WebAssembly WASI Preview 3: Một cuộc cách mạng trong Giao diện Gọi Hệ thống cho Điện toán Đám mây và Hơn thế nữa

WebAssembly (Wasm) đã nhanh chóng phát triển từ một công nghệ tập trung vào trình duyệt thành một thời gian chạy mạnh mẽ cho các ứng dụng phía máy chủ, dịch vụ gốc trên đám mây, điện toán biên và thậm chí cả môi trường máy tính để bàn. Trọng tâm của sự mở rộng này nằm ở Giao diện Hệ thống WebAssembly (WASI), một tiêu chuẩn đang phát triển xác định cách các mô-đun Wasm có thể tương tác với hệ điều hành cơ bản. Những tiến bộ gần đây trong WASI Preview 3 đại diện cho một bước tiến đáng kể, giới thiệu một giao diện gọi hệ thống mạnh mẽ hơn, có thể dự đoán được và giàu tính năng hơn, hứa hẹn sẽ mở ra tiềm năng lớn hơn nữa cho điện toán di động và an toàn trên toàn thế giới.

Nguồn gốc của WASI: Thu hẹp khoảng cách giữa Wasm và Hệ thống

Ban đầu được thiết kế cho trình duyệt web, bản chất hộp cát của WebAssembly, tính bảo mật và tính di động vốn có đã khiến nó trở thành một ứng cử viên hấp dẫn cho các môi trường không phải trình duyệt. Tuy nhiên, để thực sự hữu ích bên ngoài trình duyệt, các mô-đun Wasm cần một cách tiêu chuẩn hóa để thực hiện các hoạt động cấp hệ thống như I/O tệp, truy cập mạng và truy xuất biến môi trường. Đây chính xác là nơi WASI bước vào. WASI nhằm mục đích cung cấp một API nhất quán, dựa trên khả năng cho phép các mô-đun Wasm tương tác với hệ thống máy chủ một cách an toàn và được kiểm soát, bất kể hệ điều hành hoặc kiến ​​trúc phần cứng cơ bản.

Tại sao WASI? Động lực và Nguyên tắc Thiết kế Chính

• Tính di động: Lời hứa cốt lõi của WebAssembly là "chạy ở mọi nơi". WASI mở rộng điều này sang các tương tác hệ thống, đảm bảo rằng một mô-đun Wasm được biên dịch cho một mục tiêu WASI cụ thể có thể chạy trên bất kỳ thời gian chạy tuân thủ WASI nào mà không cần sửa đổi. Đây là một yếu tố thay đổi cuộc chơi đối với việc phân phối và triển khai phần mềm trong các môi trường đa dạng.
• Bảo mật: Mô hình bảo mật dựa trên khả năng của WASI là tối quan trọng. Thay vì cấp các quyền rộng rãi, các giao diện WASI cấp các khả năng cụ thể, chi tiết (ví dụ: khả năng đọc từ một thư mục cụ thể hoặc mở một socket mạng cụ thể). Điều này làm giảm đáng kể bề mặt tấn công so với các mô hình thực thi truyền thống.
• Khả năng tương tác: WASI cung cấp một nền tảng chung cho các ngôn ngữ lập trình và thời gian chạy khác nhau để tương tác. Một ứng dụng C++ được biên dịch sang Wasm có thể tương tác liền mạch với một mô-đun Rust hoặc một mô-đun Go thông qua giao diện WASI, thúc đẩy một hệ sinh thái phát triển thống nhất hơn.
• Hiệu quả: WebAssembly được thiết kế để nhanh chóng và hiệu quả. Bằng cách tiêu chuẩn hóa các lệnh gọi hệ thống, WASI nhằm mục đích giảm thiểu chi phí liên quan đến giao tiếp giữa các quy trình hoặc lệnh gọi hệ thống trong các môi trường truyền thống, đặc biệt khi được thực thi trong các thời gian chạy Wasm được tối ưu hóa như Wasmtime hoặc Wasmer.

Sự phát triển lên Preview 3: Giải quyết các hạn chế và mở rộng khả năng

Hành trình đến WASI Preview 3 mang tính lặp đi lặp lại, xây dựng dựa trên nền tảng được đặt ra bởi các thông số kỹ thuật trước đó, đáng chú ý nhất là WASI Preview 1. Trong khi Preview 1 giới thiệu các khái niệm nền tảng và một tập hợp các API cốt lõi, nó có một số hạn chế cản trở việc áp dụng nó cho các trường hợp sử dụng phức tạp hơn, đặc biệt là trong các tình huống phía máy chủ và gốc trên đám mây. Preview 3 nhằm mục đích giải quyết những vấn đề này bằng cách tinh chỉnh các API hiện có và giới thiệu các API mới, tập trung vào tính ổn định, rõ ràng và khả năng áp dụng rộng rãi hơn.

Các cải tiến chính trong WASI Preview 3

WASI Preview 3 không phải là một thay đổi nguyên khối duy nhất mà là một tập hợp các đề xuất và tinh chỉnh được kết nối với nhau, tập thể nâng cao giao diện gọi hệ thống. Mặc dù cấu trúc và quy ước đặt tên chính xác vẫn đang được củng cố, nhưng các chủ đề cốt lõi xoay quanh việc cung cấp một cách toàn diện và thành ngữ hơn để các mô-đun Wasm tương tác với các hệ thống máy chủ. Dưới đây là một số lĩnh vực cải tiến quan trọng nhất:

1. Truy cập Mạng và Hỗ trợ HTTP

Một trong những hạn chế đáng kể nhất của các phiên bản WASI ban đầu để phát triển phía máy chủ là thiếu khả năng kết nối mạng mạnh mẽ. Preview 3 đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này, đặc biệt là với sự phát triển của các đề xuất máy chủ và máy khách HTTP. Chúng nhằm mục đích cung cấp một cách tiêu chuẩn hóa để các mô-đun Wasm xử lý các yêu cầu HTTP đến và thực hiện các cuộc gọi HTTP đi.

• API Máy chủ HTTP: Đề xuất này xác định các giao diện để thời gian chạy Wasm hiển thị các yêu cầu HTTP đến cho các mô-đun Wasm. Điều này rất quan trọng để xây dựng các máy chủ web, cổng API và vi dịch vụ hoàn toàn trong WebAssembly. Các nhà phát triển có thể viết trình xử lý cho các tuyến đường cụ thể, xử lý các tiêu đề và nội dung yêu cầu và gửi lại các phản hồi HTTP. Điều này cho phép tạo ra các ứng dụng web thực sự di động có thể chạy trên bất kỳ thời gian chạy tuân thủ WASI nào, cho dù đó là nhà cung cấp đám mây, thiết bị biên hay thậm chí là máy chủ phát triển cục bộ.
• API Máy khách HTTP: Bổ sung cho API máy chủ, API máy khách cho phép các mô-đun Wasm khởi tạo các yêu cầu HTTP đi. Điều này cần thiết để tích hợp với các dịch vụ bên ngoài, tìm nạp dữ liệu từ API và xây dựng các vi dịch vụ giao tiếp với nhau. API được thiết kế để hiệu quả và an toàn, cho phép kiểm soát chi tiết các tham số yêu cầu và xử lý phản hồi.
• Khả năng kết nối mạng (Chung): Ngoài HTTP, còn có những nỗ lực liên tục để tiêu chuẩn hóa các nguyên thủy kết nối mạng cấp thấp hơn, chẳng hạn như lập trình socket (TCP/UDP). Mặc dù đây có thể không phải là trọng tâm chính của các bản phát hành Preview 3 ban đầu, nhưng chúng rất quan trọng để xây dựng các ứng dụng mạng phức tạp hơn và đảm bảo khả năng tương thích rộng rãi với các giao thức mạng hiện có.

Ví dụ: Hãy tưởng tượng việc xây dựng một điểm cuối API không máy chủ bằng Rust và WebAssembly. Với các khả năng máy chủ HTTP của WASI Preview 3, mô-đun Rust Wasm của bạn có thể lắng nghe các yêu cầu đến, phân tích cú pháp các tải trọng JSON, tương tác với cơ sở dữ liệu (thông qua một giao diện WASI khác hoặc một hàm do máy chủ cung cấp) và trả về phản hồi JSON, tất cả trong hộp cát Wasm an toàn. Sau đó, ứng dụng này có thể được triển khai trên các nền tảng đám mây khác nhau mà không cần sửa đổi, hưởng lợi từ giao diện WASI nhất quán.

2. Các cải tiến về truy cập hệ thống tệp

Trong khi WASI Preview 1 bao gồm truy cập hệ thống tệp cơ bản thông qua thành phần wasi-filesystem, Preview 3 nhằm mục đích tinh chỉnh và mở rộng các khả năng này để phù hợp hơn với các hoạt động hệ thống tệp hiện đại và cung cấp khả năng kiểm soát chi tiết hơn.

• Luồng thư mục: Các cơ chế cải tiến để lặp lại nội dung thư mục, cho phép các mô-đun Wasm liệt kê các tệp và thư mục con một cách hiệu quả.
• Siêu dữ liệu tệp: Các cách tiêu chuẩn hóa để truy cập siêu dữ liệu tệp như quyền, dấu thời gian và kích thước.
• I/O không đồng bộ: Mặc dù vẫn là một lĩnh vực phát triển tích cực, nhưng ngày càng có nhiều sự nhấn mạnh vào việc hỗ trợ các hoạt động I/O tệp không đồng bộ để ngăn chặn việc chặn thời gian chạy Wasm và cải thiện hiệu suất tổng thể, đặc biệt là trong các ứng dụng bị ràng buộc I/O.

Ví dụ: Một ứng dụng xử lý dữ liệu được viết bằng Go và được biên dịch sang Wasm có thể cần đọc nhiều tệp cấu hình từ một thư mục cụ thể. Các API hệ thống tệp nâng cao của WASI Preview 3 sẽ cho phép nó liệt kê một cách an toàn và hiệu quả các tệp, đọc nội dung của chúng và xử lý chúng, đồng thời tôn trọng các thư mục cụ thể mà thời gian chạy Wasm đã cấp cho nó quyền truy cập.

3. Đồng hồ và Bộ hẹn giờ

Việc giữ thời gian chính xác và khả năng lên lịch các hoạt động là nền tảng cho nhiều ứng dụng. Preview 3 làm rõ và tiêu chuẩn hóa các giao diện để truy cập đồng hồ hệ thống và đặt bộ hẹn giờ.

• Đồng hồ đơn điệu: Cung cấp quyền truy cập vào đồng hồ được đảm bảo luôn tăng, phù hợp để đo khoảng thời gian và phát hiện các hồi quy hiệu suất.
• Thời gian đồng hồ treo tường: Cho phép truy cập vào ngày và giờ hiện tại, hữu ích cho việc ghi nhật ký, lên lịch và các tính năng hướng đến người dùng.
• Bộ hẹn giờ: Cho phép các mô-đun Wasm lên lịch các sự kiện hoặc gọi lại không đồng bộ sau một khoảng thời gian trễ được chỉ định, rất quan trọng để xây dựng các ứng dụng đáp ứng và triển khai thời gian chờ.

Ví dụ: Một quy trình làm việc nền trong Wasm có thể sử dụng các giao diện hẹn giờ để định kỳ kiểm tra các bản cập nhật hoặc thực hiện các tác vụ bảo trì theo lịch trình. Nó cũng có thể sử dụng đồng hồ đơn điệu để đo thời lượng của các hoạt động quan trọng trong mô-đun.

4. Biến môi trường và Đối số

Truy cập các biến môi trường và đối số dòng lệnh là một yêu cầu phổ biến để định cấu hình ứng dụng. Preview 3 củng cố các giao diện này, giúp các mô-đun Wasm dễ dàng được định cấu hình động tại thời gian chạy.

• Biến môi trường: Cung cấp một cách an toàn để đọc các biến môi trường mà thời gian chạy máy chủ đã chuyển một cách rõ ràng đến mô-đun Wasm.
• Đối số dòng lệnh: Cho phép các mô-đun Wasm truy cập các đối số được truyền cho chúng khi chúng được gọi bởi máy chủ.

Ví dụ: Một tiện ích dựa trên Wasm yêu cầu chuỗi kết nối cơ sở dữ liệu có thể đọc chuỗi này từ một biến môi trường được đặt bởi trình điều phối vùng chứa hoặc các đối số dòng lệnh do người dùng cung cấp, làm cho mô-đun Wasm có thể định cấu hình cao mà không cần biên dịch lại.

5. Xử lý lỗi và khả năng được tiêu chuẩn hóa

Ngoài các API chức năng cụ thể, Preview 3 còn tập trung vào việc cải thiện các nguyên tắc thiết kế tổng thể của WASI, bao gồm xử lý lỗi và mô hình bảo mật dựa trên khả năng.

• Báo cáo lỗi rõ ràng hơn: Các nỗ lực đang được tiến hành để cung cấp mã và thông báo lỗi được tiêu chuẩn hóa và nhiều thông tin hơn từ các lệnh gọi hệ thống WASI, giúp gỡ lỗi và xử lý lỗi trong các mô-đun Wasm trở nên đơn giản hơn.
• Quản lý khả năng tinh chỉnh: Mô hình dựa trên khả năng đang được lặp lại để đảm bảo nó đủ mạnh cho các ứng dụng phức tạp và dễ dàng cho thời gian chạy để triển khai và quản lý. Điều này bao gồm khám phá các cách để truyền các khả năng giữa các mô-đun Wasm một cách an toàn.

Tác động của WASI Preview 3 đối với các mô hình điện toán khác nhau

Các cải tiến trong WASI Preview 3 có những tác động sâu rộng trên các lĩnh vực điện toán khác nhau:

Điện toán đám mây và không máy chủ

Đây có lẽ là nơi WASI Preview 3 sẽ có tác động ngay lập tức và sâu sắc nhất. Bằng cách cung cấp hỗ trợ HTTP mạnh mẽ và I/O tệp nâng cao, các mô-đun Wasm hỗ trợ WASI đang trở thành công dân hạng nhất để xây dựng các vi dịch vụ, API và chức năng không máy chủ.

• Giảm khởi động nguội: Thời gian chạy Wasm thường có thời gian khởi động nguội nhanh hơn đáng kể so với các vùng chứa hoặc VM truyền thống, một lợi ích quan trọng đối với các ứng dụng không máy chủ.
• Bảo mật nâng cao: Hộp cát vốn có và bảo mật dựa trên khả năng của Wasm và WASI rất hấp dẫn đối với các môi trường đám mây nhiều người thuê, giảm nguy cơ một khối lượng công việc ảnh hưởng đến khối lượng công việc khác.
• Sự đa dạng của ngôn ngữ: Các nhà phát triển có thể tận dụng các ngôn ngữ ưa thích của họ (Rust, Go, C++, AssemblyScript, v.v.) để xây dựng các dịch vụ gốc trên đám mây biên dịch sang Wasm, thúc đẩy sự lựa chọn và năng suất của nhà phát triển lớn hơn.
• Tính di động trên các nhà cung cấp đám mây: Một vi dịch vụ Wasm được xây dựng bằng WASI về mặt lý thuyết có thể chạy trên bất kỳ nhà cung cấp đám mây nào cung cấp thời gian chạy tuân thủ WASI, giảm tình trạng khóa nhà cung cấp.

Điện toán biên

Các thiết bị biên thường có tài nguyên hạn chế và các ràng buộc kết nối mạng duy nhất. Bản chất nhẹ và hiệu suất có thể dự đoán của WASI làm cho nó trở nên lý tưởng cho việc triển khai biên.

• Hiệu quả tài nguyên: Các mô-đun Wasm tiêu thụ ít tài nguyên hơn so với các vùng chứa truyền thống, khiến chúng phù hợp với các thiết bị biên bị hạn chế tài nguyên.
• Cập nhật từ xa an toàn: Khả năng triển khai và cập nhật an toàn các mô-đun Wasm từ xa là một lợi thế đáng kể để quản lý các đội thiết bị biên.
• Logic nhất quán trên Edge và Cloud: Các nhà phát triển có thể viết logic một lần trong Wasm và triển khai nó một cách nhất quán từ đám mây đến biên, đơn giản hóa việc phát triển và bảo trì.

Ứng dụng máy tính để bàn và Hệ thống plugin

Trong khi trình duyệt vẫn là một mục tiêu chính, WASI mở ra cánh cửa cho Wasm vượt ra ngoài web. Các ứng dụng máy tính để bàn có thể tận dụng Wasm cho kiến ​​trúc plugin hoặc để chạy mã không đáng tin cậy một cách an toàn.

• Kiến ​​trúc plugin an toàn: Các ứng dụng như trình chỉnh sửa hoặc IDE có thể sử dụng các mô-đun Wasm làm plugin, cung cấp một môi trường an toàn và hộp cát cho các tiện ích mở rộng của bên thứ ba.
• Ứng dụng đa nền tảng: Các ứng dụng Wasm, với WASI, có thể cung cấp một cách tiêu chuẩn hóa hơn để xây dựng các ứng dụng máy tính để bàn đa nền tảng, mặc dù UI/UX dành riêng cho nền tảng vẫn có thể yêu cầu mã gốc.

Hệ thống nhúng

Đối với các hệ thống nhúng tiên tiến hơn, tương tác được kiểm soát của WASI với phần cứng và tài nguyên hệ thống có thể có lợi, đặc biệt khi kết hợp với các hệ điều hành thời gian thực (RTOS) có triển khai thời gian chạy WASI.

Những thách thức và con đường phía trước

Bất chấp những tiến bộ to lớn, hệ sinh thái WASI vẫn đang trưởng thành. Một số thách thức và lĩnh vực để tiếp tục phát triển tồn tại:

• Tốc độ tiêu chuẩn hóa: Mặc dù WASI Preview 3 là một bước tiến lớn, nhưng bản thân tiêu chuẩn WASI vẫn đang phát triển. Theo kịp các đề xuất mới nhất và đảm bảo khả năng tương thích trên các thời gian chạy khác nhau có thể là một thách thức đối với các nhà phát triển.
• Triển khai thời gian chạy: Chất lượng và tính năng hoàn chỉnh của các triển khai WASI có thể khác nhau giữa các thời gian chạy như Wasmtime, Wasmer và các thời gian chạy khác. Các nhà phát triển cần chọn thời gian chạy hỗ trợ tốt nhất các giao diện WASI mà họ dựa vào.
• Công cụ và Gỡ lỗi: Mặc dù công cụ đang được cải thiện nhanh chóng, nhưng trải nghiệm phát triển cho Wasm với WASI, bao gồm gỡ lỗi và lập hồ sơ, vẫn là một lĩnh vực mà những tiến bộ đáng kể đang được thực hiện.
• Khả năng tương tác với các hệ thống hiện có: Tích hợp liền mạch các mô-đun Wasm với các cơ sở mã không phải Wasm hiện có và các hệ thống kế thừa đòi hỏi các giao diện được xác định rõ ràng và lập kế hoạch kiến ​​trúc cẩn thận.
• Tài nguyên và khả năng của hệ thống: Cân bằng nhu cầu của các mô-đun Wasm để thực hiện các hoạt động hệ thống hữu ích với mô hình bảo mật của WASI là một thách thức đang diễn ra. Việc xác định tập hợp chính xác các khả năng và cách chúng được quản lý sẽ tiếp tục được tinh chỉnh.

Tương lai của WASI: Hướng tới Điện toán Đa năng

WASI Preview 3 là một cột mốc quan trọng, nhưng nó là một phần của tầm nhìn lớn hơn để biến WebAssembly thành một thời gian chạy thực sự phổ quát. Các lần lặp lại trong tương lai của WASI dự kiến ​​sẽ bao gồm:

• Kết nối mạng phức tạp hơn: Hỗ trợ các giao thức và cấu hình kết nối mạng tiên tiến hơn.
• Đồ họa và UI: Mặc dù không phải là trọng tâm cốt lõi, nhưng có những khám phá về cách Wasm có thể giao tiếp với các thư viện đồ họa và khung UI, có thể cho các trường hợp sử dụng trên máy tính để bàn hoặc nhúng.
• Quản lý quy trình: Các cách tiêu chuẩn hóa để tạo và quản lý các quy trình hoặc luồng con trong môi trường Wasm.
• Tương tác phần cứng: Các cách trực tiếp hơn, nhưng an toàn để tương tác với các tính năng phần cứng cụ thể, đặc biệt phù hợp với IoT và các hệ thống nhúng.

Kết luận: Nắm bắt tương lai với WASI Preview 3

Giao diện Hệ thống WebAssembly (WASI) Preview 3 đánh dấu một sự phát triển quan trọng trong việc biến WebAssembly thành một giải pháp mạnh mẽ, an toàn và di động cho một loạt các tác vụ điện toán, mở rộng ra ngoài trình duyệt. Giao diện gọi hệ thống nâng cao, đặc biệt với những tiến bộ của nó trong kết nối mạng, truy cập hệ thống tệp và quản lý đồng hồ, sẵn sàng đẩy nhanh việc áp dụng Wasm trong các môi trường điện toán đám mây, không máy chủ và biên trên toàn cầu.

Đối với các nhà phát triển và tổ chức trên toàn thế giới, việc hiểu và áp dụng WASI Preview 3 cung cấp một con đường để xây dựng các ứng dụng linh hoạt, an toàn và có khả năng tương tác cao hơn. Lời hứa về "viết một lần, chạy ở mọi nơi" đang trở thành một thực tế hữu hình cho lập trình cấp hệ thống, thúc đẩy sự đổi mới và hiệu quả trên các lĩnh vực công nghệ đa dạng. Khi tiêu chuẩn WASI và việc triển khai của nó tiếp tục trưởng thành, chúng ta có thể mong đợi WebAssembly sẽ đóng một vai trò thậm chí còn quan trọng hơn trong tương lai của phát triển phần mềm.

Những điểm chính để áp dụng WASI Preview 3:

• Khám phá Thời gian chạy Wasm: Làm quen với các thời gian chạy tuân thủ WASI hàng đầu như Wasmtime và Wasmer.
• Tận dụng Chuỗi công cụ ngôn ngữ: Điều tra cách các ngôn ngữ lập trình ưa thích của bạn đang biên dịch sang Wasm với hỗ trợ WASI.
• Hiểu Bảo mật Dựa trên Khả năng: Thiết kế các ứng dụng Wasm của bạn với mô hình bảo mật của WASI.
• Bắt đầu với Không máy chủ/Vi dịch vụ: Đây là những trường hợp sử dụng ngay lập tức nhất được hưởng lợi từ các cải tiến của Preview 3.
• Luôn cập nhật: Thông số kỹ thuật WASI là một mục tiêu di chuyển; theo dõi các phát triển và đề xuất mới nhất.

Kỷ nguyên của WebAssembly như một thời gian chạy đa năng đang đến với chúng ta và WASI Preview 3 là một bước tiến lớn theo hướng đó.