WebAssembly WASI Predogled 3: Revolucija v vmesniku sistemskih klicev za oblak in širše

WebAssembly (Wasm) se je hitro razvil iz tehnologije, osredotočene na brskalnike, v zmogljivo izvedbeno okolje za strežniške aplikacije, oblačno-izvorne storitve, robno računalništvo in celo namizna okolja. V srcu te širitve leži WebAssembly System Interface (WASI), standard v razvoju, ki določa, kako lahko moduli Wasm komunicirajo z osnovnim operacijskim sistemom. Nedavni napredki v WASI Predogledu 3 predstavljajo pomemben korak naprej, saj uvajajo bolj robusten, predvidljiv in zmožnostno bogat vmesnik sistemskih klicev, ki obljublja, da bo sprostil še večji potencial za prenosljivo in varno računalništvo po vsem svetu.

Nastanek WASI: Premoščanje vrzeli med Wasmom in sistemom

Sprva zasnovan za spletne brskalnike, je WebAssembly s svojo naravno varnostjo v peskovniku in prenosljivostjo postal privlačen kandidat za okolja zunaj brskalnikov. Vendar pa so Wasm moduli, da bi bili resnično uporabni zunaj brskalnika, potrebovali standardiziran način za izvajanje sistemskih operacij, kot so vnos/izhod datotek, dostop do omrežja in pridobivanje okoljskih spremenljivk. Prav tu nastopi WASI. Cilj WASI je zagotoviti dosleden, na zmožnostih temelječ API, ki omogoča modulom Wasm interakcijo z gostiteljskim sistemom na varen in nadzorovan način, ne glede na osnovni operacijski sistem ali strojno arhitekturo.

Zakaj WASI? Ključne motivacije in načela oblikovanja

• Prenosljivost: Osrednja obljuba WebAssemblyja je "zaženi kjerkoli." WASI to razširja na sistemske interakcije, kar zagotavlja, da lahko modul Wasm, preveden za določen cilj WASI, deluje na katerem koli izvedbenem okolju, skladnem z WASI, brez sprememb. To je prelomno za distribucijo in uvajanje programske opreme v različnih okoljih.
• Varnost: Varnostni model WASI, ki temelji na zmožnostih, je izjemno pomemben. Namesto dodeljevanja širokih dovoljenj, vmesniki WASI dodeljujejo specifične, podrobne zmožnosti (npr. zmožnost branja iz določene mape ali odpiranja določene omrežne vtičnice). To bistveno zmanjša površino napadov v primerjavi s tradicionalnimi izvedljivimi modeli.
• Interoperabilnost: WASI zagotavlja skupno podlago za interakcijo različnih programskih jezikov in izvedbenih okolij. Aplikacija C++, prevedena v Wasm, lahko nemoteno komunicira z modulom Rust ali modulom Go preko vmesnikov WASI, kar spodbuja bolj enoten razvojni ekosistem.
• Učinkovitost: WebAssembly je zasnovan tako, da je hiter in učinkovit. S standardizacijo sistemskih klicev želi WASI zmanjšati stroške, povezane z medprocesno komunikacijo ali sistemskimi klici v tradicionalnih okoljih, zlasti pri izvajanju v optimiziranih izvedbenih okoljih Wasm, kot sta Wasmtime ali Wasmer.

Evolucija do Predogleda 3: Odpravljanje omejitev in širjenje zmožnosti

Pot do WASI Predogleda 3 je bila iterativna, saj je gradila na temeljih, ki so jih postavile prejšnje specifikacije, predvsem WASI Predogled 1. Medtem ko je Predogled 1 uvedel temeljne koncepte in nabor osrednjih API-jev, je imel določene omejitve, ki so ovirale njegovo sprejetje za bolj kompleksne primere uporabe, zlasti v strežniških in oblačno-izvornih scenarijih. Predogled 3 si prizadeva odpraviti te omejitve z izboljšanjem obstoječih API-jev in uvedbo novih, s poudarkom na stabilnosti, jasnosti in širši uporabnosti.

Ključne izboljšave v WASI Predogledu 3

WASI Predogled 3 ni ena sama monolitna sprememba, temveč zbirka medsebojno povezanih predlogov in izboljšav, ki skupaj izboljšujejo vmesnik sistemskih klicev. Medtem ko se natančna struktura in poimenovalne konvencije še utrjujejo, se osrednje teme vrtijo okoli zagotavljanja bolj celovitega in idiomatskega načina za interakcijo modulov Wasm z gostiteljskimi sistemi. Tukaj so nekatera najpomembnejša področja izboljšav:

1. Dostop do omrežja in podpora za HTTP

Ena najpomembnejših omejitev zgodnjih različic WASI za strežniški razvoj je bila pomanjkanje robustnih omrežnih zmožnosti. Predogled 3 dosega pomemben napredek na tem področju, zlasti z razvojem predlogov za strežnik in odjemalca HTTP. Cilj teh je zagotoviti standardiziran način za module Wasm za obdelavo dohodnih zahtev HTTP in izvajanje odhodnih klicev HTTP.

• API za strežnik HTTP: Ta predlog določa vmesnike za izvedbena okolja Wasm, da izpostavijo dohodne zahteve HTTP modulom Wasm. To je ključnega pomena za izgradnjo spletnih strežnikov, API-prehodov in mikrostoritev v celoti znotraj WebAssemblyja. Razvijalci lahko pišejo obdelovalce za specifične poti, obdelujejo glave in telesa zahtev ter pošiljajo nazaj odgovore HTTP. To omogoča ustvarjanje resnično prenosljivih spletnih aplikacij, ki lahko delujejo na katerem koli izvedbenem okolju, skladnem z WASI, pa naj bo to ponudnik storitev v oblaku, robna naprava ali celo lokalni razvojni strežnik.
• API za odjemalca HTTP: Kot dopolnilo API-ju strežnika, API odjemalca omogoča modulom Wasm, da sprožijo odhodne zahteve HTTP. To je bistvenega pomena za integracijo z zunanjimi storitvami, pridobivanje podatkov iz API-jev in izgradnjo mikrostoritev, ki medsebojno komunicirajo. API je zasnovan tako, da je učinkovit in varen, kar omogoča natančen nadzor nad parametri zahtev in obdelavo odgovorov.
• Omrežne zmožnosti (splošno): Poleg HTTP-ja potekajo prizadevanja za standardizacijo omrežnih primitivov nižje ravni, kot je programiranje vtičnic (TCP/UDP). Čeprav morda to ne bo primarni fokus začetnih izdaj Predogleda 3, so ključnega pomena za izgradnjo bolj kompleksnih omrežnih aplikacij in zagotavljanje široke združljivosti z obstoječimi omrežnimi protokoli.

Primer: Predstavljajte si, da gradite brezstrežniško API končno točko z uporabo Rust-a in WebAssemblyja. Z zmožnostmi strežnika HTTP v WASI Predogledu 3 bi vaš modul Rust Wasm lahko poslušal dohodne zahteve, razčlenil JSON podatke, komuniciral z bazo podatkov (preko drugega vmesnika WASI ali funkcije, ki jo zagotavlja gostitelj) in vrnil odgovor JSON, vse znotraj varnega peskovnika Wasm. To aplikacijo bi nato lahko uvedli na različnih oblačnih platformah brez sprememb, pri čemer bi izkoriščali dosleden vmesnik WASI.

2. Izboljšave dostopa do datotečnega sistema

Medtem ko je WASI Predogled 1 vključeval osnovni dostop do datotečnega sistema preko komponente wasi-filesystem, si Predogled 3 prizadeva izboljšati in razširiti te zmožnosti, da se bolje uskladijo s sodobnimi operacijami datotečnega sistema in zagotovijo bolj podroben nadzor.

• Pretakanje imenikov: Izboljšani mehanizmi za iteracijo po vsebini imenikov, ki omogočajo modulom Wasm učinkovito navajanje datotek in podimenikov.
• Metapodatki datotek: Standardizirani načini za dostop do metapodatkov datotek, kot so dovoljenja, časovni žigi in velikost.
• Asinhroni V/I: Čeprav je to še vedno aktivno področje razvoja, je vse večji poudarek na podpori asinhronih operacij V/I datotek, da se prepreči blokiranje izvedbenega okolja Wasm in izboljša splošna zmogljivost, zlasti pri aplikacijah, omejenih z V/I.

Primer: Aplikacija za obdelavo podatkov, napisana v Go-ju in prevedena v Wasm, bi morda morala brati več konfiguracijskih datotek iz določenega imenika. Izboljšani API-ji datotečnega sistema WASI Predogleda 3 bi ji omogočili varno in učinkovito navajanje datotek, branje njihove vsebine in njihovo obdelavo, vse to ob upoštevanju specifičnih imenikov, do katerih ji je izvedbeno okolje Wasm dodelilo dostop.

3. Ure in časovniki

Natančno merjenje časa in zmožnost načrtovanja operacij sta temeljnega pomena za številne aplikacije. Predogled 3 pojasnjuje in standardizira vmesnike za dostop do sistemskih ur in nastavitev časovnikov.

• Monotonične ure: Omogoča dostop do ur, ki so zajamčeno vedno naraščajoče, primerne za merjenje časovnih intervalov in odkrivanje regresij zmogljivosti.
• Realnočasovne ure: Omogoča dostop do trenutnega datuma in časa, uporabno za beleženje, načrtovanje in funkcije, namenjene uporabnikom.
• Časovniki: Omogoča modulom Wasm, da načrtujejo asinhronne dogodke ali povratne klice po določeni zakasnitvi, kar je ključnega pomena za izgradnjo odzivnih aplikacij in implementacijo časovnih omejitev.

Primer: Proces delavca v ozadju v Wasm-u bi lahko uporabil vmesnike časovnikov za redno preverjanje posodobitev ali izvajanje načrtovanih vzdrževalnih nalog. Lahko bi tudi uporabil monotonične ure za merjenje trajanja kritičnih operacij znotraj modula.

4. Okoljske spremenljivke in argumenti

Dostop do okoljskih spremenljivk in argumentov ukazne vrstice je pogosta zahteva za konfiguriranje aplikacij. Predogled 3 utrjuje te vmesnike, kar olajša dinamično konfiguriranje modulov Wasm med izvajanjem.

• Okoljske spremenljivke: Zagotavlja varen način za branje okoljskih spremenljivk, ki jih je gostiteljsko izvedbeno okolje eksplicitno posredovalo modulu Wasm.
• Argumenti ukazne vrstice: Omogoča modulom Wasm, da dostopajo do argumentov, ki so jim bili posredovani, ko jih je gostitelj priklical.

Primer: Orodje, ki temelji na Wasm-u in potrebuje niz za povezavo z bazo podatkov, bi lahko ta niz prebralo iz okoljske spremenljivke, ki jo je nastavil orkestrator vsebnikov, ali iz argumentov ukazne vrstice, ki jih je posredoval uporabnik, s čimer bi bil modul Wasm visoko konfigurabilen brez ponovnega prevajanja.

5. Standardizirano obravnavanje napak in zmožnosti

Poleg specifičnih funkcionalnih API-jev se Predogled 3 osredotoča tudi na izboljšanje splošnih načel oblikovanja WASI, vključno z obravnavanjem napak in varnostnim modelom, ki temelji na zmožnostih.

• Jasnejše poročanje o napakah: Prizadevamo si zagotoviti bolj standardizirane in informativne kode in sporočila o napakah iz sistemskih klicev WASI, kar bo poenostavilo odpravljanje napak in obravnavanje napak znotraj modulov Wasm.
• Izboljšano upravljanje zmožnosti: Model, ki temelji na zmožnostih, se nenehno izboljšuje, da bi zagotovili, da je dovolj zmogljiv za kompleksne aplikacije in enostaven za implementacijo in upravljanje s strani izvedbenih okolij. To vključuje raziskovanje načinov za varno posredovanje zmožnosti med moduli Wasm.

Vpliv WASI Predogleda 3 na različne računalniške paradigme

Izboljšave v WASI Predogledu 3 imajo daljnosežne posledice na različnih računalniških področjih:

Oblačno-izvirno in brezstrežniško računalništvo

To je verjetno področje, kjer bo WASI Predogled 3 imel najhitrejši in najgloblji vpliv. Z zagotavljanjem robustne podpore za HTTP in izboljšanega datotečnega V/I postajajo moduli Wasm z omogočeno WASI prvovrstni državljani za izgradnjo mikrostoritev, API-jev in brezstrežniških funkcij.

• Zmanjšani "hladni zagoni": Izvedbena okolja Wasm imajo pogosto bistveno hitrejše čase "hladnega zagona" v primerjavi s tradicionalnimi vsebniki ali navideznimi stroji, kar je ključna prednost za brezstrežniške aplikacije.
• Izboljšana varnost: Lastna zasnova peskovnika in varnost, ki temelji na zmožnostih Wasm in WASI, sta zelo privlačni za oblačna okolja z več najemniki, saj zmanjšujeta tveganje, da bi ena delovna obremenitev vplivala na drugo.
• Raznolikost jezikov: Razvijalci lahko uporabljajo svoje prednostne jezike (Rust, Go, C++, AssemblyScript itd.) za izgradnjo oblačno-izvornih storitev, ki se prevedejo v Wasm, kar spodbuja večjo izbiro in produktivnost razvijalcev.
• Prenosljivost med ponudniki oblaka: Mikrostoritev Wasm, zgrajena z WASI, lahko teoretično deluje pri katerem koli ponudniku oblaka, ki ponuja izvedbeno okolje, skladno z WASI, kar zmanjšuje odvisnost od določenega ponudnika.

Robno računalništvo

Robne naprave imajo pogosto omejene vire in edinstvene omrežne omejitve. Lahka narava WASI-ja in predvidljiva zmogljivost jo delata idealno za robne uvedbe.

• Učinkovitost virov: Moduli Wasm porabijo manj virov kot tradicionalni vsebniki, zaradi česar so primerni za robne naprave z omejenimi viri.
• Varne oddaljene posodobitve: Zmožnost varnega oddaljenega uvajanja in posodabljanja modulov Wasm je pomembna prednost za upravljanje flot robnih naprav.
• Dosledna logika med robom in oblakom: Razvijalci lahko logiko enkrat napišejo v Wasm-u in jo dosledno uvedejo od oblaka do roba, kar poenostavi razvoj in vzdrževanje.

Namizne aplikacije in vtičnik sistemi

Medtem ko brskalnik ostaja ključna tarča, WASI odpira vrata za Wasm onkraj spleta. Namizne aplikacije lahko izkoriščajo Wasm za arhitekture vtičnikov ali za varno izvajanje nezaupljive kode.

• Varna arhitektura vtičnikov: Aplikacije, kot so urejevalniki ali IDE-ji, lahko uporabljajo module Wasm kot vtičnike, kar zagotavlja varno okolje v peskovniku za razširitve tretjih oseb.
• Večplatformske aplikacije: Aplikacije Wasm z WASI lahko ponudijo bolj standardiziran način za izdelavo večplatformskih namiznih aplikacij, čeprav bo UI/UX, specifičen za platformo, morda še vedno zahteval izvorno kodo.

Vdelani sistemi

Za naprednejše vdelane sisteme je nadzorovana interakcija WASI s strojno opremo in sistemskimi viri lahko koristna, zlasti v kombinaciji z operacijskimi sistemi v realnem času (RTOS), ki imajo izvedbe izvedbenega okolja WASI.

Izzivi in pot naprej

Kljub izjemnemu napredku ekosistem WASI še vedno zori. Obstaja več izzivov in področij za nadaljnji razvoj:

• Hitrost standardizacije: Medtem ko je WASI Predogled 3 velik korak, se sam standard WASI še vedno razvija. Slediti najnovejšim predlogom in zagotavljati združljivost med različnimi izvedbenimi okolji je lahko izziv za razvijalce.
• Izvedbe izvedbenega okolja: Kakovost in popolnost funkcij izvedb WASI se lahko razlikujeta med izvedbenimi okolji, kot so Wasmtime, Wasmer in drugi. Razvijalci morajo izbrati izvedbena okolja, ki najbolje podpirajo vmesnike WASI, na katere se zanašajo.
• Orodja in odpravljanje napak: Čeprav se orodja hitro izboljšujejo, je razvojna izkušnja za Wasm z WASI, vključno z odpravljanjem napak in profiliranjem, še vedno področje, kjer potekajo pomembni napredki.
• Interoperabilnost z obstoječimi sistemi: Brezhibna integracija modulov Wasm z obstoječimi kodnimi bazami, ki niso Wasm, in starejšimi sistemi zahteva dobro definirane vmesnike in skrbno arhitekturno načrtovanje.
• Sistemski viri in zmožnosti: Uravnoteženje potrebe modulov Wasm po izvajanju uporabnih sistemskih operacij z varnostnim modelom WASI je stalen izziv. Opredelitev natančnega nabora zmožnosti in načina njihovega upravljanja se bo še naprej izboljševala.

Prihodnost WASI: K računalništvu splošnega namena

WASI Predogled 3 je pomemben mejnik, vendar je del širše vizije, da bi WebAssembly postal resnično univerzalno izvedbeno okolje. Prihodnje iteracije WASI naj bi vključevale:

• Bolj sofisticirano omrežje: Podpora za naprednejše omrežne protokole in konfiguracije.
• Grafika in uporabniški vmesnik: Čeprav ni v središču pozornosti, potekajo raziskave, kako bi se Wasm lahko povezal z grafičnimi knjižnicami in okviri uporabniškega vmesnika, potencialno za namizne ali vdelane primere uporabe.
• Upravljanje procesov: Standardizirani načini za zagon in upravljanje podrejenih procesov ali niti znotraj okolja Wasm.
• Interakcija s strojno opremo: Bolj neposredni, a varni načini za interakcijo s specifičnimi strojnimi funkcijami, še posebej pomembno za IoT in vdelane sisteme.

Zaključek: Sprejemanje prihodnosti z WASI Predogledom 3

WebAssembly System Interface (WASI) Predogled 3 pomeni ključno evolucijo pri spreminjanju WebAssemblyja v zmogljivo, varno in prenosljivo rešitev za širok spekter računalniških nalog, ki sega daleč onkraj brskalnika. Izboljšan vmesnik sistemskih klicev, zlasti z napredki na področju omrežja, dostopa do datotečnega sistema in upravljanja časa, je pripravljen pospešiti sprejetje Wasm-a v oblačno-izvornih, brezstrežniških in robnih računalniških okoljih po vsem svetu.

Za razvijalce in organizacije po vsem svetu razumevanje in sprejetje WASI Predogleda 3 ponuja pot za izgradnjo bolj odpornih, varnih in interoperabilnih aplikacij. Obljuba "napiši enkrat, zaženi kjerkoli" postaja otipljiva resničnost za programiranje na sistemski ravni, kar spodbuja inovacije in učinkovitost v različnih tehnoloških pokrajinah. Ker se standard WASI in njegove implementacije še naprej razvijajo, lahko pričakujemo, da bo WebAssembly igral še bolj osrednjo vlogo v prihodnosti razvoja programske opreme.

Ključni nasveti za sprejetje WASI Predogleda 3:

• Raziščite izvedbena okolja Wasm: Spoznajte vodilna izvedbena okolja, skladna z WASI, kot sta Wasmtime in Wasmer.
• Izkoristite jezikovne verige orodij: Raziščite, kako se vaši prednostni programski jeziki prevajajo v Wasm s podporo za WASI.
• Razumeti varnost, ki temelji na zmožnostih: Oblikujte svoje aplikacije Wasm z upoštevanjem varnostnega modela WASI.
• Začnite z brezstrežniškimi/mikrostoritvami: To so najhitrejši primeri uporabe, ki imajo koristi od izboljšav Predogleda 3.
• Bodite na tekočem: Specifikacija WASI se nenehno spreminja; spremljajte najnovejše dogodke in predloge.

Obdobje WebAssemblyja kot izvedbenega okolja splošnega namena je pred nami, WASI Predogled 3 pa je monumentalni korak v tej smeri.