Wasmを実行するunikernelとWasmコンパイラ@MITOU2023 Demo Day

発表動画：https://www.youtube.com/watch?v=0AfWFMxQdf4

Transcript

1. Wasmを実行するunikernel 
 とWasmコンパイラ 
 2024/02/18
 MITOU2023 Demo Day
 1 上田 蒼一朗 （京都大学　岡部研究室） 野崎 愛 （東京大学　中村・高瀬研究室）
2. ブラウザ 2
3. ブラウザ 3
4. 　ブラウザ上で 
 Wasm を動かしてみる 
 4
6. など 6
7. など 7
9. Linux 上で 
 Wasm を動かしてみる 
 9
10. Operating System Machine Wasm Runtime Application 10
11. Operating System Machine Application Application Operating System 11
12. 12 https://github.com/mewz-project/mewz
13. Operating System Machine Application Application Operating System 13
14. Operating System Machine Application • OS と Wasm（アプリケーション）が一体化 • 単一の Wasm のみを実行 Application Operating System 14
15. Operating System Machine Application • OS と Wasm（アプリケーション）が一体化 • 単一の Wasm のみを実行 → unikernel Application Operating System 15
16. Mewz 上で 
 Wasm を動かしてみる 
 16
17. Mewz 上で 
 Wasm を動かしてみる 
 17 https://demoday.saza.dev
18. Wasm の動向 
 18
21. Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Guest OS Lib App App 仮想マシン 21
22. Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Container Runtime Guest OS Lib App Machine Host OS Lib App App Lib App 仮想マシン コンテナ 22
23. Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Container Runtime Guest OS Lib App Machine Host OS Lib App App Lib App 仮想マシン コンテナ Wasm Runtime Machine Host OS App App Wasm 23
24. VS 24
25. VS ✅ ポータビリティ ✅ セキュリティ ✅ 軽量 25
26. VS ✅ ポータビリティ ✅ セキュリティ ✅ 軽量 26
27. 27 FROM ubuntu:22.04 RUN apt-get update && apt-get install -y \ package-foo \ package-bar COPY . /app CMD python /app/app.py
28. 28 FROM ubuntu:22.04 RUN apt-get update && apt-get install -y \ package-foo \ package-bar COPY . /app CMD python /app/app.py Lib App コンテナイメージ
29. 29 FROM ubuntu:22.04 RUN apt-get update && apt-get install -y \ package-foo \ package-bar COPY . /app CMD python /app/app.py Lib App コンテナイメージ コンテナイメージ
30. 30 ソースコード ソースコード ソースコード
31. 31 ソースコード ソースコード ソースコード コンパイル
32. 32 ソースコード ソースコード ソースコード コンパイル スタンドアロン
33. Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Container Runtime Guest OS Lib App Machine Host OS Lib App App Lib App Wasm Runtime Machine Host OS App App 33 仮想マシン コンテナ Wasm
34. Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Container Runtime Guest OS Lib App Machine Host OS Lib App App Lib App Wasm Runtime Machine Host OS App App 34 仮想マシン コンテナ Wasm
35. Mewz が果たす役割・貢献 
 35
36. Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Container Runtime Guest OS Lib App Machine Host OS Lib App App Lib App Wasm Runtime Machine Host OS App App 36
37. Container Runtime Machine Lib App Lib App Wasm Runtime Machine Guest OS App App 37 Hypervisor Host OS Machine Guest OS パブリッククラウドの場合 Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Guest OS Lib App App
38. Container Runtime Machine Lib App Lib App Wasm Runtime Machine Guest OS App App 38 Hypervisor Host OS Machine Guest OS パブリッククラウドの場合 隔離性が必要 → Machine Host OS Hypervisor Guest OS Lib Guest OS Lib App App
39. Container Runtime Machine Lib App Lib App Wasm Runtime Machine Guest OS App App 39 Hypervisor Host OS Machine Guest OS パブリッククラウドの場合 隔離性が必要 → CVE-2024-21626 コンテナの隔離が 破られる脆弱性
40. 40 Wasm Runtime Machine Guest OS App 40 Hypervisor Host OS Machine
41. 41 Wasm Runtime Machine Guest OS App 41 Hypervisor Host OS Machine 無駄
42. App 42 Wasm Runtime Machine Guest OS App 42 Hypervisor Host OS Machine Machine unikernel Hypervisor Host OS Machine
43. App 43 Wasm Runtime Machine Guest OS App 43 Hypervisor Host OS Machine Machine unikernel Hypervisor Host OS Machine 隔離性の維持 × ゲスト OS のオーバーヘッドの削減
44. 44 30% 高速化
45. アーキテクチャ 
 45
47. 47 wasm.o AoT コンパイル
48. Wasm コンパイラ 
 48 https://github.com/mewz-project/wasker
49. 49 wasm.o AoT コンパイル
50. 50 wasm.o AoT コンパイル mewz.o mewz.o mewz.o コンパイル
51. 51 wasm.o AoT コンパイル mewz.o mewz.o mewz.o kernel.elf コンパイル 静的リンク
52. 52 wasm.o AoT コンパイル mewz.o mewz.o mewz.o kernel.elf コンパイル 静的リンク
53. 53 wasm.o AoT コンパイル mewz.o mewz.o mewz.o kernel.elf コンパイル 静的リンク … // 呼び出し call fd_read … … // 実装 fn fd_read() …
54. Kubernetes から 
 Mewz を起動してみる 
 54
55. 55 Container Runtime
56. 56 Container Runtime runwasi
57. 57 Container Runtime runwasi
58. MikanOS 上で 
 Wasm を実行してみる 
 58
59. 59 wasm.o mewz.o mewz.o mewz.o kernel.elf
60. 60 wasm.o mewz.o mewz.o wasi.o app.elf あるOS上の WASI の 実装
61. Wasm を任意の OS 上で 実行することを可能にする 61 wasm.o mewz.o mewz.o wasi.o app.elf あるOS上の WASI の 実装
62. Wasm を任意の OS 上で 実行することを可能にする 62 wasm.o mewz.o mewz.o wasi.o app.elf MikanOS上 WASI の 実装
63. 謝辞
 63 @kateinoigakukun さん @utam0k さん
64. まとめ
 • Mewz: Wasm を実行するのに特化した軽量 OS
 ◦ クラウド上で Wasm を高い隔離性 を保ちつつ
 低オーバーヘッド で実行
 ◦ runwasi に対応 → Kubernetes などから実行できる
 
 • Wasker: Wasm をオブジェクトファイルに変換
 ◦ 任意の OS 上で Wasm を実行可能にする
 64 https://github.com/mewz-project/
65. 補足スライド 
 65
66. コンテナランタイムの仕組み 
 66 コンテナ 高レベルランタイム 低レベルランタイム containerd-shim-runc
67. WasmEdge ✖ コンテナランタイム 
 67 Wasmプログラム 高レベルランタイム Wasmランタイム containerd-shim-wasmedge • イメージからWasmファイルを 読み取る • WasmEdgeインスタンスを起 動
68. mew ✖ コンテナランタイム 
 68 Wasmプログラム 高レベルランタイム VM containerd-shim-mew • Wasmを読み取る • waskerでコンパイル • mewとwaskerの生成物をリンク • VM上でmewを起動 mew
69. 何がアツいか 
 🔥 unikernel による Wasm の高速な実行 
 
 🔥 WASI によって unikernel の互換性の問題 を解決
 
 🔥 unikernel を Wasm コンテナとして透過的 に扱う
 
 🔥 Wasm コンパイラによって WASI をカーネルに対する標準的な インターフェース として普及 

70. unikernel の利点 
 • アプリケーションとカーネルがリンク
 → スタンドアローンなバイナリに
 • アプリケーションがカーネルモードで動く
 → システムコールのオーバーヘッドが削減される
 • アドレス空間が単一
 → コンテキストスイッチのオーバーヘッドが削減
 70 MirageOS という unikernel の説明より →
71. unikernelの課題
 71 運用のつらさ 
 互換性
 アプリケーションの移植が必要 
 独自のビルドシステム 
 手元でカーネルごとビルド 
 煩雑なデプロイ 
 ディスクイメージを作ってカーネルをブートして... 

72. unikernelの互換性問題の解決 
 72 従来
 互換性/軽量さにトレードオフ 
 ⨯ 互換性
 ✓ 実行速度
 ✓ 互換性
 ⨯ 実行速度
 mew
 WASIによる 
 カーネルインターフェース 
 ✓ 互換性
 ✓ 実行速度
 🔥 WASI によって unikernel の互換性の問題を解決
73. 既存のWasmランタイムとの比較 
 Wasmランタイム カーネル mew WASI WASI システムコール Hypervisor
74. Wasker: Wasm コンパイラ 
 Wasm binaryをnative binaryに変換するコンパイラ
 • WASI 関数を未解決シンボルにして
 オブジェクトファイルへ変換
 • 生成するオブジェクトファイルは
 独自に実装したWASI関数の実装と
 リンクできる
 → 独自の WASI 実装を差し込める 
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75. Wasker: 開発するに至った経緯 
 • Wasm をネイティブバイナリに変換するものはすでにある
 • ↑ OS 依存なバイナリが出力される
 ◦ Linux、Windows のシステムコールを
 叩いている
 ◦ WASI API の実装がすでに同梱されている
 ◦ → mew 上では動かない
 • Wasker は WASI API の実装自体はバイナリに含まず、未解決シンボ ルにする
 ◦ → OS 非依存 
 ◦ mew のみならず、他の OS 上で Wasm を実行することが可能に 

76. 今までの世界 
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77. 今までの世界 
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78. wasker が実現する世界 
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79. wasker が実現する世界 
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80. wasker が実現する世界 
 80
81. wasker が実現する世界 
 81 🔥 Wasm コンパイラによって WASI をカーネルに 
 対する標準的なインターフェースとして普及
83. Windows x86_64 Linux AArch64 Linux AArch64 Windows x86_64 83
84. Windows x86_64 Linux AArch64 Linux AArch64 Windows x86_64 84
85. Linux AArch64 Windows x86_64 100MB~ ~10MB 85
86. サンドボックス 86
87. サンドボックス 87
88. サンドボックス 88
89. サンドボックス CVE-2024-21626 コンテナの隔離が破られる脆弱性 89