作者 | Dan Mihai Dumitriu

譯者 | 張怡

WebAssembly（簡(jiǎn)稱Wasm）是一種虛擬指令集體系架構(gòu)（virtual ISA）。Wasm支持輕量級(jí)、高效、安全的運(yùn)行，非常適合資源有限的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）設(shè)備。它還具有靈活性和平臺(tái)獨(dú)立性，因此很容易為各種硬件平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用程序。

隨著萬(wàn)物互聯(lián)程度越來(lái)越高，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng)。這些設(shè)備有各種各樣的形狀和尺寸，從巨大的工業(yè)機(jī)器到微型傳感器。雖然較大的設(shè)備可能運(yùn)行在Linux或其他操作系統(tǒng)上，但較小的或者微型設(shè)備需要不同的方法。

為什么WebAssembly (Wasm)是小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的完美選擇呢？因?yàn)檫@些設(shè)備對(duì)于Linux來(lái)說(shuō)太“大材小用”了，它們可能只需要使用電池供電。

1、挑戰(zhàn)

首先，讓我們看看在小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上運(yùn)行傳統(tǒng)操作系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。通常這些設(shè)備功耗較低，內(nèi)存和存儲(chǔ)容量有限。如果運(yùn)行一個(gè)大的操作系統(tǒng)（如Linux）會(huì)浪費(fèi)大量的資源，這可能很快就耗盡了設(shè)備的電池壽命。

此外，這些小型設(shè)備可能缺少支持完整Linux操作系統(tǒng)所需的硬件，例如硬件虛擬內(nèi)存所需的內(nèi)存管理單元（MMU）。小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）——例如FreeRTOS、ThreadX和NuttX。因此，我們無(wú)法在這些微小的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上使用Linux容器（又名Docker）。

其次，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備嵌入式開發(fā)周期與云軟件有很大不同。盡管對(duì)代碼進(jìn)行更改并不復(fù)雜，但將其交付給最終客戶卻要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。通常，每個(gè)月都有一次代碼凍結(jié)，在此期間，所有修改都要經(jīng)過(guò)完整的硬件在環(huán)測(cè)試，甚至還需要在許多不同類型的設(shè)備上進(jìn)行。

在成功測(cè)試新版本之后，將啟動(dòng)分階段部署流程，以避免固件更新、客戶投訴或服務(wù)升級(jí)等帶來(lái)的問(wèn)題。對(duì)于大多數(shù)客戶來(lái)說(shuō)，即使更改一個(gè)微小的代碼到交付，可能也需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間。在敏捷開發(fā)和云時(shí)代，這個(gè)過(guò)程不再被接受。

2、WebAssembly

Wasm是基于堆棧的虛擬機(jī)和字節(jié)碼格式的。最初是為Web瀏覽器插件設(shè)計(jì)的，但并不局限于Web應(yīng)用程序。它是一個(gè)高效的多功能的運(yùn)行環(huán)境，可廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用程序——包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。而且Wasm設(shè)計(jì)小巧，這使得它非常適合小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

Wasm模塊的大小通常為幾千字節(jié)，比典型的Linux內(nèi)核或Linux容器要小得多。這種小尺寸意味著Wasm可以在內(nèi)存和存儲(chǔ)容量有限的設(shè)備上運(yùn)行，并具有良好的性能。

將Wasm用于IoT設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它是一個(gè)獨(dú)立于平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境。這意味著Wasm模塊可以用任何編程語(yǔ)言編寫，并在任何支持Wasm的平臺(tái)上執(zhí)行。這種靈活性使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)應(yīng)用程序變得更加容易，無(wú)論硬件或軟件環(huán)境如何都不用發(fā)愁。

開發(fā)人員可以選用他們喜歡的、擅長(zhǎng)的編程語(yǔ)言編寫代碼，然后將其編譯和在目標(biāo)設(shè)備上執(zhí)行。像C/C++、Rust、JavaScript都得到了很好的支持。當(dāng)然也存在一些語(yǔ)言不太友好，但隨著Wasm不斷的規(guī)范化發(fā)展而得到完善。

Wasm組件在沙箱環(huán)境中執(zhí)行，這意味著它們與系統(tǒng)的其余部分是隔離的。這使得攻擊者很難利用系統(tǒng)中的漏洞，因?yàn)樗麄儫o(wú)法訪問(wèn)底層操作系統(tǒng)或硬件。這對(duì)于沒(méi)有虛擬內(nèi)存的小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備尤其重要。此外，Wasm可以在部署之前進(jìn)行驗(yàn)證和簽名，這為系統(tǒng)額外增加了一層安全保護(hù)。

一些Wasm運(yùn)行環(huán)境支持AoT（Ahead of Time，運(yùn)行前編譯），它接受Wasm字節(jié)碼并生成目標(biāo)機(jī)代碼（CPU/MCU）。這在小型IoT設(shè)備的運(yùn)行中非常有用，甚至是必不可少的，因?yàn)檫@些設(shè)備可能沒(méi)有可用的CPU和內(nèi)存來(lái)執(zhí)行JIT（即時(shí)編譯），就像我們通常在云端或電腦桌面上做的那樣。

AoT編譯可以成為云服務(wù)的一部分，該服務(wù)同時(shí)管理著部署在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上軟件的運(yùn)行。AoT編譯的代碼幾乎以本機(jī)速度運(yùn)行，比Micropython等解釋性語(yǔ)言（直譯語(yǔ)言）快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

3、發(fā)展

雖然Wasm已經(jīng)出現(xiàn)好幾年了，但它仍然是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)。與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言和架構(gòu)相比，Wasm可用的工具和庫(kù)并不多。Wasm的某些規(guī)范仍在發(fā)展中，比如對(duì)Python等主流語(yǔ)言所需的GC的本地支持。然而，隨著越來(lái)越多的開發(fā)人員在各種應(yīng)用程序中采用Wasm，這種情況正在迅速改變。

Wasm在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上使用的另一個(gè)困難，是缺乏對(duì)特定于某個(gè)硬件的功能的支持。由于Wasm是一個(gè)獨(dú)立于平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境，所以它不能直接訪問(wèn)設(shè)備的硬件或傳感器等外圍設(shè)備。

開發(fā)人員必須使用Wasm和本機(jī)代碼的組合來(lái)訪問(wèn)設(shè)備的硬件，并創(chuàng)建一個(gè)WASI API來(lái)擴(kuò)展硬件功能。Wasm社區(qū)正在努力標(biāo)準(zhǔn)化WASI (WebAssembly System Interface)規(guī)范中的各種系統(tǒng)接口。

4、結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上使用Wasm的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)潛在的缺點(diǎn)。Wasm是一個(gè)輕量級(jí)的、高效的、安全的運(yùn)行環(huán)境，非常適合資源有限的設(shè)備。它還具有靈活性和平臺(tái)獨(dú)立性，可以輕松地為各種硬件和軟件環(huán)境開發(fā)應(yīng)用程序，并為小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來(lái)敏捷開發(fā)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)于開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，希望為這些設(shè)備創(chuàng)建高效、安全的應(yīng)用程序，Wasm將成為越來(lái)越重要的工具。隨著邊緣計(jì)算的日益重要和物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃興起，可以預(yù)見(jiàn)WebAssembly將在未來(lái)的計(jì)算中發(fā)揮重要作用。

——譯者介紹——

張怡，51CTO社區(qū)編輯，主要研究人工智能算法實(shí)現(xiàn)以及場(chǎng)景應(yīng)用，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)算法和自動(dòng)控制算法有所了解和掌握。

原文鏈接：https://thenewstack.io/why-webassembly-is-perfect-for-tiny-iot-devices/