WebAssembly WASI: sistemski vmesnik in dostop do datotečnega sistema

WebAssembly (Wasm) se je uveljavil kot zmogljiva tehnologija za izvajanje kode v spletnih brskalnikih in vse pogosteje tudi zunaj njih. Ponuja skoraj naravno zmogljivost, varnost in prenosljivost. Ključni element pri uresničevanju polnega potenciala Wasm je sistemski vmesnik WebAssembly (WASI). Ta objava na blogu bo raziskala WASI, s posebnim poudarkom na njegovi ključni vlogi pri zagotavljanju dostopa do datotečnega sistema, ter podrobno opisala njegove prednosti, implementacijo in posledice za sodoben razvoj programske opreme.

Kaj je WebAssembly (Wasm)?

WebAssembly je format binarnih navodil, zasnovan za navidezni stroj, ki temelji na skladu. Služi kot prenosljiv cilj prevajanja za programske jezike, kar omogoča uvajanje visoko zmogljivih aplikacij na spletu (in drugod). Namesto pisanja kode posebej za brskalnik lahko razvijalci svojo kodo (napisano v jezikih, kot so C, C++, Rust in Go) prevedejo v module Wasm. Te module je nato mogoče izvajati v spletnem brskalniku ali drugih izvajalskih okoljih Wasm, kot so Node.js ali celo namenski izvajalniki Wasm, ki tečejo na strežniku. Ključne prednosti Wasm vključujejo:

• Zmogljivost: Wasm ponuja skoraj naravno hitrost izvajanja, zaradi česar je primeren za računsko zahtevne naloge.
• Varnost: Moduli Wasm se izvajajo v peskovniku (sandboxed environment), kar omejuje njihov dostop do gostiteljskega sistema in povečuje varnost.
• Prenosljivost: Moduli Wasm lahko delujejo na različnih platformah in arhitekturah, kar spodbuja večplatformno združljivost.
• Odprti standard: Wasm je standard W3C, kar zagotavlja široko sprejetje in podporo.

Vloga WASI

Čeprav Wasm zagotavlja izvajalsko okolje, mu je prvotno manjkal neposreden dostop do sistemskih virov, kot so datotečni sistem, omrežje in druge funkcije operacijskega sistema. Tu nastopi WASI. WASI je modularni sistemski vmesnik, zasnovan za zagotavljanje varnega dostopa do teh virov za module Wasm. Predstavljajte si ga kot standardiziran API za interakcijo aplikacij Wasm z gostiteljskim operacijskim sistemom. To razvijalcem omogoča ustvarjanje bolj vsestranskih in zmogljivih aplikacij Wasm, ki presegajo zgolj spletne primere uporabe. WASI obravnava ključno potrebo: omogočiti Wasm interakcijo z zunanjim svetom na nadzorovan in varen način.

Glavni cilji WASI so:

• Varnost: Zagotoviti okolje peskovnika, ki omejuje dostop do sistemskih virov in s tem zmanjšuje morebitna varnostna tveganja.
• Prenosljivost: Zagotoviti, da lahko moduli Wasm delujejo na različnih operacijskih sistemih brez sprememb.
• Prilagodljivost: Ponuditi modularno zasnovo, ki podpira različne sistemske vmesnike, kot so datotečni sistemi, omrežja in ure.
• Standardizacija: Opredeliti standardni vmesnik za interakcijo s sistemskimi viri, kar spodbuja interoperabilnost in ponovno uporabo kode.

WASI in dostop do datotečnega sistema

Dostop do datotečnega sistema je ključna značilnost WASI. Modulom Wasm omogoča branje, pisanje in upravljanje datotek na gostiteljskem sistemu. To odpira širok spekter možnosti za aplikacije Wasm, od preprostih nalog obdelave datotek do kompleksnih aplikacij, kot so:

• Brezstrežniške funkcije: Obdelava datotek, naloženih v shrambo v oblaku.
• Analitika podatkov: Analiziranje in upravljanje velikih naborov podatkov, shranjenih v datotekah.
• Orodja za ukazno vrstico: Ustvarjanje pripomočkov za ukazno vrstico na osnovi Wasm za upravljanje datotek.
• Namizne aplikacije: Gradnja večplatformskih namiznih aplikacij, ki berejo in pišejo datoteke.

Pred WASI so bili moduli Wasm v svoji interakciji z datotečnim sistemom večinoma omejeni. Čeprav so obstajale nekatere rešitve, so se pogosto zanašale na API-je, specifične za brskalnik, ali pa so vključevale znatne varnostne kompromise. WASI zagotavlja standardiziran in varen način za interakcijo modulov Wasm z datotečnim sistemom, zaradi česar so primerni za širšo paleto primerov uporabe.

Kako deluje dostop do datotečnega sistema z WASI

Dostop do datotečnega sistema WASI se običajno izvaja z uporabo zmožnosti (capabilities). Zmožnost je žeton, ki modulu Wasm podeli dostop do določenega vira, kot je imenik ali datoteka. Modulu Wasm morajo biti te zmožnosti izrecno dodeljene, običajno s strani gostiteljskega okolja (npr. izvajalnega okolja Wasm). Ta pristop povečuje varnost, saj zagotavlja, da imajo moduli Wasm dostop le do virov, za katere so pooblaščeni.

Tukaj je poenostavljen pregled:

1. Prevajanje modula: Koda (npr. napisana v Rust, C++ ali Go) se prevede v modul Wasm, ki uvaža funkcije WASI.
2. Dodeljevanje zmožnosti: Gostiteljsko okolje modulu Wasm zagotovi zmožnosti, kot je možnost dostopa do določenih imenikov ali datotek. To pogosto vključuje določitev nabora dovoljenih poti ob instanciranju modula.
3. Klici datotečnega sistema: Modul Wasm uporablja funkcije WASI (npr. `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`, `fd_close`) za interakcijo z datotečnim sistemom z uporabo dodeljenih zmožnosti.
4. Izolacija v peskovniku (Sandboxing): WASI zagotavlja, da so operacije datotečnega sistema omejene na pooblaščene vire, kar modulu preprečuje dostop do drugih delov datotečnega sistema.

Praktični primer (Rust)

Poglejmo si preprost primer branja besedilne datoteke z uporabo Rusta in WASI. Najprej se prepričajte, da imate nameščen nabor orodij Rust (rustup) in za prevajanje ciljate na `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
              
            
          

Gradnja modula Wasm:

            cargo build --target wasm32-wasi --release

            

              
                Copy
              
            
          

To ustvari modul Wasm (npr. `target/wasm32-wasi/release/file_reader.wasm`). Standardna knjižnica WASI zagotavlja potrebne funkcije za V/I datotek znotraj modula Wasm. Pri izvajanju modula Wasm bo gostiteljsko okolje (npr. izvajalno okolje Wasm, kot je `wasmer` ali `wasmtime`) poskrbelo za dostop do datotečnega sistema, običajno tako, da uporabniku omogoči določitev imenika, iz katerega se lahko berejo datoteke, s čimer se interakcija z datotečnim sistemom učinkovito izolira v peskovniku. Vmesnika ukazne vrstice `wasmer` ali `wasmtime` se lahko uporabita za zagon prevedenega modula WASM.

Zagon z Wasmerjem:

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

            

              
                Copy
              
            
          

V tem primeru `--dir=.` podeli modulu Wasm dostop do trenutnega imenika, `file.txt` pa je ime datoteke, podano kot argument. Program bo nato poskušal prebrati in izpisati vsebino datoteke `file.txt`. Ne pozabite ustvariti datoteke `file.txt` v trenutnem imeniku, preden zaženete modul.

Prednosti uporabe WASI za dostop do datotečnega sistema

Uporaba WASI za dostop do datotečnega sistema ponuja več pomembnih prednosti:

• Varnost: Okolje peskovnika omejuje dostop do datotečnega sistema, kar zmanjšuje tveganje zlonamernih napadov.
• Prenosljivost: Moduli Wasm, ki uporabljajo WASI, lahko delujejo na različnih operacijskih sistemih in arhitekturah brez sprememb.
• Standardizacija: WASI zagotavlja standardiziran API za interakcijo z datotečnim sistemom, kar spodbuja interoperabilnost in zmanjšuje krivuljo učenja.
• Prilagodljivost: Omogoča ustvarjanje visoko prenosljivih aplikacij, ki jih je mogoče izvajati v različnih okoljih, od spletnih brskalnikov do strežniških postavitev.
• Nadzor nad viri: Dostop na podlagi zmožnosti omogoča natančen nadzor nad tem, do katerih virov lahko dostopa modul Wasm, kar izboljšuje upravljanje virov in preprečuje nenamerno ali zlonamerno zlorabo.

Napredni koncepti datotečnega sistema WASI

Poleg osnovnega branja in pisanja datotek WASI podpira tudi naprednejše koncepte za interakcijo z datotečnim sistemom.

Imeniki in poti

WASI omogoča modulom delo z imeniki, ustvarjanje novih imenikov in navigacijo po poteh datotečnega sistema. To podpira operacije, kot so izpisovanje datotek, ustvarjanje novih datotek v določenih imenikih in upravljanje celotne strukture datotečnega sistema. Upravljanje poti je ključna zmožnost za upravljanje in organiziranje datotek.

Opisniki datotek

WASI uporablja opisnike datotek (FD) za predstavitev odprtih datotek in imenikov. Opisnik datoteke je edinstveno celo število, ki ga modul Wasm uporablja za sklicevanje na določeno datoteko ali imenik. Funkcije WASI, kot je `fd_open`, vrnejo FD, ki se nato uporablja v nadaljnjih operacijah, kot so branje, pisanje in zapiranje datotek. Upravljanje opisnikov datotek je pomembno, da se izognemo uhajanju virov.

Dovoljenja in zmožnosti

Kot smo že omenili, WASI uporablja pristop, ki temelji na zmožnostih, za dostop do datotečnega sistema. Gostiteljsko okolje določa, do katerih imenikov in datotek ima modul Wasm dovoljen dostop. Ta sistem dovoljenj zagotavlja natančno raven nadzora, kar povečuje varnost in omogoča administratorjem, da prilagodijo dostop do virov glede na potrebe aplikacije. To preprečuje aplikacijam dostop do poljubnih datotek na gostiteljskem sistemu.

Pretakanje in medpomnjenje

WASI zagotavlja mehanizme za pretakanje podatkov iz datotek in uporabo medpomnilnikov za učinkovito branje in pisanje podatkov. Pretakanje je še posebej pomembno za obdelavo velikih datotek brez prekomerne porabe pomnilnika. Medpomnjenje izboljša zmogljivost z zmanjšanjem števila sistemskih klicev.

Primeri uporabe in aplikacije

Zmožnosti dostopa do datotečnega sistema WASI omogočajo široko paleto aplikacij. Tukaj je nekaj pomembnih primerov:

Brezstrežniške funkcije

WASI je idealen za brezstrežniške funkcije. Razvijalci lahko uvedejo module Wasm, ki berejo, obdelujejo in pišejo datoteke, shranjene v shrambi v oblaku (npr. Amazon S3, Google Cloud Storage, Azure Blob Storage). Module lahko sprožijo dogodki (npr. nalaganje datotek) in se izvajajo na varen in prilagodljiv način. To omogoča učinkovito obdelavo in preoblikovanje datotek v oblaku. Upoštevajte mednarodne primere uporabe, kjer je mogoče obdelovati in analizirati datoteke iz različnih svetovnih regij in jezikov.

Orodja za ukazno vrstico

WASI omogoča ustvarjanje večplatformskih pripomočkov za ukazno vrstico. Razvijalci lahko pišejo module Wasm, ki izvajajo obdelavo datotek, manipulacijo podatkov ali druge naloge, in jih nato zaženejo na kateri koli platformi, ki podpira izvajalno okolje WASI. Orodja za naloge, kot so obdelava besedil, manipulacija slik ali analiza podatkov, je mogoče zapakirati in uvesti kot module Wasm, kar olajša njihovo distribucijo in uporabo v različnih operacijskih sistemih. Predstavljajte si orodje za čiščenje podatkov na osnovi Wasm, ki ga je mogoče distribuirati po vsem svetu.

Analiza in obdelava podatkov

WASI se lahko uporablja za gradnjo orodij za analizo podatkov na osnovi Wasm. Ta orodja lahko berejo podatke iz datotek, izvajajo izračune in generirajo poročila. Prenosljivost Wasm omogoča njihovo enostavno distribucijo in uporabo na različnih platformah. Ta orodja se lahko uporabljajo za analizo velikih naborov podatkov (npr. datoteke CSV, dnevniške datoteke), shranjenih v datotekah, in ustvarjanje interaktivnih vizualizacij. Razmislite o aplikacijah za finančno analizo, znanstvene simulacije ali katero koli področje, ki zahteva obdelavo podatkov.

Namizne aplikacije

Razvijalci lahko izkoristijo WASI za ustvarjanje večplatformskih namiznih aplikacij, ki komunicirajo z datotečnim sistemom. Te aplikacije lahko berejo, pišejo in upravljajo datoteke, kar uporabnikom zagotavlja poznano izkušnjo z datotečnim sistemom. To je še posebej uporabno za aplikacije, ki zahtevajo lokalno shranjevanje datotek, urejanje dokumentov ali druge operacije, ki temeljijo na datotekah. To omogoča gradnjo aplikacij, ki delujejo dosledno v sistemih Windows, macOS in Linux. Pomislite na aplikacijo za urejanje slik ali urejevalnik besedil, zgrajen z Wasm in WASI.

Spletna manipulacija datotek

Čeprav se je Wasm prvotno osredotočal na brskalnik, WASI omogoča interakcije zunaj tega okolja. Odpira vrata spletnim aplikacijam, ki morajo obdelovati datoteke na strežniku. To se izogne omejitvam dostopa do datotek v brskalniku in omogoča bolj zapletene operacije, ki temeljijo na datotekah, kar izboljšuje zmogljivost in uporabniško izkušnjo. Primer bi lahko bil pretvornik datotek, ki obdeluje velike datoteke na strani strežnika.

Implementacija dostopa do datotečnega sistema WASI

Implementacija dostopa do datotečnega sistema WASI običajno vključuje naslednje korake:

1. Izberite programski jezik: Izberite programski jezik, ki podpira prevajanje v Wasm (npr. Rust, C/C++, Go). Rust je še posebej priljubljen zaradi svojih robustnih orodij, pomnilniške varnosti in podpore za WASI.
2. Nastavite razvojno okolje: Namestite potrebna orodja in odvisnosti, vključno s prevajalnikom Wasm, WASI SDK (če je potreben) in izvajalnim okoljem Wasm.
3. Napišite kodo: Napišite kodo aplikacije z uporabo funkcij API-ja za datotečni sistem WASI (npr. `fd_open`, `fd_read`, `fd_write`).
4. Prevedite kodo v Wasm: Prevedite kodo v modul Wasm z ustreznim prevajalnikom in ciljem (npr. `wasm32-wasi`).
5. Zagotovite zmožnosti: Modulu Wasm je treba dodeliti potrebna dovoljenja, npr. ob zagonu izvajalnega okolja mora modul vedeti, iz katerega imenika lahko bere, piše ali ustvarja datoteke.
6. Zaženite modul Wasm: Izvedite modul Wasm z uporabo izvajalnega okolja Wasm.

Orodja in izvajalska okolja

Več orodij in izvajalskih okolij podpira WASI, vključno z:

• Wasmer: Univerzalno izvajalsko okolje WebAssembly, ki izvaja module Wasm na različnih platformah.
• Wasmtime: Samostojno izvajalsko okolje WebAssembly v stilu JIT iz Bytecode Alliance, osredotočeno na zmogljivost in varnost.
• WASI SDK: Nabor orodij in knjižnic za razvoj aplikacij WASI.
• Node.js: Node.js podpira WASI, kar omogoča izvajanje Wasm v okoljih Node.js.
• Docker: WASI se vse bolj integrira v Docker, kar omogoča kontejnerizacijo aplikacij Wasm.

Varnostni vidiki

Čeprav WASI zagotavlja varno okolje za module Wasm, morajo biti razvijalci še vedno pozorni na najboljše varnostne prakse.

• Najmanjši privilegij: Modulom Wasm dodelite le minimalna potrebna dovoljenja.
• Validacija vnosa: Preverite vse vhodne podatke, da preprečite ranljivosti, kot so prelivi medpomnilnika in napadi z vbrizgavanjem kode.
• Upravljanje odvisnosti: Skrbno upravljajte odvisnosti, da se izognete uporabi potencialno ranljivih knjižnic.
• Redne revizije: Redno pregledujte module Wasm in gostiteljsko okolje za varnostne ranljivosti.
• Izolacija v peskovniku (Sandboxing): Zagotovite, da izvajalno okolje Wasm uveljavlja peskovnik in omejuje dostop do sistemskih virov, vključno z datotečnim sistemom, omrežjem in okoljskimi spremenljivkami, na tisto, kar je izrecno dovoljeno.

Prihodnost WASI in dostopa do datotečnega sistema

WASI in njegove zmožnosti dostopa do datotečnega sistema se nenehno razvijajo. Trenutni razvoj vključuje:

• Izboljšana zmogljivost: Nenehne optimizacije izvajalskih okolij Wasm za izboljšanje hitrosti izvajanja.
• Razširjena podpora API-jem: Razvoj novih API-jev WASI za podporo dodatnim sistemskim vmesnikom (npr. omrežja, večnitnost in grafika).
• Prizadevanja za standardizacijo: Nenehna prizadevanja za standardizacijo, da se zagotovi interoperabilnost med različnimi izvajalskimi okolji in platformami Wasm.
• Integracija z oblačnimi platformami: Povečana integracija z oblačnimi platformami, ki razvijalcem omogoča enostavno uvajanje in izvajanje modulov Wasm v brezstrežniških okoljih.

Prihodnost je obetavna za WASI in njegovo uporabo pri dostopu do datotečnega sistema. Ko bo tehnologija dozorela, lahko pričakujemo še bolj sofisticirane aplikacije, ki bodo izkoriščale moč Wasm in WASI.

Zaključek

WebAssembly (Wasm) in njegov sistemski vmesnik, WASI, revolucionirata način, kako razvijalci gradijo in uvajajo programsko opremo. WASI zagotavlja varen, prenosljiv in standardiziran način za interakcijo modulov Wasm s sistemskimi viri, vključno z datotečnim sistemom. Dostop do datotečnega sistema prek WASI omogoča širok spekter primerov uporabe, od brezstrežniških funkcij in orodij za ukazno vrstico do analize podatkov in namiznih aplikacij. Z razumevanjem konceptov in podrobnosti implementacije, obravnavanih v tej objavi, lahko razvijalci izkoristijo moč WASM in WASI za ustvarjanje inovativnih in učinkovitih aplikacij. WASI in dostop do datotečnega sistema sta bistveni tehnologiji za prihodnost razvoja programske opreme, ki utirata pot večplatformskim aplikacijam ter omogočata prenosljivost, zmogljivost in varnost v raznoliki paleti aplikacij na svetovni ravni.