WasmOS: Wasmを実行する自作マイクロカーネル
背景
WebAssembly(Wasm)をブラウザの外で活用するためにWASIの標準化が進められています。その目的は隔離され、制限されたWasmの実行環境を作ることですが、これは難しい挑戦です。WASMの安全性は外部APIの能力に依存するため、WASIの標準化は慎重に行う必要がありますが、これには多くの時間がかかります。私はこれがWASIXやWALIといった新しいシステムインタフェースが登場した原因の一つであると考えています。汎用だったはずのWasmバイナリは既にランタイム依存になりつつあります。
WASIでセキュリティを考え、苦労して「第二のOS」を作る必要があるという事実は、既存のOSが今の時代に即したものでないことを示唆します。ならばいっそ、新しいOSを作ってしまうのはどうでしょう？ この記事ではWasmを実行する自作マイクロカーネルである、WasmOSを紹介します。
WasmOS
WasmOSは私がHinaOSをベースに開発している自作マイクロカーネルです。カーネルはWasmバイナリからタスクを生成するシステムコールを持っており、WasmランタイムとしてWAMRを用いることでWasmを直接実行することができます。簡単なWebサーバー(Wasmバイナリ)が動く程度の完成度です。
特徴
Portable
マイクロカーネルの基本はsend, receiveを用いたメッセージパッシングです。WasmOSはWasmバイナリにipc_{lookup, recv, reply, call}という4つのメッセージパッシング用のAPIを提供しています。(たった4つです!!)入力を受け取り(receive)、結果を出力する(send)というのはプログラムの姿そのものであるため、このシステムインタフェースはOS非依存で、かつ必要最小限なものになっています。これはWASIにはない特徴です。
自作OSの問題点としてバイナリが自作OSでしか動作しないことが挙げられますが、WasmOSの場合、LinuxやWindowsといった既存のOSでもWasmランタイムとサーバーの実装を用意すれば同じバイナリを動かすことができます。重要なのはそれぞれの環境にあった抽象度でサーバーを実装できる点です。例えばWasmos上で動いているwasm_webapiサーバーはtcpipサーバーの実装を必要とします。WasmOSはベアメタル環境で動作するため、tcpipサーバーはvirtio_netサーバーというデバイスドライバサーバーを必要としますが、Linux環境ではtcpipサーバーを普通のsocket APIを用いて実装できます。
Safe
Wasmバイナリは実行前に検証され、型の整合性や未定義の関数呼び出し等がチェックされます。また実行時には隔離されたメモリ空間が与えられ、整数オーバーフローや範囲外参照が検知されます。このため、Wasmバイナリは安全に実行することができます。ただし、WasmOSはWasmにメッセージパッシング用のAPIを提供しています。マイクロカーネルではユーザー空間で動くサーバー群によって"OS"の機能が実現されるため、これは(何も制限を加えなければ)Wasmから全てのシステムコールを呼び出せることと同じです。アクセス制御を実装することが今後の課題ですが、重要なのは、アクセス制御の方法をOSレベルで考えられる点です。
私は、WasmとWASIが目指すデフォルトでセキュアな世界のためには、WASIのレベルではなく、OSのレベルでセキュリティを考えるべきだと思っています。WASIはセキュリティを考えて設計されていますが「使わない」という選択肢がある限り、ユーザーはセキュリティを考えて設計された"使いにくい"APIよりもより便利で、なんでもできるAPIを望むからです。
Efficient
Wasmは上記のような特徴を持つため、カーネル空間でもある程度安全に実行することができます。WasmOSは全てのWasmバイナリをカーネル空間で実行します。システムコールが関数呼び出しになり、コンテキストスイッチが必要なくなるため、高速なマイクロカーネルを実現できる可能性があります。
Related Projects
Wasm x Kernelはそこまで新しい話ではありません。例えばNebuletはWasmOS同様、Wasmをカーネル空間で実行することで高速なマイクロカーネルを実装するプロジェクトです。他にもWasmランタイムをLinuxのカーネルモジュールとして動作させ、Wasmをカーネル空間で実行するkernel-wasmや、IoTデバイス上でWasmを実行することに特化した WasmachineというOSがあります。また、マイクロカーネル的なアプローチで分散システムを構築しているものとして、wasmcloudがあります。
新しいOSを作ろう!
WasmOSは既存のOSやWASIを完全に置き換えるものではありません。既存の資産を活用するのは重要です。(私はこれがWASIがPOSIXに似たものになっている理由だと考えています)しかし、私たちはWasmとWASIをゼロから作っています。せっかく新しいものを作るなら、既存の技術にとらわれず、新しい道を考えてもよいでしょう。皆さんもぜひ自由な発想でWasmOSを拡張してみてください。(PR待ってます！)
参考
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