WebAssembly WASI Preview 3: Революція в інтерфейсі системних викликів для Cloud-Native і не тільки

WebAssembly (Wasm) швидко еволюціонував від браузерної технології до потужного середовища виконання для серверних додатків, cloud-native сервісів, edge computing і навіть настільних середовищ. В основі цього розширення лежить WebAssembly System Interface (WASI), стандарт, що розвивається і визначає, як модулі Wasm можуть взаємодіяти з базовою операційною системою. Останні досягнення в WASI Preview 3 являють собою значний крок вперед, представляючи більш надійний, передбачуваний і багатофункціональний інтерфейс системних викликів, який обіцяє розкрити ще більший потенціал для портативних і безпечних обчислень у всьому світі.

Походження WASI: Подолання розриву між Wasm і системою

Спочатку розроблений для веб-браузерів, ізольований характер WebAssembly, притаманна безпека та портативність зробили його привабливим кандидатом для середовищ, відмінних від браузерних. Однак, щоб бути дійсно корисним за межами браузера, модулям Wasm потрібен стандартизований спосіб виконання системних операцій, таких як файловий ввід-вивід, мережевий доступ і отримання змінних середовища. Саме тут вступає WASI. WASI прагне забезпечити узгоджений, заснований на можливостях API, який дозволяє модулям Wasm взаємодіяти з хост-системою безпечним і контрольованим чином, незалежно від базової операційної системи або апаратної архітектури.

Чому WASI? Ключові мотивації та принципи проектування

• Портативність: Основна обіцянка WebAssembly - "запускати де завгодно". WASI розширює це на системні взаємодії, гарантуючи, що модуль Wasm, скомпільований для конкретної цілі WASI, може працювати на будь-якому WASI-сумісному середовищі виконання без змін. Це кардинально змінює правила гри для розповсюдження та розгортання програмного забезпечення в різних середовищах.
• Безпека: Модель безпеки WASI, заснована на можливостях, має першорядне значення. Замість надання широких дозволів, інтерфейси WASI надають конкретні, деталізовані можливості (наприклад, можливість читати з конкретного каталогу або відкрити конкретний мережевий сокет). Це значно зменшує площу атаки порівняно з традиційними виконавчими моделями.
• Сумісність: WASI забезпечує спільну основу для взаємодії різних мов програмування та середовищ виконання. Додаток C++, скомпільований у Wasm, може безперешкодно взаємодіяти з модулем Rust або модулем Go через інтерфейси WASI, сприяючи більш уніфікованій екосистемі розробки.
• Ефективність: WebAssembly розроблено для швидкості та ефективності. Стандартизуючи системні виклики, WASI прагне мінімізувати накладні витрати, пов'язані з міжпроцесорною комунікацією або системними викликами в традиційних середовищах, особливо при виконанні в оптимізованих середовищах виконання Wasm, таких як Wasmtime або Wasmer.

Еволюція до Preview 3: Усунення обмежень і розширення можливостей

Шлях до WASI Preview 3 був ітеративним, спираючись на основи, закладені попередніми специфікаціями, особливо WASI Preview 1. Хоча Preview 1 представив фундаментальні концепції та набір основних API, він мав певні обмеження, які перешкоджали його впровадженню для більш складних випадків використання, особливо в серверних і cloud-native сценаріях. Preview 3 прагне вирішити ці проблеми, удосконалюючи існуючі API та представляючи нові, зосереджуючись на стабільності, чіткості та ширшій застосовності.

Ключові покращення в WASI Preview 3

WASI Preview 3 - це не єдина монолітна зміна, а скоріше набір взаємопов'язаних пропозицій і удосконалень, які разом покращують інтерфейс системних викликів. Хоча точна структура та правила іменування все ще уточнюються, основні теми обертаються навколо забезпечення більш повного та ідіоматичного способу взаємодії модулів Wasm з хост-системами. Ось деякі з найбільш значних областей покращення:

1. Мережевий доступ і підтримка HTTP

Одним з найзначніших обмежень ранніх версій WASI для серверної розробки була відсутність надійних мережевих можливостей. Preview 3 робить значний прогрес у цій області, особливо з розробкою пропозицій HTTP-сервера та клієнта. Вони спрямовані на забезпечення стандартизованого способу для модулів Wasm обробляти вхідні HTTP-запити та здійснювати вихідні HTTP-виклики.

• HTTP Server API: Ця пропозиція визначає інтерфейси для середовищ виконання Wasm, щоб надавати вхідні HTTP-запити модулям Wasm. Це має вирішальне значення для створення веб-серверів, API-шлюзів і мікросервісів повністю в WebAssembly. Розробники можуть писати обробники для конкретних маршрутів, обробляти заголовки та тіла запитів і надсилати назад HTTP-відповіді. Це дозволяє створювати дійсно портативні веб-додатки, які можуть працювати на будь-якому WASI-сумісному середовищі виконання, будь то хмарний провайдер, периферійний пристрій або навіть локальний сервер розробки.
• HTTP Client API: Доповнюючи серверний API, клієнтський API дозволяє модулям Wasm ініціювати вихідні HTTP-запити. Це важливо для інтеграції із зовнішніми сервісами, отримання даних з API та створення мікросервісів, які взаємодіють один з одним. API розроблено таким чином, щоб бути ефективним і безпечним, дозволяючи детально контролювати параметри запитів і обробку відповідей.
• Мережеві можливості (загальні): Окрім HTTP, тривають зусилля зі стандартизації низькорівневих мережевих примітивів, таких як сокетне програмування (TCP/UDP). Хоча це може бути не основним фокусом початкових випусків Preview 3, вони мають вирішальне значення для створення більш складних мережевих додатків і забезпечення широкої сумісності з існуючими мережевими протоколами.

Приклад: Уявіть собі створення serverless API-кінцевої точки за допомогою Rust і WebAssembly. З можливостями HTTP-сервера WASI Preview 3, ваш Rust Wasm модуль міг би прослуховувати вхідні запити, розбирати корисні навантаження JSON, взаємодіяти з базою даних (через інший інтерфейс WASI або функцію, надану хостом) і повертати відповідь JSON, всередині безпечної пісочниці Wasm. Потім цей додаток можна було б розгорнути на різних хмарних платформах без змін, скориставшись узгодженим інтерфейсом WASI.

2. Покращення доступу до файлової системи

Хоча WASI Preview 1 включав базовий доступ до файлової системи через компонент wasi-filesystem, Preview 3 прагне вдосконалити та розширити ці можливості, щоб краще узгодити їх із сучасними операціями файлової системи та забезпечити більш детальний контроль.

• Directory Streams: Покращені механізми для ітерації вмісту каталогу, що дозволяє модулям Wasm ефективно перераховувати файли та підкаталоги.
• File Metadata: Стандартизовані способи доступу до метаданих файлів, таких як дозволи, часові мітки та розмір.
• Асинхронний ввід-вивід: Хоча це все ще активна область розробки, зростає акцент на підтримці асинхронних операцій вводу-виводу файлів, щоб запобігти блокуванню середовища виконання Wasm і покращити загальну продуктивність, особливо в додатках, пов'язаних з вводом-виводом.

Приклад: Додатку для обробки даних, написаному на Go та скомпільованому у Wasm, може знадобитися читати кілька файлів конфігурації з конкретного каталогу. Покращені API файлової системи WASI Preview 3 дозволять йому безпечно та ефективно перераховувати файли, читати їх вміст і обробляти їх, дотримуючись певних каталогів, до яких середовище виконання Wasm надало йому доступ.

3. Годинники та таймери

Точний облік часу та можливість планувати операції є фундаментальними для багатьох додатків. Preview 3 уточнює та стандартизує інтерфейси для доступу до системних годинників і встановлення таймерів.

• Монотонні годинники: Забезпечує доступ до годинників, які гарантовано завжди збільшуються, підходять для вимірювання часових інтервалів і виявлення регресій продуктивності.
• Системний час: Дозволяє доступ до поточної дати та часу, корисно для ведення журналів, планування та функцій, орієнтованих на користувача.
• Таймери: Дозволяє модулям Wasm планувати асинхронні події або зворотні виклики після заданої затримки, що має вирішальне значення для створення чутливих додатків і реалізації тайм-аутів.

Приклад: Фоновий робочий процес у Wasm може використовувати інтерфейси таймера для періодичної перевірки наявності оновлень або виконання запланованих завдань з обслуговування. Він також може використовувати монотонні годинники для вимірювання тривалості критичних операцій у модулі.

4. Змінні середовища та аргументи

Доступ до змінних середовища та аргументів командного рядка є загальною вимогою для налаштування додатків. Preview 3 закріплює ці інтерфейси, полегшуючи динамічне налаштування модулів Wasm під час виконання.

• Змінні середовища: Забезпечує безпечний спосіб читання змінних середовища, які хост-середовище виконання явно передало модулю Wasm.
• Аргументи командного рядка: Дозволяє модулям Wasm отримувати доступ до аргументів, переданих їм, коли вони викликаються хостом.

Приклад: Утиліта на основі Wasm, яка потребує рядка підключення до бази даних, може прочитати цей рядок зі змінної середовища, встановленої оркестратором контейнерів, або з аргументів командного рядка, наданих користувачем, роблячи модуль Wasm дуже гнучким без перекомпіляції.

5. Стандартизована обробка помилок і можливості

Окрім конкретних функціональних API, Preview 3 також зосереджується на покращенні загальних принципів проектування WASI, включаючи обробку помилок і модель безпеки на основі можливостей.

• Більш чітке повідомлення про помилки: Ведуться роботи над наданням більш стандартизованих та інформативних кодів помилок і повідомлень від системних викликів WASI, що робить налагодження та обробку помилок у модулях Wasm простішим.
• Удосконалене керування можливостями: Модель на основі можливостей ітеративно вдосконалюється, щоб забезпечити її достатню потужність для складних додатків і легкість реалізації та керування для середовищ виконання. Це включає вивчення способів безпечної передачі можливостей між модулями Wasm.

Вплив WASI Preview 3 на різні обчислювальні парадигми

Покращення в WASI Preview 3 мають далекосяжні наслідки в різних обчислювальних областях:

Cloud-Native та Serverless обчислення

Це, мабуть, те, де WASI Preview 3 матиме найбільш безпосередній і глибокий вплив. Завдяки забезпеченню надійної підтримки HTTP і покращеного вводу-виводу файлів, модулі Wasm з підтримкою WASI стають першокласними громадянами для створення мікросервісів, API та serverless функцій.

• Зменшення холодних стартів: Середовища виконання Wasm часто мають значно швидший час холодного старту порівняно з традиційними контейнерами або віртуальними машинами, що є вирішальною перевагою для serverless додатків.
• Підвищена безпека: Властива ізоляція та безпека Wasm і WASI, заснована на можливостях, є дуже привабливими для багатокористувацьких хмарних середовищ, зменшуючи ризик впливу одного робочого навантаження на інше.
• Різноманітність мов: Розробники можуть використовувати свої улюблені мови (Rust, Go, C++, AssemblyScript тощо) для створення cloud-native сервісів, які компілюються у Wasm, сприяючи більшому вибору та продуктивності розробників.
• Портативність між хмарними провайдерами: Мікросервіс Wasm, створений за допомогою WASI, теоретично може працювати на будь-якому хмарному провайдері, який пропонує WASI-сумісне середовище виконання, зменшуючи залежність від постачальника.

Edge Computing

Edge пристрої часто мають обмежені ресурси та унікальні мережеві обмеження. Легка природа WASI та передбачувана продуктивність роблять його ідеальним для розгортання на периферії.

• Ефективність ресурсів: Модулі Wasm споживають менше ресурсів, ніж традиційні контейнери, що робить їх придатними для edge пристроїв з обмеженими ресурсами.
• Безпечні віддалені оновлення: Можливість безпечного розгортання та оновлення модулів Wasm віддалено є значною перевагою для керування парками edge пристроїв.
• Узгоджена логіка між Edge і Cloud: Розробники можуть писати логіку один раз у Wasm і розгортати її узгоджено від хмари до периферії, спрощуючи розробку та обслуговування.

Настільні додатки та системи плагінів

Хоча браузер залишається ключовою ціллю, WASI відкриває двері для Wasm за межами вебу. Настільні програми можуть використовувати Wasm для архітектур плагінів або для безпечного запуску ненадійного коду.

• Безпечні архітектури плагінів: Такі програми, як редактори або IDE, можуть використовувати модулі Wasm як плагіни, забезпечуючи безпечне та ізольоване середовище для сторонніх розширень.
• Крос-платформні додатки: Програми Wasm з WASI можуть запропонувати більш стандартизований спосіб створення крос-платформних настільних програм, хоча для UI/UX, специфічного для платформи, все ще може знадобитися власний код.

Вбудовані системи

Для більш просунутих вбудованих систем контрольована взаємодія WASI з апаратним забезпеченням і системними ресурсами може бути корисною, особливо в поєднанні з операційними системами реального часу (RTOS), які мають реалізації середовища виконання WASI.

Виклики та подальший шлях

Незважаючи на величезний прогрес, екосистема WASI все ще розвивається. Існує кілька викликів і областей для подальшої розробки:

• Темпи стандартизації: Хоча WASI Preview 3 є важливим кроком, сам стандарт WASI все ще розвивається. Слідкувати за останніми пропозиціями та забезпечувати сумісність між різними середовищами виконання може бути проблемою для розробників.
• Реалізації середовища виконання: Якість і повнота функцій реалізацій WASI може відрізнятися між середовищами виконання, такими як Wasmtime, Wasmer та інші. Розробникам потрібно вибирати середовища виконання, які найкраще підтримують інтерфейси WASI, на які вони покладаються.
• Інструменти та налагодження: Хоча інструменти швидко вдосконалюються, досвід розробки для Wasm з WASI, включаючи налагодження та профілювання, все ще є областю, де досягаються значні успіхи.
• Сумісність з існуючими системами: Безперешкодна інтеграція модулів Wasm з існуючими кодовими базами, які не є Wasm, і застарілими системами вимагає чітко визначених інтерфейсів і ретельного архітектурного планування.
• Системні ресурси та можливості: Збалансування потреби модулів Wasm у виконанні корисних системних операцій з моделлю безпеки WASI є постійною проблемою. Визначення точного набору можливостей і способу їх керування буде продовжувати вдосконалюватися.

Майбутнє WASI: До обчислень загального призначення

WASI Preview 3 є важливою віхою, але це частина більшого бачення зробити WebAssembly справді універсальним середовищем виконання. Очікується, що майбутні ітерації WASI включатимуть:

• Більш складні мережі: Підтримка більш просунутих мережевих протоколів і конфігурацій.
• Графіка та UI: Хоча це не основний фокус, є дослідження щодо того, як Wasm може взаємодіяти з графічними бібліотеками та фреймворками UI, потенційно для настільних або вбудованих випадків використання.
• Керування процесами: Стандартизовані способи створення та керування дочірніми процесами або потоками в середовищі Wasm.
• Взаємодія з обладнанням: Більш прямі, але безпечні способи взаємодії з конкретними апаратними функціями, особливо актуальні для IoT і вбудованих систем.

Висновок: Зустрічаємо майбутнє з WASI Preview 3

WebAssembly System Interface (WASI) Preview 3 знаменує собою критичну еволюцію у перетворенні WebAssembly на потужне, безпечне та портативне рішення для широкого спектру обчислювальних завдань, що виходить далеко за межі браузера. Покращений інтерфейс системних викликів, особливо з його досягненнями в мережах, доступі до файлової системи та керуванні годинником, готовий прискорити впровадження Wasm у cloud-native, serverless і edge обчислювальних середовищах у всьому світі.

Для розробників і організацій у всьому світі розуміння та впровадження WASI Preview 3 пропонує шлях до створення більш стійких, безпечних і сумісних додатків. Обіцянка "написати один раз, запустити де завгодно" стає відчутною реальністю для системного програмування, сприяючи інноваціям та ефективності в різних технологічних ландшафтах. Оскільки стандарт WASI та його реалізації продовжують розвиватися, ми можемо очікувати, що WebAssembly відіграватиме ще більш центральну роль у майбутньому розробки програмного забезпечення.

Ключові висновки для впровадження WASI Preview 3:

• Дослідіть середовища виконання Wasm: Ознайомтеся з провідними WASI-сумісними середовищами виконання, такими як Wasmtime і Wasmer.
• Використовуйте інструменти мови: Дослідіть, як ваші улюблені мови програмування компілюються у Wasm з підтримкою WASI.
• Зрозумійте безпеку, засновану на можливостях: Розробляйте свої програми Wasm з урахуванням моделі безпеки WASI.
• Почніть з Serverless/Мікросервісів: Це найбільш безпосередні випадки використання, які отримують вигоду від покращень Preview 3.
• Будьте в курсі: Специфікація WASI є рухомою ціллю; будьте в курсі останніх розробок і пропозицій.

Ера WebAssembly як середовища виконання загального призначення настала, і WASI Preview 3 є монументальним кроком у цьому напрямку.