WebAssembly：コンテナの潜在的な代替技術として

WebAssembly：コンテナの潜在的な代替技術として

はじめに

皆さん、こんにちは！この記事では、WebAssemblyがDockerコンテナのようなコンテナの潜在的な代替技術となりうるのか、そしてサーバーサイドコードの実行にWebAssemblyがどのように役立つのかについて解説します。WebAssemblyという用語を聞いたことがある方も多いと思いますが、まずは基本的な概念から見ていきましょう。WebAssemblyがコンテナの代替となりうる価値とは何でしょうか？

WebAssemblyの基本：CPUとアセンブリ言語

世界の全てのCPU（x86 CPUやARM CPUなど）は、オペコードまたは命令のセットを実行します。これをアセンブリ言語と呼びます。x86 CPUにはx86アセンブリ、ARM CPUにはARMアセンブリがあります。これらの命令は、CPUに特定の動作を実行させます。

プログラムを作成する際は、最終的にCPU向けの命令セットに変換する必要があります。x86マシンでプログラムを実行するには、プログラムをx86オペコードまたはx86アセンブリの命令列に変換する必要があります。これは簡略化された説明ですが、全体像を理解する上で重要です。

仮想マシン：ソフトウェアレイヤーでの命令実行

仮想マシンは、ソフトウェアレイヤーでこれらの命令やオペコードを実行できます。ネイティブにCPUで実行する場合は、ハードウェアであるCPUが命令を実行しますが、仮想マシンでは、OSの上位にソフトウェアレイヤーとして仮想マシンが配置され、ハードウェアと同様に命令を実行します。

例として、x86 VMはLinuxのようなオペレーティングシステムを実行できます。また、Java仮想マシン（JVM）は、Javaバイトコードと呼ばれる命令セットを実行します。JavaプログラムをJavaバイトコードに変換し、JVMで実行します。

ここで注意すべき点は、「仮想マシン」というと、他のオペレーティングシステムを実行する仮想マシンだけを指しているわけではないということです。Oracle VirtualBoxのような仮想マシンだけでなく、Javaバイトコードを実行するJVMや、Pythonコードを実行するPython仮想マシンなども含まれます。

JavaScriptの限界とWebAssemblyの登場

ブラウザにおけるJavaScriptは常に高速とは限りません。FigmaやPhotoshopのような高度な計算処理が必要なアプリケーションをJavaScriptだけで構築するのは、速度の面で困難です。また、ブラウザは主にJavaScriptをサポートしており、C++やRustなど、他のプログラミング言語で記述されたレガシーシステムやその他のプログラムをWeb上で実行するには、特別な対応が必要です。

そこで登場するのがWebAssemblyです。WebAssemblyは、新しい仮想マシンのための新しい命令セットです。CプログラムをWebAssemblyバイトコードにコンパイルできます。これは、Cプログラムをx86命令セットやARM命令セットに変換するのではなく、WebAssembly固有の命令セットに変換することを意味します。ブラウザ内には、このバイトコードを実行できる仮想マシンがあります。

WebAssemblyの利点：パフォーマンスと移植性

WebAssemblyは、コンパイル済み言語であるため、一般的に高速です。ただし、WebAssemblyを使用するだけでWebサイトの速度が向上するわけではありません。適切なコンテキストとコードで使用する必要があります。悪いコードからはWebAssemblyも救ってくれません。

WebAssemblyは、バイナリファイル（通常は.wasmファイル）に生成される命令セットです。この.wasmファイルはブラウザにロードされ、VMで実行されます。Figmaのようなブラウザ上でスムーズに動作する高度なデザインソフトウェアや、Amazon Prime Videoで使用されている例からも、WebAssemblyがWeb上の様々な体験を可能にしていることが分かります。

WebAssemblyは、他のプログラミング言語で記述されたソフトウェアの実行にも使用できます。DuckDBというデータベースはWebAssemblyにコンパイルされており、ブラウザ上で実行可能です。

WebAssemblyの特性：分離と移植性

WebAssemblyはブラウザ向けに設計されているため、いくつかの特性があります。

• 分離: WebAssembly VM内で実行されるコードは、システムの他の部分から分離されます。ファイルシステムやネットワークにアクセスできず、セキュリティ上の脆弱性を軽減します。
• 移植性: 同じコードを複数のブラウザで実行できます。RustプログラムをWebAssemblyに変換すれば、Chrome、Firefox、AndroidのChrome、WindowsのChromeなど、あらゆるブラウザで実行できます。

WebAssemblyは、標準的な命令セットと機能を提供し、プログラムをこの命令セットに変換することで、あらゆるプラットフォームで実行できます。

WebAssemblyとコンテナ：共通の目標と違い

WebAssemblyとコンテナは、以下の共通の目標を共有しています。

• 分離: コードをシステムの他の部分から分離します。
• 移植性: コードを異なる環境で実行可能にします。
• 速度: 高速な実行を目指します。

しかし、コンテナはリソース消費が大きいです。WebAssemblyは、コンテナと同様の機能を、少ないリソースで実現できます。

WebAssemblyがコンテナの代替となりうるか？

WebAssemblyはコンテナの代替技術となりうる潜在力を持っています。しかし、サーバー上で実行する際に、ネットワークやファイルシステムへのアクセスが必要になる場合があります。WebAssemblyは分離性を重視して設計されているため、デフォルトではファイルシステムやネットワークにアクセスできません。

WASI：WebAssembly System Interface

この問題を解決するために、WebAssembly System Interface（WASI）が登場しました。WASIは、WebAssemblyモジュールに提供する関数や呼び出しのセットです。これにより、WebAssemblyコードは、ネットワークやファイルシステムなど、システムリソースに安全にアクセスできます。

WASIは、WebAssembly VMに特定の機能を提供し、開発者はプラットフォームやVMに依存することなく、一貫したインターフェースを使用してシステムリソースにアクセスできます。

WASIによるセキュリティと制御

WASIを使用することで、ホストプログラムはWebAssemblyモジュールへのアクセスを制御できます。例えば、特定のディレクトリへのアクセスのみを許可したり、ネットワークアクセスを完全に禁止したりできます。これは、Dockerコンテナのボリュームに似たアプローチです。

WASIは、安全で分離されたコードを記述しながら、サーバーサイドプログラムに必要な機能を提供します。ホストプログラムは、ファイルのオープン方法やソケットへのアクセス方法などの関数を実装し、WASIの定義に従ってWebAssemblyモジュールに渡します。

WebAssemblyランタイムと今後の展望

WasmTime、Wasmer、WasmEdgeなどのランタイムは、サーバーやブラウザ以外の環境でWebAssemblyを実行できます。これらはWASIをサポートしており、WebAssemblyのサーバーサイドでの利用を促進しています。

WebAssemblyはまだ発展途上であり、課題も存在します。しかし、日々進化しており、コンテナ技術の良い代替となりうる可能性を秘めています。Dockerも、コンテナをWasmモジュールとして実行する取り組みを進めています。

まとめ：軽量で安全な代替技術としてのWebAssembly

WebAssemblyは、コンテナ技術に比べて軽量で安全な代替技術となる可能性を秘めています。WASIにより、分離性とセキュリティを維持しつつ、必要なシステムリソースへのアクセスを制御できます。DockerがWasmモジュールの実行に取り組んでいることも、この技術の将来性を示しています。

この記事ではWebAssemblyとWASIの概要を説明しました。さらに詳しい情報については、記事の最後に記載したリンクを参照してください。今後、このトピックをより深く掘り下げた記事や動画を作成する予定です。ご期待ください！

ご視聴・ご購読ありがとうございました！