razvijalcem omogoča enostavno ustvarjanje izoliranih testnih okolij za module WebAssembly. To poenostavlja postopek preverjanja pravilnosti in robustnosti kode.

Kako deluje datotečni sistem WASI

Datotečni sistem WASI zagotavlja POSIX-u podoben API (npr. `open`, `read`, `write`, `mkdir`, `rmdir`) za module WebAssembly. Vendar ti klici API-ja niso neposredno preslikani v datotečni sistem gostiteljskega operacijskega sistema. Namesto tega jih posreduje izvajalno okolje WASI (runtime), ki operacije navideznega datotečnega sistema prevede v ustrezna dejanja na gostiteljskem datotečnem sistemu, ob upoštevanju določenih omejitev dostopa.

Ključne komponente:

• Datotečni deskriptorji: WASI uporablja datotečne deskriptorje za predstavitev odprtih datotek in map. Ti datotečni deskriptorji so nepregledna cela števila, ki jih upravlja izvajalno okolje WASI. Modul WebAssembly komunicira z datotekami in mapami prek teh datotečnih deskriptorjev.
• Predhodno odprte mape: Gostiteljsko okolje lahko predhodno odpre mape in jim dodeli datotečne deskriptorje. Te predhodno odprte mape služijo kot korenski imeniki za dostop modula WebAssembly do datotečnega sistema. Modul WebAssembly lahko nato navigira znotraj teh predhodno odprtih map za dostop do datotek in podmap.
• Zmožnosti (Capabilities): WASI uporablja varnostni model, ki temelji na zmožnostih. Ko je mapa predhodno odprta, lahko gostiteljsko okolje modulu WebAssembly podeli določene zmožnosti, kot so dostop za branje, dostop za pisanje ali možnost ustvarjanja novih datotek in map.
• Razreševanje poti: Ko modul WebAssembly poskuša dostopiti do datoteke ali mape z uporabo poti, izvajalno okolje WASI razreši pot glede na predhodno odprte mape. Ta postopek vključuje preverjanje zmožnosti, povezanih z vsako mapo na poti, da se zagotovi, da ima modul WebAssembly potrebna dovoljenja.

Primer: Dostopanje do datoteke v WASI

Recimo, da gostiteljsko okolje predhodno odpre mapo z imenom `/data` in ji dodeli datotečni deskriptor 3. Modul WebAssembly lahko nato odpre datoteko z imenom `input.txt` znotraj mape `/data` z uporabo naslednje kode (psevdokoda):

            
file_descriptor = wasi_open(3, "input.txt", ...);

            

              
                Copy
              
            
          

Funkcija `wasi_open` kot argumenta vzame datotečni deskriptor predhodno odprte mape (3) in relativno pot do datoteke (`input.txt`). Izvajalno okolje WASI nato preveri, ali ima modul WebAssembly potrebna dovoljenja za odpiranje datoteke. Če so dovoljenja podeljena, bo izvajalno okolje WASI vrnilo nov datotečni deskriptor, ki predstavlja odprto datoteko.

Aplikacije v resničnem svetu

• Brezstrežniško računalništvo (Serverless): WASI se lahko uporablja za izvajanje funkcij WebAssembly v brezstrežniških okoljih. Navidezni datotečni sistem tem funkcijam omogoča varen in učinkovit dostop do podatkov in konfiguracijskih datotek.
• Robno računalništvo (Edge Computing): WASI je zelo primeren za scenarije robnega računalništva, kjer se morajo aplikacije izvajati na napravah z omejenimi viri. Datotečni sistem WASI zagotavlja lahek in prenosljiv način za upravljanje podatkov in konfiguracije na teh napravah. Na primer, industrijski senzorji bi lahko uporabili WASI za lokalno obdelavo podatkov pred pošiljanjem v oblak.
• Vgrajeni sistemi: WASI se lahko uporablja za razvoj aplikacij za vgrajene sisteme, kot so mikrokontrolerji in naprave interneta stvari (IoT). Navidezni datotečni sistem tem aplikacijam omogoča nadzorovan dostop do strojnih virov in komunikacijo z drugimi napravami.
• Orodja za ukazno vrstico: WASI omogoča izdelavo prenosljivih orodij za ukazno vrstico, ki se lahko izvajajo na katerem koli operacijskem sistemu. Na primer, razvijalec bi lahko ustvaril orodje za obdelavo slik na osnovi WASI, ki brezhibno deluje na sistemih Linux, macOS in Windows.
• Podatkovni sistemi: Več podatkovnih sistemov eksperimentira z WASI, da bi omogočili izvajanje logike podatkovnih baz (npr. shranjenih procedur ali uporabniško definiranih funkcij) na varen in prenosljiv način znotraj izvajalnih okolij WebAssembly. To omogoča večjo izolacijo in varnost ter preprečuje, da bi zlonamerna koda neposredno vplivala na strežnik podatkovne baze.

Varnostni pomisleki

Čeprav WASI zagotavlja znatno izboljšanje varnosti v primerjavi z neposrednim dostopom do gostiteljskega datotečnega sistema, je bistveno razumeti vključene varnostne pomisleke. Varnost datotečnega sistema WASI je odvisna od pravilne implementacije izvajalnega okolja WASI in skrbne konfiguracije gostiteljskega okolja.

Možna varnostna tveganja:

• Hrošči v izvajalnem okolju WASI: Hrošči v izvajalnem okolju WASI bi lahko modulom WebAssembly omogočili, da zaobidejo varnostne omejitve in pridobijo nepooblaščen dostop do gostiteljskega datotečnega sistema.
• Napačna konfiguracija predhodno odprtih map: Če gostiteljsko okolje napačno konfigurira predhodno odprte mape ali modulu WebAssembly podeli prekomerne zmožnosti, bi to lahko izpostavilo občutljive podatke ali funkcionalnosti.
• Napadi na dobavno verigo: Če je modul WebAssembly odvisen od nezaupanja vrednih knjižnic tretjih oseb, bi lahko bil ranljiv za napade na dobavno verigo. Ogrožena knjižnica bi lahko pridobila dostop do navideznega datotečnega sistema in ukradla občutljive podatke.
• Napadi za zavrnitev storitve (Denial-of-Service): Zlonamerni modul WebAssembly bi lahko sprožil napade za zavrnitev storitve s porabo prekomernih virov, kot sta procesorski čas ali pomnilnik.

Najboljše prakse za varnost:

• Uporabite ugledno izvajalno okolje WASI: Izberite izvajalno okolje WASI, ki se aktivno vzdržuje in ima dobro varnostno zgodovino.
• Skrbno konfigurirajte predhodno odprte mape: Modulu WebAssembly podelite samo potrebne zmožnosti. Izogibajte se predhodnemu odpiranju map, ki vsebujejo občutljive podatke.
• Uporabite statično analizo in fuzzing: Uporabite orodja za statično analizo in fuzzing za odkrivanje morebitnih varnostnih ranljivosti v modulu WebAssembly in izvajalnem okolju WASI.
• Spremljajte porabo virov: Spremljajte porabo virov modula WebAssembly za odkrivanje morebitnih napadov za zavrnitev storitve.
• Implementirajte peskovnik (sandboxing): Uporabite dodatne tehnike peskovnika, kot je seccomp, da dodatno omejite dostop modula WebAssembly do sistemskih virov.
• Redne varnostne revizije: Izvajajte redne varnostne revizije izvajalnega okolja WASI in modulov WebAssembly za odkrivanje in odpravljanje morebitnih ranljivosti.

Prihodnost datotečnih sistemov WASI

• Standardiziran format navideznega datotečnega sistema: Opredelitev standardiziranega formata za predstavitev navideznih datotečnih sistemov bi lahko olajšala deljenje in distribucijo aplikacij, ki temeljijo na WASI. To bi lahko vključevalo uporabo formata, podobnega vsebnika, za pakiranje modula WebAssembly in z njim povezanega navideznega datotečnega sistema.
• Izboljšana zmogljivost: Optimizacija zmogljivosti izvajalnega okolja WASI in implementacije navideznega datotečnega sistema je ključna za omogočanje visoko zmogljivih aplikacij. To bi lahko vključevalo uporabo tehnik, kot sta predpomnjenje in asinhroni V/I.
• Izboljšana varnost: Nadaljnje izboljšanje varnosti datotečnega sistema WASI je stalen proces. To bi lahko vključevalo implementacijo bolj natančnih mehanizmov za nadzor dostopa in izboljšanje robustnosti izvajalnega okolja WASI.
• Integracija s storitvami v oblaku: Integracija datotečnega sistema WASI s storitvami za shranjevanje v oblaku bi lahko modulom WebAssembly omogočila varen in prenosljiv dostop do podatkov, shranjenih v oblaku.
• Podpora za nove funkcije datotečnega sistema: Dodajanje podpore za nove funkcije datotečnega sistema, kot so simbolične in trde povezave, bi lahko razširilo zmožnosti datotečnega sistema WASI in omogočilo širši nabor aplikacij.

Primeri z vsega sveta

WASI in njegov navidezni datotečni sistem pridobivata na veljavi po vsem svetu. Tukaj je nekaj primerov, kako se WASI uporablja v različnih regijah:

• Evropa: Več raziskovalnih institucij v Evropi raziskuje uporabo WASI za varno in prenosljivo izvajanje znanstvenih simulacij. Datotečni sistem WASI tem simulacijam omogoča nadzorovan dostop do podatkov in konfiguracijskih datotek, kar zagotavlja ponovljivost in varnost.
• Severna Amerika: Glavni ponudniki storitev v oblaku v Severni Ameriki ponujajo brezstrežniške računalniške platforme, ki temeljijo na WASI. Te platforme razvijalcem omogočajo izvajanje funkcij WebAssembly v oblaku, ne da bi morali upravljati z osnovno infrastrukturo. Datotečni sistem WASI zagotavlja varen in učinkovit način dostopa do podatkov in konfiguracijskih datotek.
• Azija: Podjetja v Aziji uporabljajo WASI za razvoj vgrajenih sistemov in naprav interneta stvari (IoT). Datotečni sistem WASI zagotavlja lahek in prenosljiv način za upravljanje podatkov in konfiguracije na teh napravah.
• Afrika: Razvijalci v Afriki raziskujejo uporabo WASI za izdelavo spletnih aplikacij, ki delujejo tudi brez povezave. Datotečni sistem WASI tem aplikacijam omogoča lokalno shranjevanje podatkov in njihovo sinhronizacijo z oblakom, ko je na voljo omrežna povezava.
• Južna Amerika: Univerze v Južni Ameriki vključujejo WASI v svoje učne načrte za računalništvo. To pomaga pri usposabljanju naslednje generacije razvijalcev za uporabo WebAssembly in WASI.

Praktični nasveti za razvijalce

Če ste razvijalec, ki ga zanima uporaba WASI in njegovega navideznega datotečnega sistema, je tukaj nekaj praktičnih nasvetov:

• Začnite s preprostimi primeri: Začnite z eksperimentiranjem s preprostimi primeri, da boste razumeli osnove WASI in datotečnega sistema WASI. Na spletu je na voljo veliko vadnic in primerov.
• Uporabite WASI SDK: Uporabite WASI SDK (komplet za razvoj programske opreme), da poenostavite postopek razvoja modulov WebAssembly za WASI. Ti SDK-ji zagotavljajo orodja in knjižnice, ki olajšajo prevajanje in povezovanje vaše kode.
• Izberite pravi programski jezik: WASI podpira različne programske jezike, vključno s C, C++, Rust in Go. Izberite programski jezik, ki je najprimernejši za vaš projekt.
• Temeljito testirajte: Temeljito testirajte svoje module WebAssembly, da zagotovite njihovo varnost in zanesljivost. Za odkrivanje morebitnih ranljivosti uporabite orodja za fuzzing in statično analizo.
• Ostanite na tekočem: WASI je tehnologija, ki se hitro razvija, zato spremljajte najnovejše dogodke. Sledite standardom WASI in sodelujte v skupnosti WASI.

Zaključek

Datotečni sistem WASI je ključna komponenta ekosistema WebAssembly. Modulom WebAssembly zagotavlja varen in prenosljiv način za interakcijo z operacijskim sistemom, kar omogoča širok nabor aplikacij zunaj brskalnika. Z razumevanjem načel in najboljših praks datotečnega sistema WASI lahko razvijalci izkoristijo moč WebAssembly za izdelavo varnih, prenosljivih in učinkovitih aplikacij za globalno občinstvo. Ker se WASI nenehno razvija, bo nedvomno igral vse pomembnejšo vlogo v prihodnosti razvoja aplikacij.

Dodatni viri:

• Uradna spletna stran WASI
• WASI GitHub repozitorij