WASI（ワージー）

2025年11月9日

WASI（ワージー）

英語表記: WASI (WebAssembly System Interface)

概要

WASIは、WebAssembly（Wasm）というポータブルなバイトコードが、ウェブブラウザの外部環境、具体的にはサーバーやIoTデバイスなどのホストOS上で安全かつ標準的な方法で動作するために設計されたシステムインターフェースです。Wasmは本来、強力なセキュリティ境界（サンドボックス）の中で動作し、ホストOSのファイルシステムやネットワーク機能に直接アクセスできません。WASIは、このサンドボックスの制約を崩すことなく、OSレベルの機能へアクセスするための標準化されたAPIセットを提供することで、Wasmをブラウザ外のバイトコードと仮想マシン環境で活用可能にするための鍵となる技術です。

詳細解説

WASIは、私たちが指定した階層構造、特に「コンパイルと言語処理系」が生み出した「バイトコード」を「サンドボックス」内で実行する際の、最も重要な課題を解決するために生まれました。

WASIの目的と背景

WebAssemblyは、C、C++、Rustなどの様々なプログラミング言語から生成できる中間言語（バイトコード）であり、その最大の特徴は、実行環境からの完全な隔離、すなわち強力なサンドボックス機能にあります。これにより、Wasmモジュールは悪意のある動作をホストシステムに及ぼすことができません。

しかし、サーバーサイドやコマンドラインツールとしてWasmを利用する場合、ファイル読み書き、ネットワーク通信、環境変数の取得といったOS機能（システムコール）が必須となります。ブラウザ環境では、これらのアクセスはブラウザAPI（JavaScriptのFetch APIなど）を通じて間接的に行われていましたが、ブラウザのない環境ではこの仕組みが利用できません。

ここでWASIが登場します。WASIは、OSの機能への安全なアクセスを標準化するために設計されました。WASIは、POSIX（Portable Operating System Interface）のような既存のOSインターフェースを参考にしつつ、セキュリティを最優先した設計になっています。

WASIの動作原理：サンドボックスとの対話

Wasmのランタイム（仮想マシン）は、Wasmバイトコードを実行する役割を担っています。Wasmコードがファイルを開こうとする場合、直接OSのopen()関数を呼び出すのではなく、WASIによって定義された特定の関数（例：wasi_snapshot_preview1::fd_open）を呼び出します。

Wasm側からのリクエスト: バイトコードが、標準化されたWASI APIを呼び出します。
仮想マシン（ホスト）による仲介: Wasmランタイム（仮想マシン）がこのWASIコールをインターセプトします。
セキュリティチェックと変換: ランタイムは、Wasmモジュールがその操作を行う権限を持っているか（パーミッション管理）を厳密にチェックします。チェックが通れば、ランタイムはWASIコールをホストOS固有のシステムコール（Linuxのopen()など）に変換して実行させます。

この仕組みの肝は、Wasmモジュールはどのファイルにアクセスできるか、どのネットワークポートを使えるかといった権限を、実行前にホスト側（仮想マシン）から明示的に付与されなければならない点です。これにより、Wasmのサンドボックス機能は維持されつつ、必要な機能だけが安全に解放されます。これは、バイトコードと仮想マシン技術がもたらすポータビリティとセキュリティを両立させる、非常に洗練されたアプローチだと言えるでしょう。

WASIの構成要素

WASIはモジュール化されており、ファイルシステムアクセス、ネットワーク、クロック、乱数生成など、OSが提供すべき基本的な機能群を段階的に標準化しています。これにより、必要な機能だけをWasmモジュールに提供することが可能になり、実行環境のフットプリントを小さく保つことができます。

WASIは、コンパイル時にWasmバイトコードに組み込まれるのではなく、あくまでホスト環境（仮想マシン）が提供すべきインターフェースの仕様です。したがって、WASIに対応したランタイム（例：Wasmtime, Wasmer）上でWasmを実行することで、初めてOS機能を利用できるようになるのです。これは、コンパイルと言語処理系によって生成されたバイトコードが、様々な環境で差別なく動作するための「共通語」を提供している、と考えるとわかりやすいかもしれませんね。

具体例・活用シーン

WASIの導入により、WebAssemblyは単なるブラウザ技術ではなく、サーバーサイドやエッジコンピューティングにおける革命的な技術へと進化しました。この進化は、バイトコードと仮想マシンの持つポータビリティの真価を解放したと言えます。

1. サーバーレスコンピューティング

AWS LambdaやAzure Functionsのようなサーバーレス環境では、コードの起動速度とセキュリティ隔離が極めて重要です。Wasmは起動が非常に高速であり、WASIを利用することで、既存のコンテナ技術よりも厳格で軽量なサンドボックスを構成できます。例えば、Rustで書かれた高性能なAPI処理ロジックをWasmにコンパイルし、WASI対応ランタイムで実行することで、起動オーバーヘッドを最小限に抑えつつ、OSレベルのファイル操作やデータベース接続を安全に行うことが可能です。

2. エッジコンピューティング

IoTデバイスやCDNのエッジサーバーなど、リソースが限られた環境では、軽量な実行環境が求められます。WASIは、ホストOSの機能を抽象化し、Wasmバイトコードを共通のインターフェースで実行できるようにするため、異なるOS（Linux、Windows、特殊な組み込みOSなど）を持つエッジデバイス上でも、同じWasmモジュールを修正なしにデプロイできます。これは、コンパイルと言語処理系の目標である「一度書けばどこでも動く」を実現する上で、決定的な役割を果たします。

3. アナロジー：ホテルのルームサービスシステム

WASIを理解するための親しみやすいアナロジーとして、「セキュリティが厳重なホテルのルームサービスシステム」を考えてみましょう。

WebAssemblyモジュールは、ホテルの客室（サンドボックス）に滞在している宿泊客だとイメージしてください。この客室はセキュリティが非常に厳しく、窓は開かず、外部に直接出る扉もありません。宿泊客は安全に隔離されています。

しかし、宿泊客（Wasmモジュール）は水が飲みたい、食事を注文したい（ファイルアクセス、ネットワーク接続など）といった、外部のサービス（ホストOSの機能）を必要とします。

もし宿泊客が直接キッチンや倉庫に電話をかけたり、勝手にアクセスしたりできたら、セキュリティは崩壊してしまいます。そこでホテルは「ルームサービスシステム」（WASI）を導入します。

WASI API: 宿泊客が使う標準化されたメニューや電話番号です。「水を持ってきてください」「サラダを注文します」といった、決められた形式でのみリクエストが可能です。
Wasmランタイム（仮想マシン）: ホテルのフロントデスクやコンシェルジュです。宿泊客からのWASIリクエストを受け取り、宿泊客がそのサービスを受ける権限があるか（例えば、部屋代を払っているか）を確認します。
ホストOS: 実際のキッチンや倉庫です。

フロントデスク（仮想マシン）は、リクエストを安全にチェックした後、ホテル側のスタッフ（ホストOS）に指示を出し、サービスを実行させます。WASIのおかげで、宿泊客は安全な客室に留まったまま、必要な外部サービスを標準化された方法で受け取ることができるのです。これは、バイトコードと仮想マシンの隔離性を維持しつつ、実用性を高める見事な設計と言えます。

資格試験向けチェックポイント

WASIは比較的新しい技術ですが、WebAssemblyの普及に伴い、応用情報技術者試験や高度試験において、セキュリティ、仮想化、エッジコンピューティングの文脈で出題される可能性が高まっています。特に「サンドボックス」機能との連携が重要です。

定義: WebAssemblyがブラウザ外で動作するための「標準インターフェース」であること。
目的: Wasmの「サンドボックス」機能（セキュリティ）を維持しつつ、ホストOSの機能（ファイル、ネットワーク）にアクセスするために利用されること。
階層との関連: バイトコードのポータビリティとサンドボックスの安全性を両立させる技術である点。

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| 応用情報技術者/高度試験 |

アーキテクチャ: Wasmモジュールが直接システムコールを呼び出すのではなく、WASI APIを通じて仮想マシン（ランタイム）が仲介し、ホストOSに変換するという仕組みを理解する。
セキュリティ: WASIがパーミッションベースのアクセス制御を可能にし、Wasmのセキュリティモデルを強化している点。
応用分野: サーバーレスコンピューティングやエッジコンピューティングにおける高速起動、軽量な仮想化、言語非依存の実行環境としての利点。
キーワード: サンドボックス、バイトコード、ホストOSインターフェース、エッジコンピューティング。

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| 学習のヒント | WASIはWebAssemblyを「コンテナ技術の次」として注目させる要因です。なぜ従来のコンテナ（Dockerなど）よりもWasm+WASIが優れているか（軽量性、起動速度、厳格な隔離）という対比構造で理解すると、知識が定着しやすいでしょう。 |