先谈谈虚拟化吧!
为什么要有虚拟化?物理CPU,物理内存和存储,物理网络的硬件能力越来越丰富的情况下,为了高效、灵活的使用资源,以及在使用时的资源隔离,把硬件资源抽象成软件资源,来动态的业务按需分配和使用。
在虚拟化环境下,物理服务器的CPU、内存、硬盘和网卡等硬件资源被虚拟化并受Hypervisor的调度,多个操作系统在Hypervisor的协调下可以共享这些虚拟化后的硬件资源,同时每个操作系统又可以保存彼此的独立性。根据Hypervisor所处层次的不同和Guest OS对硬件资源的不同使用方式,Hypervisor虚拟化被分为两种类型:Bare-metal虚拟化方式(“裸机”虚拟化)和Host OS虚拟化方式(基于操作系统的虚拟化,宿主型虚拟化)。
Host OS类型将Hypervisor虚拟化层安装在传统的操作系统中,虚拟化软件以应用程序进程形式运行在Windows和Linux等主机操作系统中。典型的宿主型Hypervisor有VMware Workstation和VirtualBox。
Bare-metal类型的Hypervisor虚拟化环境中无须完整的Host OS,直接将Hypervisor部署在裸机上并将裸机服务器的硬件资源虚拟化,Bare-metal类型(裸机)Hypervisor有Microsoft的Hyper-V以及开源的KVM等虚拟化软件。我们常说的虚拟化一般指的是Bare-metal类型。
虚拟化技术又分为全虚拟化(Full Virtualization,FV)、准虚拟化(Para Virtualization,PV)和主机操作系统虚拟化(Host OS Virtualization),其中PV和FV基于Bare-metal类型Hypervisor的虚拟化技术,而主机操作系统虚拟化基于Host OS类型Hypervisor的虚拟化技术。
基于容器的虚拟化技术并不依赖传统的Hypervisor虚拟化引擎,而是在Host OS中配置虚拟服务器环境(Virtual Server Environment,VSE),即无须在Host OS中配置Hypervisor,并且在容器虚拟化中,仅有Guest OS被仿真模拟。由于容器虚拟化技术抛弃了较为复杂的,针对全部硬件资源进行虚拟化的Hypervisor,且是仅针对Guest OS的虚拟化,因此基于容器的虚拟化是一种“更轻”的虚拟化方式,同时也具有很好的性能。
为了解决硬件性能和过剩和软件冲突,**「硬件虚拟化」**的普及就很自然而然的出现。对于 Guest OS 和上面的应用程序来说,这台虚拟机和普通物理计算机是完全一样没有任何区别的——除了性能可能差一点。全球第一人气的 VMware Workstation 就是这么一个软件,Oracle 的 VirtualBox 以及 Microsoft 的 Virtual PC 都是。这类软件英语有一个专用的单词是 Hypervisor(虚拟机管理程序)。
虚拟机的优点:
虚拟机的缺点:
为了解决这个问题,容器技术发展了起来,她是应用程序级别的虚拟化技术。和虚拟机相比,容器有以下优点:
Docker的创始人所罗门·海克斯(Solomon Hykes)说过:“如果在2008年已经有了 WASM + WASI,我们根本不需要创建 Docker,WASM 就是这么重要。服务器端的 Webassembly 是计算的未来。标准化的系统接口是缺失的环节。让我们希望WASI能够胜任这项任务!”,可见其对WASM的重视和青睐。
WebAssembly 技术源于浏览器,其发展历程可以说是一部浏览器性能优化史。在 Web 前端领域,JavaScript 语言是编写运行在浏览器上的 Web 应用的首选,为了满足应用日益增长的性能需求,针对 JavaScript 语言本身缺陷带来的瓶颈优化,逐步形成了三个阶段性优化产物,他们分别是 asm.js、NaCl/PNaCl 以及 WebAssembly。
随着 WebAssembly 在开发者社区中越来越流行,WebAssembly 的潜在价值从 Web 逐渐开始向其他领域,比如云原生、AI 以及区块链,物联网等;2019 年 12 月,Bytecode Alliance 字节码联盟宣布正式成立,联盟旨在通过协作的方式,来共同实现 WebAssembly 及 WASI 相关标准,并通过提出新标准的方式来共同打造 WebAssembly 在浏览器之外的未来生态。
英特尔的 WebAssembly Micro Runtime(WAMR)和 Mozilla 主导的 WASMTIME 成为转入字节码联盟的第一批核心开源项目。字节码联盟的目标是基于 WebAssembly 和 WebAssembly System Interface(WASI)等标准创建一个安全、高效和模块化的新运行引擎(Runtime)环境和语言工具链,同时推广让尽可能多的平台和设备使用它们。
WebAssembly 是一个新的技术体系而非单一技术,它涉及到编程语言、编译器、虚拟机、工具链 (LLVM, Binaryen 等)、操作系统等相关的多个技术领域。
WASM 的名称的体现了它在最初的设计中人们对它的希望:能够在 Web 环境中快速地运行。目前,WASM 已经能够在包括浏览器在内的很多不同的环境中运行。这些场景包括:云原生场景、移动设备、物联网、区块链等多种不同的场景。在这些场景中,大家使用 WASM 的主要目标包括,但是不限于如下几个方面:
一个引擎如何驱动一段程序运行,并得到结果呢?
wasmtime 是非盈利组织——字节码联盟(Bytecode Alliance)旗下的 WebAssembly 引擎,使用 Rust 语言编写开发,是一种高性能编译型 wasm 引擎。
wasmtime 对于 WebAssembly 相关标准支持的完整度非常高。它支持了标准的 WASI,实现了标准的 wasm c-api,并紧密跟踪 WebAssembly 核心特性。
WasmEdge 是一款由 CNCF(Cloud Native Computing Foundation,云原生计算基金会)托管的 WebAssembly 引擎,其命名也在告诉我们:WasmEdge 主要面向边缘计算、云原生和去中心化应用。根据 IEEE 论文数据,WasmEdge 是当时运行性能最高的 WebAssembly 运行时。但根据最新的 2023 wasm runtime benchmark 数据[2],wasmedge 的性能优势已经有所削弱。
与 wasmtime 一样,WasmEdge 也是一种编译型的 wasm 引擎,可以按照 JIT/AOT 两种模式对 wasm 指令进行编译,并最终执行。不同之处在于,WasmEdge 使用 LLVM 作为编译器后端,利用了 LLVM 出色的优化编译能力。因此,相比于使用 Cranelift 的 wasmtime,WasmEdge 生成的指令更优,执行速度更快。
除了卓越的性能表现之外,WasmEdge 的一个最为显著的特点就是社区提供丰富的扩展能力。比如,在云原生的使用场景中,很多开发者使用 JavaScript 语言开发应用。
wasm3 是一款基于解释器执行的轻量级 WebAssembly 引擎,使用 C 语言编写开发,wasm3 最大特点就是依靠纯解释器执行所有的 WebAssembly 指令,没有引入 JIT/AOT 编译。根据 Benchmark 数据,自 wasm3 出现在社区并逐渐成熟之后,在相当一段长的时间内,wasm3 都是运行速度最快的解释型引擎。
由于是纯解释执行, wasm3 可以在多系统等设备上运行。而这一点是其它纯编译型引擎无法做到的,这也赋予了它独特的跨平台优势。再考虑到它的轻量特点——移动端二进制产物体积不到 70 KB,作为移动端引擎,wasm3 可谓表现优异。
wasm-micro-runtime 也简称为 WAMR,与 wasmtime 一样是隶属于 Bytecode Alliance 的开源 WebAssembly 引擎项目,适用于嵌入式平台、各类 IoT 设备、智能合约和云原生等场景。名字中的 micro 也正是它的特点之一:WAMR 的二进制产物很轻量,纯 AOT 配置的产物体积只有约 50KB,非常适合资源受限的宿主。
WAMR 同步支持解释与编译两种方式执行 wasm 程序,因此兼有两种执行方式低冷启延迟、高峰值性能的优点。使用编译模式时,宿主可以选择使用 JIT 或 AOT 方式执行目标程序。与 WasmEdge 相同,WAMR 的编译器也基于 LLVM 构建。根据官方数据,JIT 或 AOT 的执行方式可以得到接近原生的速度,表现十分亮眼。而援引最新的 2023 年 wasm runtime 的性能测试数据,wamr 是运行速度最快的引擎。可见,wamr 在 2022 年度完成了行之有效的优化。
引擎 | 关键特征 |
---|---|
wasmtime | 高性能编译 字节码联盟项目 应用于Serverless等场景 |
wasm3 | 高性能解释器 跨平台, iOS 等平台 通用轻量级引擎 |
WasmEdge | 在 Docker 中集成 使用 LLVM 编译后执行 社区提供了非常丰富的扩展能力 |
wasm-micro-runtime | 解释 & 编译两种运行模式 使用 LLVM 作为编译后端 运行速度最快的引擎 适用于 IoT 设备等资源受限的场景 |
基于OneOS,我们希望寻找一个创新的项目进行开发验证,基于此,从虚拟化和安全的角度出发,我们认为WAMR符合这些条件,和传统的虚拟化技术相类比,我们认为她就是物联网下的Docker。它的特性在不同环境下可以带来各种价值,下面简单列举一二:
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