Higress全新Wasm运行时，性能大幅提升

发布时间 2024-08-12

本文作者
澄潭, 阿里云API网关软件工程师，Higress开源项目主要贡献者
何良, Intel Web Platform Engineering软件工程师, WAMR开源项目主要贡献者

本文介绍Higress将Wasm插件的运行时从V8切换到WebAssembly Micro Runtime (WAMR)的最新进展。通过切换到WAMR并开启AOT模式大幅提升了Wasm插件性能，从我们的测试中大部分插件平均有50%左右的性能提升，一些逻辑复杂的插件性能直接翻倍。

Higress Wasm插件

Higress作为首个推出Wasm扩展能力的云产品网关，从2022年就上线了Wasm插件市场，我们使用Wasm技术作为主要的网关扩展手段，是因为它能为用户带来的独特价值：

工程可靠性：相比Lua等动态类型+解释执行语言，Wasm可基于多种静态类型语言编译，可以做编译期检查，避免运行时出错把生产环境变成代码捉虫现场
沙箱安全性：Wasm插件运行在严格的虚拟机沙箱环境内，有自己的独立内存空间，不能直接访问外部内存，可以避免插件代码bug导致遭到缓冲区溢出、远程代码执行等攻击
热更新：Higress基于Envoy的xDS机制，插件二进制和配置都可以独立热更新，不会引起连接断开，对WebSocket/gRPC等业务场景更友好

Higress站在Istio/Envoy的肩膀上，为Wasm插件机制增加了三个核心能力：

域名/路由级生效：Istio/Envoy自带的全局生效方式难以满足大部分场景需求，而基于Higress Wasm sdk开发的插件可以做到这点，同时编译出的插件也跟Istio/Envoy生态兼容（仅全局生效）
Redis访问能力：提供了访问Redis的Host Function，插件代码可以基于Redis实现多种能力，例如全局限流，Session状态管理等
虚拟机自愈机制：开发的插件逻辑中若出现了空指针访问、数组越界、内存泄漏等问题，将被运行时系统捕获，不会导致网关崩溃；Higress支持Wasm模块异常后自动重启，并能在快速止血的同时，通过告警通知用户出现问题的代码堆栈

从Higress的企业用户看Wasm插件技术的采用周期，已经跨域过鸿沟，步入早期采用大众阶段，核心的驱动力是性能红利带来的成本下降。用户使用Wasm插件来开发满足自己特定业务需求的能力，对于鉴权、加解密、会话管理等逻辑在网关完成计算资源的卸载，无需后端服务处理，从而全局降低计算成本。
性能数据上，之前发表的这篇文档《通过Higress Wasm插件3倍性能实现Spring Cloud Gateway功能》反馈了过去的性能成果。
在Higress将Wasm运行时从V8替换为WAMR后，Wasm插件的性能对比之前又有了大幅提升。

Wasm运行时升级：从V8到WAMR

V8存在的问题

Wasm技术诞生于浏览器场景，作为Chromium的JS引擎，V8是最早支持Wasm的运行时之一，V8引擎基于JIT模式运行Wasm模块，有着很好的性能。但也存在以下问题：

V8项目复杂度很高：Wasm相关实现跟JS处理逻辑有较多耦合，比如早期的Envoy Wasm插件的一个bug就是V8为优化JS执行内存引入指针压缩导致
V8社区和Envoy社区之间缺少协作：Envoy目前对于V8的版本依赖还停留在2022年的提交，无法支持Wasm GC等新特性，因为项目复杂度高，升级V8依赖的风险也很高
客户端偏好：V8的用户和开发者大多来自客户端，考虑设备兼容性，更重视JIT模式的优化，AOT模式下性能提升不大，无法完全发挥Wasm性能优势

WAMR的优势

WAMR是最早由Intel团队开发，在字节码联盟（Bytecode Alliance, 面向Wasm软件生态的非盈利组织）下的一个广受欢迎的WebAssembly运行时开源项目。目前社区活跃的贡献者包含来自Intel、小米、亚马逊、索尼、Midokura、西门子、蚂蚁等公司的工程师。WAMR使用C语言开发，具有良好的平台适应性。支持解释模式、即时编译及预编译等模式运行Wasm模块，有着优良的性能，在多个公开性能测评报告中均表现优异，同时又极低的资源开销，可以在100KB内存中运行单个Wasm实例。

性能对比

压测工具：k6
服务器CPU型号：Intel(R) Xeon(R) Platinum 8369B CPU @ 2.90GHz
压测方式：Higress启动2个worker线程，压测期间固定k6的压力，跑满两个线程

选取了部分Higress插件进行性能测试，情况如下：

插件名称	插件用途	V8 (ms)	WAMR (ms)	性能提升
bot-detect	基于正则识别阻止互联网爬虫对站点资源的爬取	1.25	0.64	95%
hmac-auth	基于HMAC算法为HTTP请求生成不可伪造的签名，并基于签名实现身份认证和鉴权	4.44	3.25	36%
jwt-auth	基于JWT(JSON Web Tokens)进行认证鉴权	11.98	7.46	60%
jwt-logout	基于Redis实现JWT的弱状态管理，解决JWT无法登出的问题	14.08	8.44	66%
key-auth	基于 API Key 进行认证鉴权	1.66	1.16	43%
oauth	基于JWT进行OAuth2 Access Token签发	10.15	4.75	113%

注：表格中的数据为单请求平均附加延时

整体来看，Wasm指令越复杂的插件，WAMR的提升越明显。上述所有插件除jwt-logout是企业版插件未开源以外，其余插件均可以在Higress开源仓库目录下查看对应源码实现：https://github.com/alibaba/higress/tree/main/plugins/wasm-cpp/extensions
编译生成AOT文件，可以使用wamrc这个WAMR提供的官方编译工具：wamrc --invoke-c-api-import -o plugin.aot plugin.wasm。
为了生成的wasm文件可以兼容JIT模式，使用WAMR仓库下的脚本生成合并文件：python3 wasm-micro-runtime/test-tools/append-aot-to-wasm/append_aot_to_wasm.py --aot plugin.aot --wasm plugin.wasm -o plugin.aot.wasm
以提升最大的oauth插件为例，可以使用下述配置进行复现：
k6压测命令：k6 run --vus 300 ./script.js --duration 60s
k6压测脚本：

import http from 'k6/http';
import { check } from 'k6';

export default function () {
    const res = http.get('http://11.164.3.16:10000/',{headers: {'Authorization':'Bearer eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6ImFwcGxpY2F0aW9uL2F0K2p3dCJ9.eyJhdWQiOiJ0ZXN0MiIsImNsaWVudF9pZCI6Ijk1MTViNTY0LTBiMWQtMTFlZS05YzRjLTAwMTYzZTEyNTBiNSIsImV4cCI6MTY2NTY3MzgyOSwiaWF0IjoxNjY1NjczODE5LCJpc3MiOiJIaWdyZXNzLUdhdGV3YXkiLCJqdGkiOiIxMDk1OWQxYi04ZDYxLTRkZWMtYmVhNy05NDgxMDM3NWI2M2MiLCJzY29wZSI6InRlc3QiLCJzdWIiOiJjb25zdW1lcjEifQ.LsZ6mlRxlaqWa0IAZgmGVuDgypRbctkTcOyoCxqLrHY'}});
    check(res, { 'status was 200': (r) => r.status == 200 });
}

envoy配置片段

                  - name: envoy.filters.http.wasm
                    typed_config:
                      "@type": type.googleapis.com/envoy.extensions.filters.http.wasm.v3.Wasm
                      config:
                        name: "my_plugin"
                        configuration:
                          "@type": "type.googleapis.com/google.protobuf.StringValue"
                          value: |
                            {
                                "consumers": [
                                    {
                                        "name": "consumer1",
                                        "client_id": "9515b564-0b1d-11ee-9c4c-00163e1250b5",
                                        "client_secret": "9e55de56-0b1d-11ee-b8ec-00163e1250b5"
                                    }
                                ],
                                "clock_skew_seconds": 3153600000
                            }
                        vm_config:
                          runtime: envoy.wasm.runtime.wamr
                          #runtime: envoy.wasm.runtime.v8
                          code:
                            local:
                             filename: "oauth.aot.wasm"
                          allow_precompiled: true

性能提升原因

主要的原因包含：

WAMR提供了深度优化的预编译的能力。在部署前，WAMR将Wasm opcodes翻译为IR，经过定制的优化流水线，生成指定平台的机器码。在运行时，执行预编译后的Wasm可以获得媲美native binary的性能。
WAMR采用了高度优化的FFI。有效降低在host(c/c++)和guest(wasm)两个世界间“穿梭”时需要的类型转换和内存拷贝的次数，减少不必要的损耗。
WAMR可以智能感知平台的硬件加速能力并予以充分利用。比如当运行在X86平台时，WAMR实现了学术界最新提出的”segue”算法，利用GS寄存器作为寻址方法，提升了访问Wasm线性空间的效率。

未来展望

在Higress团队和WAMR团队之间的紧密协作下，除了在网关场景提升Wasm插件性能，还带来了很多实用的新特性即将发布，敬请期待：

支持生成CPU火焰图，例如下面是Wasm插件中执行fibonacci递归看到的CPU火焰图：
支持Wasm插件中逻辑问题导致Crash后，插件日志中打印完整的函数堆栈，并可以通过WAMR提供的addr2line工具定位到源代码中的具体行号
支持观测每个Wasm插件模块的CPU和内存占用情况
支持使用TypeScript编写Wasm插件，完整语法支持

欢迎更多开发者一起参与Higress和WAMR开源社区，GitHub项目地址：
Higress: https://github.com/alibaba/higress
WAMR: https://github.com/bytecodealliance/wasm-micro-runtime