WebAssembly WASI Preview 2: En djupdykning i det förbättrade systemgränssnittet

WebAssembly (Wasm) har vuxit fram som en central teknik för modern mjukvaruutveckling och utlovar prestanda nära den hos native-kod i en sandlådemiljö. Dess initiala fokus låg främst på webbläsare, men behovet av en portabel och säker körtidsmiljö utanför webbläsaren ledde till skapandet av WebAssembly System Interface (WASI). WASI syftar till att tillhandahålla ett standardiserat gränssnitt för Wasm-moduler att interagera med det underliggande operativsystemet, vilket gör att de kan köras på olika plattformar. WASI Preview 2 representerar ett betydande steg framåt för att uppnå detta mål. Denna omfattande guide utforskar förbättringarna och konsekvenserna av WASI Preview 2 för utvecklare och det bredare tekniklandskapet.

Vad är WASI?

WebAssembly System Interface (WASI) är ett modulärt systemgränssnitt för WebAssembly. Det är utformat för att ge ett säkert och portabelt sätt för WebAssembly-moduler att få tillgång till operativsystemets resurser, såsom filer, nätverkssocklar och klockor. Till skillnad från traditionella systemanrop fokuserar WASI på kapabilitetsbaserad säkerhet, vilket innebär att en Wasm-modul endast kan komma åt resurser som den uttryckligen har getts tillstånd att använda.

Denna metod förbättrar säkerheten dramatiskt jämfört med traditionella native-applikationer. En WASI-applikation kan inte bara nå ut till vilken resurs som helst på systemet; den måste uttryckligen beviljas förmågan att göra det. Detta minskar attackytan och gör det lättare att resonera kring säkerhetskonsekvenserna av att köra Wasm-kod.

Varför WASI är viktigt

WASI adresserar ett kritiskt behov av portabilitet i modern mjukvaruutveckling. Traditionellt kompileras applikationer för specifika operativsystem och arkitekturer. Detta skapar fragmentering och begränsar möjligheten att enkelt flytta applikationer mellan olika miljöer. WASI erbjuder en lösning genom att tillhandahålla ett standardiserat gränssnitt som abstraherar bort det underliggande operativsystemet. Centrala fördelar inkluderar:

• Portabilitet: WASI tillåter Wasm-moduler att köras på vilken plattform som helst som stöder WASI, oavsett underliggande operativsystem eller arkitektur.
• Säkerhet: Den kapabilitetsbaserade säkerhetsmodellen i WASI begränsar Wasm-modulers tillgång till systemresurser, vilket minskar risken för säkerhetssårbarheter.
• Prestanda: Wasm ger prestanda nära den hos native-kod, vilket gör det lämpligt för prestandakritiska applikationer.
• Modularitet: WASI är utformat för att vara modulärt, vilket gör att utvecklare kan välja den specifika uppsättning systemgränssnitt som deras applikation behöver.

Dessa fördelar gör WASI till en övertygande teknik för ett brett spektrum av applikationer, inklusive serverless computing, edge computing, inbyggda system och skrivbordsapplikationer.

Introduktion till WASI Preview 2

WASI Preview 2 är en betydande uppgradering av den ursprungliga WASI-specifikationen (Preview 1). Den introducerar flera viktiga förbättringar, inklusive en omarbetad I/O-modell baserad på asynkrona operationer, förbättrat stöd för nätverk och förbättrade säkerhetsfunktioner. Dessa förbättringar åtgärdar begränsningar i Preview 1 och banar väg för mer komplexa och robusta WASI-applikationer.

En av de mest anmärkningsvärda förändringarna i Preview 2 är övergången till en asynkron I/O-modell. I Preview 1 var I/O-operationer synkrona, vilket kunde leda till blockering och prestandaproblem. Preview 2 introducerar asynkrona I/O-operationer, vilket gör att Wasm-moduler kan utföra I/O-operationer utan att blockera huvudtråden. Detta förbättrar avsevärt svarstiden och skalbarheten hos WASI-applikationer.

Nyckelfunktioner och förbättringar i WASI Preview 2

Asynkron I/O (Async I/O)

Asynkron I/O är en avgörande förbättring i WASI Preview 2. Till skillnad från synkron I/O, som blockerar exekveringen av programmet tills I/O-operationen är klar, tillåter asynkron I/O programmet att fortsätta exekvera medan I/O-operationen pågår. När I/O-operationen är klar meddelas programmet och kan bearbeta resultaten.

Denna metod erbjuder flera fördelar:

• Förbättrad prestanda: Async I/O förhindrar blockering, vilket leder till bättre svarstid och genomströmning.
• Skalbarhet: Async I/O gör det möjligt för applikationer att hantera ett större antal samtidiga I/O-operationer.
• Resursutnyttjande: Async I/O minskar behovet av flera trådar, vilket förbättrar resursutnyttjandet.

Exempel: Föreställ dig en serverapplikation som behöver hantera flera inkommande förfrågningar. Med synkron I/O skulle varje förfrågan blockera servern medan den väntar på att data ska läsas från nätverket. Med asynkron I/O kan servern initiera läsoperationen och fortsätta bearbeta andra förfrågningar medan data överförs. När datan anländer meddelas servern och kan bearbeta förfrågan.

Förbättrat nätverksstöd

WASI Preview 2 introducerar förbättrat stöd för nätverk, vilket gör det lättare att bygga nätverksbaserade applikationer med WASI. Nätverks-API:et ger stöd för TCP- och UDP-socklar, samt DNS-uppslagning.

Viktiga förbättringar inkluderar:

• Asynkrona nätverksoperationer: Nätverksoperationer är nu asynkrona, vilket möjliggör icke-blockerande nätverkskommunikation.
• Förbättrad felhantering: Nätverks-API:et ger mer detaljerad felinformation, vilket gör det lättare att diagnostisera och lösa nätverksproblem.
• Säkerhetsförbättringar: Nätverks-API:et innehåller säkerhetsfunktioner som adressfiltrering och åtkomstkontroll.

Exempel: Tänk dig ett distribuerat databassystem byggt med WASI. Varje databasnod kan använda nätverks-API:et för att kommunicera med andra noder i klustret. De asynkrona nätverksoperationerna gör det möjligt för noderna att hantera ett stort antal samtidiga anslutningar utan att blockera.

WASI-NN: Inferens för neurala nätverk

WASI-NN är en utökning av WASI som gör det möjligt för WebAssembly-moduler att utföra inferens för neurala nätverk. Det ger ett standardiserat gränssnitt för att ladda och exekvera förtränade neurala nätverksmodeller. Detta gör det möjligt för utvecklare att bygga AI-drivna applikationer som kan köras på vilken plattform som helst som stöder WASI.

Centrala fördelar med WASI-NN inkluderar:

• Portabilitet: WASI-NN gör det möjligt att exekvera neurala nätverksmodeller på vilken WASI-kompatibel plattform som helst.
• Säkerhet: WASI:s säkerhetsmodell skyddar det underliggande systemet från skadliga neurala nätverksmodeller.
• Prestanda: WASI-NN utnyttjar hårdvaruacceleration för att ge prestanda nära den hos native-kod för inferens av neurala nätverk.

Exempel: En bildigenkänningsapplikation byggd med WASI-NN kan distribueras på en mängd olika enheter, från smartphones till inbyggda system, utan att kräva några ändringar i koden. Applikationen kan ladda en förtränad bildigenkänningsmodell och använda den för att identifiera objekt i bilder som tagits med enhetens kamera.

Förbättrade säkerhetsfunktioner

Säkerhet är en central del i designen av WASI. Preview 2 bygger vidare på den kapabilitetsbaserade säkerhetsmodellen från Preview 1 och lägger till nya funktioner för att ytterligare förbättra säkerheten. Dessa funktioner inkluderar:

• Finkorniga behörigheter: WASI Preview 2 möjliggör mer finkornig kontroll över de behörigheter som beviljas Wasm-moduler.
• Resursbegränsningar: WASI tillåter att man sätter resursgränser för Wasm-moduler, vilket förhindrar dem från att förbruka överdrivna resurser.
• Sandlådemiljö (Sandboxing): WASI erbjuder en säker sandlådemiljö för Wasm-moduler, vilket isolerar dem från det underliggande systemet.

Exempel: En molntjänstleverantör kan använda WASI för att säkert exekvera användartillhandahållen kod i en sandlådemiljö. Leverantören kan sätta resursgränser för koden för att förhindra att den förbrukar överdrivna resurser och stör andra hyresgäster.

Integration med komponentmodellen

WASI Preview 2 är designad för att integreras sömlöst med WebAssembly Component Model. Komponentmodellen är ett modulärt system för att bygga och komponera WebAssembly-moduler. Den gör det möjligt för utvecklare att skapa återanvändbara komponenter som enkelt kan sättas samman till större applikationer.

Denna integration erbjuder flera fördelar:

• Modularitet: Komponentmodellen främjar modularitet, vilket gör det lättare att bygga och underhålla komplexa applikationer.
• Återanvändbarhet: Komponenter kan återanvändas i flera applikationer, vilket minskar utvecklingstid och ansträngning.
• Interoperabilitet: Komponenter kan skrivas på olika språk och kompileras till WebAssembly, vilket möjliggör interoperabilitet mellan olika programmeringsspråk.

Exempel: Ett mjukvaruföretag kan bygga ett bibliotek med återanvändbara komponenter som kan användas för att bygga en mängd olika applikationer. Dessa komponenter kan skrivas på olika språk och kompileras till WebAssembly, vilket gör att utvecklare kan välja det bästa språket för varje komponent.

Användningsfall för WASI Preview 2

WASI Preview 2 öppnar upp ett brett spektrum av möjligheter för applikationer. Här är några centrala användningsfall:

Serverless Computing

WASI är en idealisk plattform för serverless computing. Dess säkerhets- och portabilitetsfunktioner gör den väl lämpad för att exekvera användartillhandahållen kod i en sandlådemiljö. Serverless-plattformar kan använda WASI för att exekvera funktioner skrivna på olika språk och därmed erbjuda en flerspråkig körtidsmiljö.

Exempel: En molnleverantör kan använda WASI för att bygga en serverless-plattform som tillåter utvecklare att distribuera funktioner skrivna i JavaScript, Python och Rust. Funktionerna exekveras i en säker sandlådemiljö, och leverantören ansvarar för att hantera den underliggande infrastrukturen.

Edge Computing

WASI är också väl lämpat för edge computing. Dess lilla fotavtryck och låga overhead gör det idealiskt för att köra applikationer på resurssvaga enheter i nätverkets utkant. WASI kan användas för att bygga edge-applikationer som utför databearbetning, dataanalys och maskininlärning.

Exempel: Ett tillverkningsföretag kan använda WASI för att bygga en edge-applikation som övervakar prestandan hos sin utrustning. Applikationen kan samla in data från sensorer på utrustningen och använda maskininlärning för att upptäcka avvikelser. Applikationen körs på en liten dator nära utrustningen, vilket minskar latensen i databearbetningen.

Inbyggda system

WASI kan användas för att bygga applikationer för inbyggda system. Dess portabilitet gör att utvecklare kan skriva kod en gång och distribuera den på en mängd olika inbyggda enheter. WASI:s säkerhetsfunktioner skyddar det inbyggda systemet från skadlig kod.

Exempel: Ett robotikföretag kan använda WASI för att bygga applikationer för sina robotar. Applikationerna kan styra robotens rörelser, bearbeta sensordata och interagera med omgivningen. Applikationerna körs på robotens inbyggda dator, och WASI tillhandahåller en säker och portabel körtidsmiljö.

Skrivbordsapplikationer

WASI kan också användas för att bygga skrivbordsapplikationer. Dess portabilitet gör att utvecklare kan skriva kod en gång och distribuera den på olika operativsystem. WASI:s säkerhetsfunktioner skyddar användarens dator från skadlig kod.

Exempel: Ett mjukvaruföretag kan använda WASI för att bygga en plattformsoberoende skrivbordsapplikation. Applikationen kan skrivas på ett enda språk och kompileras till WebAssembly, och den kan distribueras på Windows, macOS och Linux utan att kräva några ändringar. Företag som Figma använder redan WebAssembly för att bygga högpresterande skrivbordsapplikationer.

Migrera från WASI Preview 1 till Preview 2

Att migrera från WASI Preview 1 till Preview 2 kräver vissa kodändringar, eftersom API:erna har uppdaterats avsevärt. De viktigaste förändringarna inkluderar:

• Asynkron I/O: Alla I/O-operationer är nu asynkrona. Du kommer att behöva uppdatera din kod för att använda de nya asynkrona I/O-API:erna.
• Nätverks-API: Nätverks-API:et har omarbetats. Du kommer att behöva uppdatera din kod för att använda det nya nätverks-API:et.
• Felhantering: Felhanteringsmekanismen har uppdaterats. Du kommer att behöva uppdatera din kod för att hantera de nya felkoderna.

WASI-communityn tillhandahåller dokumentation och verktyg för att hjälpa utvecklare att migrera sin kod från Preview 1 till Preview 2. Det rekommenderas att konsultera dessa resurser innan migreringsprocessen påbörjas.

Verktyg och resurser för WASI-utveckling

En mängd verktyg och resurser finns tillgängliga för att hjälpa utvecklare att bygga WASI-applikationer. Dessa inkluderar:

• WASI SDK: WASI SDK tillhandahåller en verktygskedja för att kompilera C/C++-kod till WebAssembly med WASI-stöd.
• Wasmtime: Wasmtime är en fristående WebAssembly-runtime som stöder WASI.
• Wasmer: Wasmer är en annan WebAssembly-runtime som stöder WASI.
• WASI Community: WASI-communityn tillhandahåller dokumentation, handledningar och exempel för att hjälpa utvecklare att komma igång med WASI.

Framtiden för WASI

WASI är en teknik som utvecklas snabbt. Framtida versioner av WASI förväntas innehålla ännu fler funktioner och förbättringar, såsom:

• Avancerade säkerhetsfunktioner: Förbättrade säkerhetsfunktioner för att skydda mot allt mer sofistikerade attacker.
• Förbättrad prestanda: Ytterligare optimeringar för att förbättra prestandan hos WASI-applikationer.
• Stöd för nya språk: Stöd för fler programmeringsspråk, vilket gör WASI tillgängligt för ett bredare spektrum av utvecklare.
• Standardiserad komponentmodell: Fullständig integration med WebAssembly Component Model, vilket möjliggör skapandet av högst modulära och återanvändbara applikationer.

WASI är på väg att bli en nyckelteknik för framtidens mjukvaruutveckling, vilket möjliggör skapandet av säkra, portabla och högpresterande applikationer som kan köras på vilken plattform som helst.

Slutsats

WASI Preview 2 representerar ett betydande steg framåt i utvecklingen av WebAssembly och erbjuder ett mer robust och mångsidigt systemgränssnitt för att bygga plattformsoberoende applikationer. Dess förbättrade funktioner, inklusive asynkron I/O, förbättrat nätverksstöd och avancerade säkerhetsåtgärder, åtgärdar begränsningarna i Preview 1 och öppnar nya möjligheter för utvecklare. I takt med att WASI fortsätter att utvecklas och mogna, lovar det att revolutionera sättet mjukvara utvecklas och distribueras på, och möjliggöra en framtid där applikationer sömlöst kan köras i olika miljöer, från serverless-plattformar till edge-enheter och bortom. Att anamma WASI Preview 2 är ett strategiskt drag för utvecklare som vill bygga verkligt portabla, säkra och högpresterande applikationer för den moderna världen.