KubeCon NA 2024 Recap / Running WebAssembly (Wasm) Workloads Side-by-Side with Container Workloads

Kubernetes Meetup Tokyo #68 KubeCon NA 2024 Recap
Running WebAssembly (Wasm) Workloads Side-by-Side with Container Workloads

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1. Kubernetes Meetup Tokyo #68 KubeCon NA 2024 Recap Running WebAssembly (Wasm) Workloads Side-by-Side with Container Workloads 株式会社スリーシェイク 中村海太 Copyright © 3-shake, Inc. All Rights Reserved.
2. 自己紹介 • 中村 海太 (@z63d_) • 株式会社スリーシェイク Sreake 事業部 ◦ SRE として働いています ◦ Kubernetes を使ったサービスの運用 などをしています • KubeCon 初参加でした
3. 紹介するセッション Running WebAssembly (Wasm) Workloads Side-by-Side with Container Workloads WebAssembly Workload と Container Workload を並行して実行する https://sched.co/1i7oH https://www.youtube.com/watch?v=Bq5aTYyRBH0&t
4. WebAssembly（Wasm）について 01 Copyright © 3-shake, Inc. All Rights Reserved.
5. WebAssembly（Wasm） • スタックベースの仮想マシン用のバイナリフォーマット • ネイティブに近い速度で実行可能な仮想命令セットアーキテクチャ (ISA) • Rust、C/C++、Go などの様々な言語で記述されたプログラムをコンパイル可能 Webブラウザ上で高性能なアプリケー ションを実現することを目的としたコー ドだがWebブラウザ特有の仮定や機能が ないため他の環境でも使用できる
6. Linux Container Linux Container は Kubernetes などによる幅広いエコシステムや実績があるが... • Container のサイズが数百 MB になることがある • 起動速度が十分でないことがある • OS、CPU ごとにビルドする必要がある
7. Container と比較した WebAssembly の利点 https://www.cncf.io/blog/2024/03/12/webassembly-on-kubernetes-from-containers-to-wasm-part-01/ • Fast Wasm Module は通常数ミリ秒以内に起動する。これは、従来の Container よりも大幅 に高速であり、サーバーレスなどの高速起動が必要なワークロードにとって重要。 • Lightweight Container イメージと比較すると、Wasm Module は一般的にサイズが小さく、CPU と メモリのリソースも少なくて済む。 • Secure Wasm Module は基盤となるホスト OS から分離された sandbox 環境で実行されるた め、潜在的なセキュリティ脆弱性が軽減される。 • Portable Wasm Module はさまざまなプラットフォームや CPU アーキテクチャ間でシームレスに 実行できるため、様々な OS と CPU の組み合わせに向けてビルドされた複数の Container イメージが必要がなくなる。
8. WebAssembly System Interface (WASI) • Web ブラウザの外で Wasm を実行するための仕様 • Wasm コードが外部（ホスト）とやりとりするために使用できる API セットの定義 • Wasm のセキュリティ、ポータビリティなどの設計目標を念頭において決められている • WASI を実装した runtime には Wasmtime、WasmEdge、wazero など https://github.com/WebAssembly/WASI/blob/main/WASI.png
9. セッション紹介 02 Copyright © 3-shake, Inc. All Rights Reserved.
10. Kubernetes Sidecar Pattern • Sidecar Container は Pod 内でメインアプリケーションと並行して動作し、 オブザーバビリティ・通信・設定管理などのサポート機能を提供する • Kubernetes v1.29 で beta に
11. WebAssembly と Linux Container を並行して実行する Wasm と Linux Container が同じ Pod に存在するパターンは2つ 1. Wasm の Sidecar として Linux を実行する ◦ Istio などの Sidecar を同じ Pod で実行できる ◦ Wasm にコンパイルできないコードを Sidecar として実行可能 2. Wasm を Sidecar として実行する 3. ??? 紹介されていたデモのソースコード 1. https://github.com/keithmattix/istio-wasm-demo 2. https://github.com/Mossaka/state-engine
12. WebAssembly in Kubernetes Kubernetes で Wasm を実行する際の課題 • Wasm Module の配布方法 • Wasm を Container のように実行する方法 この2つを考える必要がある
13. WebAssembly Module の配布方法 Wasm OCI Artifact layout • Container イメージと同じように OCI レジストリに アップロード・ダウンロードできる • TAG-Runtime（CNCF Technical Advisory Group for Runtime）の Wasm Working Group で定められている
14. WebAssembly Module の配布方法 Manifest のフォーマット config.mediaType で識別できる
15. WebAssembly Module の配布方法 Container レジストリに Wasm バイナリをアップロード・ ダウンロードできる wasm-pkg-tools を使った Wasm OCI Artifact のアップロード・ダウンロードやってみた
16. WebAssembly の実行方法 containerd で Wasm OCI Artifact をサポートする必要がある（セッションでは触れられていなかったが...） • Wasm OCI Artifact の認識と Wasm レイヤーの pull • pull したレイヤーの情報を shim に渡す https://github.com/containerd/containerd/blob/v2.0.0/docs/cr i/architecture.md 特に変更なしでサポートできた様子（少し不具合あり） Support for Wasm OCI Artifacts #10179
17. WebAssembly の実行方法 Wasm runtime を containerd で実行される shim プロセスにオフロードする containerd は Kubernetes のデファクト runtime なので containerd で実行できれば Kubernetes でも実行できる https://iximiuz.com/en/posts/implementing-container-runtime-shim/ shim Container プロセスと CRI runtime とのコミュニケーションをするため の API を備えたプロセス
18. runwasi Wasm と WASI を活用した containerd shim を 開発するためのライブラリ containerd で Wasm runtime を動かすことで Wasm の実行を可能にする
19. Linux Container ＆ Wasm の実行方法 OCI runtime の youki を利用している • runwasi と同じく Rust で実装されている • cgroups、namespace、capability、ファイルシステムなどの操作 • runwasi は Container を作成・管理するための機能を提供する libcontainer を利用 https://github.com/containerd/runwasi/blob/main/CONTRIBUTING.md#project-architecture
20. 疑問 • youki libcontainer を使うってどういうこと？ • どうやって Wasm と Linux Container 両方の実行を可能にしている？ 気になったのでコードを追ってみた
21. runwasi における youki libcontainer の実装 https://github.com/youki-dev/youki/blob/v0.4.1/README.md#-design-and-implementation-of-youki • youki の Container 実行処理の一部を runwasi 側で実装している （Init Process の "exec the container entry point" にあたる部分） • Wasm も Container 化された （cgroups、namespace で隔離した） プロセスで実行される
22. runwasi における youki libcontainer の実装 https://github.com/containerd/runwasi/blob/containerd-shim-wasm/v0.8.0/crates/containerd-shim-wasm/src/sys/unix/contai ner/executor.rs#L36-L84 validate、exec などの挙動を runwasi 側で実装できる
23. 実行方法（Linux or Wasm）の分岐処理 Linux Container として実行可能か • Wasm OCI Artifact ではない • ELF ファイル など Linux Container として実行 Wasm として実行可能か • Wasm OCI Artifact • Wasm バイナリファイル • WAT ファイル https://github.com/containerd/runwasi/blob/containerd-shim-wasm/v0.8.0/crates/containerd-shim-wasm/src/sys/u nix/container/executor.rs#L107-L125 Wasm Container として実行 エラー Artifact のチェック Yes No Yes No
24. 実行方法（Linux or Wasm）の分岐処理 Linux Container として実行可能か • Wasm OCI Artifact ではない • ELF ファイル など Linux Container として実行 Wasm として実行可能か • Wasm OCI Artifact • Wasm バイナリファイル • WAT ファイル Wasm Container として実行 エラー Artifact のチェック Yes No Yes No docker.io/nginx などの Linux ベースのイメージ
25. 実行方法（Linux or Wasm）の分岐処理 Linux Container として実行可能か • Wasm OCI Artifact ではない • ELF ファイル など Linux Container として実行 Wasm として実行可能か • Wasm OCI Artifact • Wasm バイナリファイル • WAT ファイル Wasm Container として実行 エラー Artifact のチェック Yes No Yes No Wasm OCI Artifact or Wasm Modele を含む Container イメージ Wasm OCI Artifact の場合は Pod の spec.containers[*].command で Artifact ファイルを指定する必要がある
26. RuntimeClass OCI runtime を切り替えることができる機能
27. ３つめ
28. WebAssembly Component Model Component • 言語に依存しないインターフェースの定義 • リッチな型（string、record など）による言語間の互換性向上 • ABI、IDL (WIT) • WIT Worlds ◦ Component を他のコードから呼び出すために公開する interface (export) と Component が依存するinterface (import) を定義 異なる言語の Component の組み合わせを容易にする Module • Module は組み合わせて使用するのが難しい • 仕様上は i32、f32 などの限られた型しかない
29. Sidecar と WebAssembly Component Model Sidecar • CPU、メモリなどのリソース使用量の増加 • デプロイや管理における運用の複雑さ • コンテナ間通信のオーバーヘッド Component Model • CPU、メモリ などの消費が少ない • Component 間の通信はローカル関数の呼び出しによって行われる ◦ Sidecar での Container 間の通信よりも高速 • セキュリティ ◦ Component はそれぞれ独自の線形メモリを持ち、メモリ共有をしない • Sidecar の必要性がなくなる？？？
30. まとめ 03 Copyright © 3-shake, Inc. All Rights Reserved.
31. Container の代替としての WebAssembly • Linux Container から Wasm への乗り換えは移行コストがかかる • 全ての Linux Container を Wasm に置き換えることができるわけではない • container2wasm のような変換・移行ツールなどがもっと出てきたら面白そう
32. まとめ・感想 まとめ • 同じ Pod で Wasm と Linux を使えると色々メリットがある • いつか一部で Sidecar が不要になるかも？ • Wasm in Kubernetes を実現するための標準（OCI Artifact Format）やライブラリ（runwasi）が 整備されてきている 感想 • 現状 Wasm が Container の代替になるのは難しそう（特に既存のソフトウェア） • 低レイヤの技術へ興味を持つきっかけになった KubeCon に参加してみて • Kubernetes エコシステムへの興味がさらに湧いた • スポンサーブースの規模がすごかった...！
33. ありがとうございました Copyright © 3-shake, Inc. All Rights Reserved.