wasm runtime 性能测试

上一篇文章分享了wasmer runtime，编译好的openssl.wasm文件可以独立运行，这篇文章分享openssl.wasm和原生openssl之间的性能对比。

测试硬件

主机 MacBook Pro
CPU 6-Core Intel Core i7 2.2 GHz/启动超线程
内存 16GB
磁盘 SSD

测试软件

Openssl LibreSSL 2.8.3
Openssl WASM openssl安装包版本 openssl 1.1.1d
WASMER 1.0.0-alpha4

测试方法

分别对 100/300/500 MB 进行多次加密解密，得到均值结果。注意，这里有些模式并不是标准的，所以没有全部模拟，仅供参考。

openssl 测试命令

#!/bin/bash

key="A665A45920422F9D417E4867EFDC4FB8"
iv="4632527467615238616971576a466653"
#file100、file300、file500
fileName="file100"
ecbEnFileName="ecb-en-${fileName}"
ecbDeFileName="ecb-de-${fileName}"
cbcEnFileName="cbc-en-${fileName}"
cbcDeFileName="cbc-de-${fileName}"
ctrEnFileName="ctr-en-${fileName}"
ctrDeFileName="ctr-de-${fileName}"
gcmEnFileName="gcm-en-${fileName}"
gcmDeFileName="gcm-dn-${fileName}"
echo "------start openssl-aes-128 encryption-------"
echo "------ECB Encryption-------"
time openssl enc -aes-128-ecb -in ${fileName} -out ${ecbEnFileName} -K ${key} -p
echo "------CBC Encryption-------"
time openssl enc -aes-128-cbc -in ${fileName} -out ${cbcEnFileName} -K ${key} -iv ${iv} -p
echo "------CTR Encryption-------"
time openssl enc -aes-128-ctr -in ${fileName} -out ${ctrEnFileName} -K ${key} -iv ${iv} -p
echo "------GCM Encryption-------"
time openssl enc -aes-128-gcm -in ${fileName} -out ${gcmEnFileName} -K ${key} -iv ${iv} -p

echo "#############################################################"
echo "------start openssl-aes-128 Decrypt-------"
echo "------ECB Decrypt-------"
time openssl enc -aes-128-ecb -d -in ${ecbEnFileName} -out ${ecbDeFileName} -K ${key} -p
echo "------CBC Decrypt-------"
time openssl enc -aes-128-cbc -d -in ${cbcEnFileName} -out ${cbcDeFileName} -K ${key} -iv ${iv} -p
echo "------CTR Decrypt-------"
time openssl enc -aes-128-ctr -d -in ${ctrEnFileName} -out ${ctrDeFileName} -K ${key} -iv ${iv} -p
echo "------GCM Decrypt-------"
time openssl enc -aes-128-gcm -d -in ${gcmEnFileName} -out ${gcmDeFileName} -K ${key} -iv ${iv} -p

openssl.wasm 测试命令

#!/bin/bash

key="A665A45920422F9D417E4867EFDC4FB8"
iv="4632527467615238616971576a466653"
#file100、file300、file500
fileName="file500"
ecbEnFileName="aes/ecb-en-${fileName}"
ecbDeFileName="aes/ecb-de-${fileName}"
cbcEnFileName="aes/cbc-en-${fileName}"
cbcDeFileName="aes/cbc-de-${fileName}"
ctrEnFileName="aes/ctr-en-${fileName}"
ctrDeFileName="aes/ctr-de-${fileName}"

# 创建需要的文件，wasm文件运行，不会把数据写入磁盘，所以需要提前准备文件
touch ${ecbEnFileName}
touch ${ecbDeFileName}
touch ${cbcEnFileName}
touch ${cbcDeFileName}
touch ${ctrEnFileName}
touch ${ctrDeFileName}

echo "------start openssl-aes-128 encryption-------"
echo "------ECB Encryption-------"
time wasmer run openssl.wasm --dir=. -- enc -aes-128-ecb -in ${fileName} -out ${ecbEnFileName} --nosalt -K ${key}
echo "------CBC Encryption-------"
time wasmer run openssl.wasm --dir=. -- enc -aes-128-cbc -in ${fileName} -out ${cbcEnFileName} --nosalt -K ${key} -iv ${iv}
echo "------CTR Encryption-------"
time wasmer run openssl.wasm --dir=. -- enc -aes-128-ctr -in ${fileName} -out ${ctrEnFileName} --nosalt -K ${key} -iv ${iv}

echo "#############################################################"
echo "------start openssl-aes-128 Decrypt-------"
echo "------ECB Decrypt-------"
time wasmer run openssl.wasm --dir=. -- enc -aes-128-ecb -d -in ${ecbEnFileName} -out ${ecbDeFileName} --nosalt -K ${key}
echo "------CBC Decrypt-------"
time wasmer run openssl.wasm --dir=. -- enc -aes-128-cbc -d -in ${cbcEnFileName} -out ${cbcDeFileName} --nosalt -K ${key} -iv ${iv}
echo "------CTR Decrypt-------"
time wasmer run openssl.wasm --dir=. -- enc -aes-128-ctr -d -in ${ctrEnFileName} -out ${ctrDeFileName} --nosalt -K ${key} -iv ${iv}

测试结果

Openssl

加密

模式/文件大小	100M	300M	500M	key数据大小
ECB	0.197s	0.970s	1.418s	128bit
CBC	0.244s	1.421s	1.278s	128bit
CTR	0.203s	0.587s	1.145s	128bit
GCM	0.303s	1.123s	1.710s	128bit

解密

模式/文件大小	100M	300M	500M	key数据大小
ECB	0.309s	1.014s	1.275s	128bit
CBC	0.260s	0.946s	1.630s	128bit
CTR	0.322s	1.081s	1.591s	128bit
GCM	0.429s	1.283s	1.842s	128bit

Openssl.wasm

加密

模式/文件大小	100M	300M	500M	key数据大小
ECB	1.775s	5.326s	8.996s	128bit
CBC	1.805s	5.563s	9.452s	128bit
CTR	2.011s	6.133s	10.350s	128bit

解密

模式/文件大小	100M	300M	500M	key数据大小
ECB	1.894s	5.780s	9.186s	128bit
CBC	1.880s	5.892s	10.123s	128bit
CTR	2.168s	6.297s	11.424s	128bit

结论

openssl.wasm与openssl根据不同加解密模式以及不同大小文件进行耗时对比来看，openssl.wasm速度没有原生的openssl执行效率高。具体什么原因，我也很好奇，网上的资料并不是很多，通过之前对wasm的研究个人理解可能是因为wasm虚拟机导致运行速度不是那么快。

WebAssembly的定义是基于堆栈的虚拟机的二进制指令格式。堆栈虚拟机模型是常见的内存管理结构，将数据和操作符压入栈中并弹出逐次执行。wasm的二进制指令是虚拟指令集，虚拟指令集（V-ISA）可以认为是对平台无关的一系列自定义操作符（如JVM），相对的，物理指令集(ISA)则是强依赖物理系统的(如Intel的x86-64)。

因为WASM依赖的是V-ISA指令集，即完全依赖宿主环境提供的操作指令。所以如果要在真实的操作系统上运行，必须要有一个“虚拟机”来翻译这些指令并屏蔽具体系统调用之间的差异。即需要类似JVM的WASM VM，WASI便是定义这些抽象的系统调用抽象层，WASM平台的系统接口。从而实现"一次编译，到处运行"的特点。

另一个特点是WASM安全性,WASM采用了沙箱机制。这意味着代码不能直接与操作系统交互。那么它是如何利用系统资源的呢？宿主机（可能是浏览器，也可能是 WASM 运行时）将函数放入代码可以使用的沙箱中。即虚拟机完全负责权限的控制，所有系统调用由外围控制，隔离出沙箱环境，这样可以避免第三方库带来的安全问题。

从可移植性和安全性上来分析，openssl.wasm对比直接在主机上安装的openssl，效率低一点是有道理的，不仅如此，在不同平台上wasm的速度也是有差异的。目前wasm还在发展阶段，感兴趣的朋友可以继续关注wasm动态。

使用场景

浏览器中应用 WebAssembly 的场景，比如：

将 C、C++、Rust 等语言编写的程序移植到浏览器
游戏：
- 需要快速打开的小游戏
- AAA 级，资源量很大的游戏。
- 游戏门户（代理/原创游戏平台）
图形图像处理领域，如页游、数据可视化等
加密工具
CAD 软件
音视频编解码等等

非浏览器应用场景，官方文档中也列了一些，不过都比较抽象

Fastly 与其他服务商的边缘云
Node 与 npm（参见译文）
- “WebAssembly 可以解决 Node 中最大的问题之一——如何获得接近原生速度，并像使用原生模块一样复用其他语言（如 C 与 C++）编写的代码，同时仍保持可移植性与安全性。标准化这个系统接口是实现这一目标的第一步。”
- “npm 极为感兴趣的是，WebAssembly 潜在具有扩展 npm 生态系统、并同时极大地简化在服务端 JavaScript 应用程序中运行原生代码过程的能力。我们期待这个过程的结果。”
插件系统。无论浏览器、IDE 还是任何其他地方的插件系统如果采用 WebAssembly 既能保证安全性避免插件代码越权，也能与开发语言解耦、有利于插件生态的繁荣。

更多使用场景参见官方文档：http://webassembly.org.cn/docs/use-cases/

未来方向

添加后续特性到 WebAssembly 标准的过程
- 直接操作 DOM
- 共享内存的并发性
- SIMD（单指令，多数据）
- 异常处理
- 其他改进——使开发者开发起来更简单
  - 一流的开发者工具
  - 垃圾回收
  - ES6 模块集成。

参考文档

在web之外运行WebAssembly的系统接口--原文作者：Lin Clark
- https://hacks.mozilla.org/2019/03/standardizing-wasi-a-webassembly-system-interface/
在web之外运行WebAssembly的系统接口--译文
- https://www.ituring.com.cn/article/507585
WebAssembly 线上研讨会2020年8月29日 · 线上活动
- https://www.w3.org/2020/08/29-chinese-web-wasm.minutes.html

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公众号：Netwarps