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环球今头条!WebAssembly 助力云原生:APISIX 如何借助 Wasm 插件实现扩展功能?

来源:博客园

本文将介绍 Wasm,以及 Apache APISIX 如何实现 Wasm 功能。

作者朱欣欣,API7.ai 技术工程师


(相关资料图)

原文链接

什么是 Wasm

Wasm 是 WebAssembly 的缩写。WebAssembly/Wasm 是一个基于堆栈的虚拟机设计的指令格式。在 Wasm 未出现之前,浏览器中只能支持运行 Javascript 语言。当 Wasm 出现之后,使得高级语言例如 C/C++/Golang 能够在浏览器中运行。当前,主流的浏览器包括 Chrome、Firefox、Safari 等浏览器都已完成对 Wasm 的支持。并且得益于 WASI 项目的推进,服务端也已经能够支持运行 Wasm 指令。如今在网关侧,Apache APISIX 也已完成对 Wasm 的支持,开发者可以通过高级语言 C/C++/Go/Rust 并按照 proxy-wasm 规范来完成 Wasm 插件的开发。

为什么 APISIX 要支持 Wasm 插件

相比较原生的 Lua 插件,Wasm 插件存在如下优势:

  • 可扩展性:APISIX 通过支持 Wasm,我们可以结合 proxy-wasm 提供的 SDK,使用 C++/Golang/Rust 等语言进行插件开发。由于高级语言往往拥有更加丰富的生态,所以我们可以依托于这些生态来实现支持更多功能丰富的插件。

  • 安全性:由于 APISIX 和 Wasm 之前的调用依托于 proxy-wasm 提供的 ABI(二进制应用接口),这部分的访问调用更为安全。Wasm 插件只允许对请求进行特定的修改。另外,由于 Wasm 插件运行在特定的 VM 中,所以即使插件运行出现崩溃也不会影响 APISIX 主进程的运行。

APISIX 如何支持 WASM

了解完 Wasm,现在我们将从自顶向下的角度来看 APISIX 是如何支持 Wasm 插件功能的。

APISIX Wasm 插件

在 APISIX 中,我们可以使用高级语言 C/C++/Go/Rust 来按照 proxy-wasm 规范以及对应的 SDK 来编写插件。

proxy-wasm 是 Envoy 推出的在 L4/L7 代理之间的 ABI 的规范与标准。在该规范中定义了包含内存管理、四层代理、七层代理扩展等 ABI。例如在七层代理中,proxy-wasm 规范定义了proxy_on_http_request_headers,proxy_on_http_request_body,proxy_on_http_request_trailers,proxy_on_http_response_headers 等 ABI,使得模块能够在各个阶段对请求内容进行获取与修改。

例如,我们使用 Golang 结合 proxy-wasm-go-sdk, 编写如下插件:

proxy-wasm-go-sdk 正是上述 proxy-wasm 规范的 SDK,它帮助开发者更好的使用 Golang 编写 proxy-wasm 插件。不过需要注意的是,由于原生 Golang 在支持 WASI 时存在一些问题,因此该 SDK 基于 TinyGo 实现,更多内容可以点击进行查看。

该插件的主要功能用于将 HTTP 修改请求的响应状态码与响应体,引用自 APISIX 链接,

...func (ctx *pluginContext) OnPluginStart(pluginConfigurationSize int) types.OnPluginStartStatus {        data, err := proxywasm.GetPluginConfiguration()        if err != nil {                proxywasm.LogErrorf("error reading plugin configuration: %v", err)                return types.OnPluginStartStatusFailed        }        var p fastjson.Parser        v, err := p.ParseBytes(data)        if err != nil {                proxywasm.LogErrorf("error decoding plugin configuration: %v", err)                return types.OnPluginStartStatusFailed        }        ctx.Body = v.GetStringBytes("body")        ctx.HttpStatus = uint32(v.GetUint("http_status"))        if v.Exists("percentage") {                ctx.Percentage = v.GetInt("percentage")        } else {                ctx.Percentage = 100        }        // schema check        if ctx.HttpStatus < 200 {                proxywasm.LogError("bad http_status")                return types.OnPluginStartStatusFailed        }        if ctx.Percentage < 0 || ctx.Percentage > 100 {                proxywasm.LogError("bad percentage")                return types.OnPluginStartStatusFailed        }        return types.OnPluginStartStatusOK}func (ctx *httpLifecycle) OnHttpRequestHeaders(numHeaders int, endOfStream bool) types.Action {        plugin := ctx.parent        if !sampleHit(plugin.Percentage) {                return types.ActionContinue        }        err := proxywasm.SendHttpResponse(plugin.HttpStatus, nil, plugin.Body, -1)        if err != nil {                proxywasm.LogErrorf("failed to send local response: %v", err)                return types.ActionContinue        }        return types.ActionPause}...

之后,我们通过 tiny-go 将上述的 Golang 代码编译生成 .wasm文件

tinygo build -o wasm_fault_injection.go.wasm -scheduler=none -target=wasi ./main.go

完成编译之后,我们得到了 fault_injection.go.wasm文件

如果对 wasm 文件内容感兴趣的话,我们可以使用 wasm-tool 工具来查看该 wasm 文件的具体内容。wasm-tools dump hello.go.wasm

wasm_fault_injection.go.wasm配置到 APISIX 到 config.yaml,并将该插件命名为 wasm_fault_injection。

apisix:        ...wasm:  plugins:    - name: wasm_fault_injection      priority: 7997      file: wasm_fault_injection.go.wasm

之后,我们启动 APISIX ,并创建一条路由引用该 Wasm 插件:

curl  http://127.0.0.1:9180/apisix/admin/routes/1 \-H "X-API-KEY: edd1c9f034335f136f87ad84b625c8f1" -X PUT -d "{    "uri":"/*",    "upstream":{        "type":"roundrobin",        "timeout":{            "connect":1,            "read":1,            "send":1        },        "nodes":{            "httpbin.org:80":1        }    },    "plugins":{        "wasm_fault_injection":{            "conf":"{\"http_status\":200, \"body\":\"Hello WebAssembly!\n\"}"        }    },    "name":"wasm_fault_injection"}"

进行访问测试,发现响应体已被修改为 "Hello WebAssembly",由此 Wasm 插件已经生效。

curl 127.0.0.1:9080/get -v*   Trying 127.0.0.1:9080...* Connected to 127.0.0.1 (127.0.0.1) port 9080 (#0)> GET /get HTTP/1.1> Host: 127.0.0.1:9080> User-Agent: curl/7.81.0> Accept: */*>* Mark bundle as not supporting multiuse< HTTP/1.1 200 OK< Date: Thu, 09 Feb 2023 07:46:50 GMT< Content-Type: text/plain; charset=utf-8< Transfer-Encoding: chunked< Connection: keep-alive< Server: APISIX/3.1.0

Wasm-nginx-module

了解完 Apache APISIX 如何使用 Wasm 插件,现在我们更进一步来了解 "为什么我们能在 Wasm 插件中获取到请求的内容并修改请求?" 。由于 APISIX 选用 Openresty 作为底层框架,因此 Wasm 插件中想要能够获取到请求内容和修改请求内容,就需要和 openResty 或者 NGINX 提供的 API 进行交互。wasm-nginx-module正是提供了这部分能力。

wasm-nginx-module 是由 API7 研发的支持 Wasm 的 NGINX 模块。该模块尝试在 NGINX 的基础上实现 proxy-wasm-abi,并且向上封装了 Lua API,使得我们能够在 Lua 层面完成 proxy-wasm-abi 的调用。更多内容可参考 wasm-nginx-module。

例如,当我们的 APISIX 运行到 "access" 阶段时,会调用 wasm-nginx-module中提供的 Lua 方法on_http_request_headers。

-- apisix/wasm.lua...local ok, err = wasm.on_http_request_headers(plugin_ctx)   if not ok then       core.log.error(name, ": failed to run wasm plugin: ", err)       return 503   endend...

之后在该方法中,将调用 wasm-nginx-modulengx_http_wasm_on_http方法,

ngx_int_tngx_http_wasm_on_http(ngx_http_wasm_plugin_ctx_t *hwp_ctx, ngx_http_request_t *r,                      ngx_http_wasm_phase_t type, const u_char *body, size_t size,                      int end_of_body){    ...    ctx = ngx_http_wasm_get_module_ctx(r);    if (type == HTTP_REQUEST_HEADERS) {        cb_name = &proxy_on_request_headers;    } else if (type == HTTP_REQUEST_BODY) {        cb_name = &proxy_on_request_body;    } else if (type == HTTP_RESPONSE_HEADERS) {        cb_name = &proxy_on_response_headers;    } else {        cb_name = &proxy_on_response_body;    }    if (type == HTTP_REQUEST_HEADERS || type == HTTP_RESPONSE_HEADERS) {        if (hwp_ctx->hw_plugin->abi_version == PROXY_WASM_ABI_VER_010) {            rc = ngx_wasm_vm->call(hwp_ctx->hw_plugin->plugin,                                   cb_name,                                   true, NGX_WASM_PARAM_I32_I32, http_ctx->id, 0);        } else {            rc = ngx_wasm_vm->call(hwp_ctx->hw_plugin->plugin,                                   cb_name,                                   true, NGX_WASM_PARAM_I32_I32_I32, http_ctx->id,                                   0, 1);        }    } else {        rc = ngx_wasm_vm->call(hwp_ctx->hw_plugin->plugin,                              cb_name,                              true, NGX_WASM_PARAM_I32_I32_I32, http_ctx->id,                              size, end_of_body);    }    ...}

wasm-nginx-module中,我们将根据不同的阶段,设置 cb_name,例如:HTTP_REQUEST_HEADERS对应 proxy_on_request_headers,之后将在 ngx_wasm_vm->call中调用 vm 中的方法也就是我们在上文中提到的 wasm 插件 OnHttpRequestHeaders的方法。

至此,整个 APISIX 调用 wasm 插件,运行 Golang 的调用链便梳理完成,调用链如下:

Wasm VM

Wasm VM 用于真正执行 Wasm 代码的虚拟机,在 wasm-nginx-module中实现了对两种虚拟机 "wasmtime" 和 "wasmedge" 两种虚拟机,在 APISIX 中默认选择使用 "wasmtime" 作为 Wasm 代码的运行虚拟机。

WasmtimeWasmtime 是由 bytecodealliance 开源的 WebAssembly 和 WASI 的小型高效运行时。它能够在 Web 外部运行 WebAssembly 代码,即可以用作命令行使用,也可以作为 WebAssembly 运行引擎嵌入到其他程序作为库使用。WasmedgeWasmedge 是为边缘计算优化的轻量级、高性能、可扩展的 WebAssembly (Wasm) 虚拟机,可用于云原生、边缘和去中心化的应用。

在 Wasm vm 中首先通过 load方法将 .wasm文件加载到内存,之后我们便可以通过 VM 的 call 方法来调用这些方法。VM 底层依托于 WASI 的接口实现,使得 Wasm 代码不仅能够运行在浏览器端,同时也支持能够在服务端进行。

总结

通过本文我们了解到 Wasm 是什么以及 APISIX 如何支持 Wasm 插件。APISIX 通过支持 Wasm 插件,不但可以扩充对多语言的支持,例如通过 C++, Rust, Golang, AssemblyScript 等进行插件开发,而且由于 WebAssembly 正在从浏览器走向云原生拥有了更加丰富的生态与使用场景,因此 APISIX 也可以借助 Wasm 完成在 API 网关侧更多的扩展功能,解决更多使用场景。

关于 API7.ai 与 APISIX

API7.ai(支流科技 )是一家提供 API 处理和分析的开源基础软件公司,于 2019 年开源了新一代云原生 API 网关 -- APISIX 并捐赠给 Apache 软件基金会。此后,API7.ai 一直积极投入支持 Apache APISIX 的开发、维护和社区运营。与千万贡献者、使用者、支持者一起做出世界级的开源项目,是 API7.ai 努力的目标。

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