為什么WebAssembly適合小型物聯(lián)網？

　　譯者 | 張怡

　　WebAssembly(簡稱Wasm)是一種虛擬指令集體系架構(virtual ISA)。Wasm支持輕量級、高效、安全的運行，非常適合資源有限的物聯(lián)網(IOT)設備。它還具有靈活性和平臺獨立性，因此很容易為各種硬件平臺開發(fā)應用程序。

　　隨著萬物互聯(lián)程度越來越高，物聯(lián)網(IoT)設備的數(shù)量呈爆炸式增長。這些設備有各種各樣的形狀和尺寸，從巨大的工業(yè)機器到微型傳感器。雖然較大的設備可能運行在Linux或其他操作系統(tǒng)上，但較小的或者微型設備需要不同的方法。

　　為什么WebAssembly (Wasm)是小型物聯(lián)網設備的完美選擇呢?因為這些設備對于Linux來說太“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)網設備上運行傳統(tǒng)操作系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。通常這些設備功耗較低，內存和存儲容量有限。如果運行一個大的操作系統(tǒng)(如Linux)會浪費大量的資源，這可能很快就耗盡了設備的電池壽命。

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

　　其次，物聯(lián)網設備嵌入式開發(fā)周期與云軟件有很大不同。盡管對代碼進行更改并不復雜，但將其交付給最終客戶卻要經歷一個復雜的過程。通常，每個月都有一次代碼凍結，在此期間，所有修改都要經過完整的硬件在環(huán)測試，甚至還需要在許多不同類型的設備上進行。

　　在成功測試新版本之后，將啟動分階段部署流程，以避免固件更新、客戶投訴或服務升級等帶來的問題。對于大多數(shù)客戶來說，即使更改一個微小的代碼到交付，可能也需要幾周甚至幾個月的時間。在敏捷開發(fā)和云時代，這個過程不再被接受。

　　2、WebAssembly

　　Wasm是基于堆棧的虛擬機和字節(jié)碼格式的。最初是為Web瀏覽器插件設計的，但并不局限于Web應用程序。它是一個高效的多功能的運行環(huán)境，可廣泛應用于各種應用程序——包括物聯(lián)網設備。而且Wasm設計小巧，這使得它非常適合小型物聯(lián)網設備。

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

　　將Wasm用于IoT設備的另一個優(yōu)點是，它是一個獨立于平臺的運行環(huán)境。這意味著Wasm模塊可以用任何編程語言編寫，并在任何支持Wasm的平臺上執(zhí)行。這種靈活性使得物聯(lián)網設備開發(fā)應用程序變得更加容易，無論硬件或軟件環(huán)境如何都不用發(fā)愁。

　　開發(fā)人員可以選用他們喜歡的、擅長的編程語言編寫代碼，然后將其編譯和在目標設備上執(zhí)行。像C/C++、Rust、JavaScript都得到了很好的支持。當然也存在一些語言不太友好，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，因為他們無法訪問底層操作系統(tǒng)或硬件。這對于沒有虛擬內存的小型物聯(lián)網設備尤其重要。此外，Wasm可以在部署之前進行驗證和簽名，這為系統(tǒng)額外增加了一層安全保護。

　　一些Wasm運行環(huán)境支持AoT(Ahead of Time，運行前編譯)，它接受Wasm字節(jié)碼并生成目標機代碼(CPU/MCU)。這在小型IoT設備的運行中非常有用，甚至是必不可少的，因為這些設備可能沒有可用的CPU和內存來執(zhí)行JIT(即時編譯)，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的一部分，該服務同時管理著部署在物聯(lián)網設備上軟件的運行。AoT編譯的代碼幾乎以本機速度運行，比Micropython等解釋性語言(直譯語言)快幾個數(shù)量級。

　　3、發(fā)展

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

　　Wasm在物聯(lián)網設備上使用的另一個困難，是缺乏對特定于某個硬件的功能的支持。由于Wasm是一個獨立于平臺的運行環(huán)境，所以它不能直接訪問設備的硬件或傳感器等外圍設備。

　　開發(fā)人員必須使用Wasm和本機代碼的組合來訪問設備的硬件，并創(chuàng)建一個WASI API來擴展硬件功能。Wasm社區(qū)正在努力標準化WASI (WebAssembly System Interface)規(guī)范中的各種系統(tǒng)接口。

　　4、結論

　　總的來說，在物聯(lián)網設備上使用Wasm的優(yōu)點遠遠超過潛在的缺點。Wasm是一個輕量級的、高效的、安全的運行環(huán)境，非常適合資源有限的設備。它還具有靈活性和平臺獨立性，可以輕松地為各種硬件和軟件環(huán)境開發(fā)應用程序，并為小型物聯(lián)網設備帶來敏捷開發(fā)。

　　隨著物聯(lián)網設備數(shù)量的持續(xù)增長，對于開發(fā)人員來說，希望為這些設備創(chuàng)建高效、安全的應用程序，Wasm將成為越來越重要的工具。隨著邊緣計算的日益重要和物聯(lián)網的蓬勃興起，可以預見WebAssembly將在未來的計算中發(fā)揮重要作用。