Натив клиент

Автор вПрограммы

Native Client

Native Client

Разработчик

Написана на

Си и C++

Операционная система

кроссплатформенность

Первый выпуск

16 сентября 2011

Аппаратная платформа

x86, x86-64, ARM и MIPS

Последняя версия

  • 49

Состояние

Разрабатывается

Лицензия

Сайт

developers.google.com/na…

Native Client (NaCl) — технология песочницы для запуска кода на платформах x86, x86-64, ARM и MIPS, позволяющая безопасно запускать машинный код непосредственно в браузере независимо от операционной системы со скоростью, приближённой к запуску машинного кода. Эта технология также может быть использована для создания защищённых плагинов для браузера, частей какого-либо приложения либо самих приложений, например ZeroVM.

Чтобы показать готовность технологии, 9 декабря 2011 года Google представила игру с богатой графикой (на данный момент игра уже недоступна). NaCl использует аппаратное ускорение 3D-графики через OpenGL ES 2.0, запускаясь в песочнице local storage с возможностью полноэкранного режима и взаимодействием с мышью.

Переносимый Native Client (англ. Portable Native Client, сокр. PNaCl) — это архитектурно-независимая версия данной технологии. Приложения PNaCl используют технологии AOT-компиляции. Основная идея NaCl (запуск машинного кода в браузере) была реализована ещё в ActiveX, которая имеет множество проблем с безопасностью. Технология NaCl избегает этого, используя песочницу.

Существует альтернатива NaCl под названием asm.js, которая так же позволяет компилировать приложения, написанные на Си или C++, для запуска непосредственно в браузере (со скоростью, приближенной к машинному коду), поддерживает AOT-компиляцию и притом является подмножеством языка JavaScript, т. е. обратно совестима с браузерами, не имеющими её встроенной поддержки. Ещё одной альтернативой NaCl (хотя и изначально основанной на PNaCl) является WebAssembly.

12 октября 2016 в баг-трекере проекта Chromium появился комментарий, упоминающий о роспуске команд, работающих над Google’s Pepper и Native Client.

30 мая 2017 Google объявила об отказе от PNaCl в пользу WebAssembly.

Описание

Native Client является проектом с открытым исходным кодом. К настоящему времени Quake, XaoS, Battle for Wesnoth, Doom, Lara Croft and the Guardian of Light, From Dust и MAME, а также система программного синтезирования звука Csound были портированы на Native Client. Технология доступна в браузере Google Chrome начиная с версии 14 и активирована по умолчанию начиная с версии 31, в которой был официально представлен Portable Native Client (PNaCl).

Реализация технологии на платформе ARM была выпущена в марте 2010. Платформы x86-64, IA-32 и MIPS поддерживались изначально.

Для запуска при помощи технологии PNaCl приложение должно быть скомпилировано в архитектурно-независимый байт-код формата LLVM. Созданные таким образом исполняемые файлы называются PNaCl executable (pexe). Средства сборки PNaCl производят .pexe файлы; NaCl — .nexe. .nexe файлы имеют сигнатуру 0x7F ‘E’ ‘L’ ‘F’ (т.е. являются ELF файлами). Chrome для запуска транслирует pexe в архитектурно-зависимые исполняемые файлы.

NaCl использует программное обнаружение ошибок и защиту песочницы в платформах x86-64 и ARM. Реализация в x86-32 отличается новым способом организации песочницы. По технологии песочницы Native Client устанавливает свои сегменты памяти в архитектуре x86. Также используется верификатор кода для предотвращения вызова небезопасных системных вызовов. Для предотвращения перехода в незащищённую часть вызова Native Client требует, чтобы все косвенные переходы начинались с 32-байт-выровненных блоков, кроме того, инструкциям не разрешается покидать данные блоки. Из-за этих ограничений код, написанный на Си или C++, должен быть перекомпилирован особым образом для запуска с применением технологии Native Client, что может быть сделано с помощью специализированных версий GNU toolchain, в частности, GNU Compiler Collection, GNU Binutils и LLVM.

Native Client использует Newlib в качестве стандартной библиотеки языка Си, однако порт GNU C Library также доступен.

Pepper

Pepper API — кроссплатформенное свободное API для создания модулей для Native Client. Плагин Pepper API (англ. Pepper Plugin API, сокр. PPAPI) — кроссплатформенное API для защищённых технологией Native Client плагинов, основанное на NPAPI, но полностью переписанное. На данный момент используется в Chromium-подобных браузерах для запуска PPAPI-версии Adobe Flash и встроенной программы просмотра PDF-файлов.

PPAPI

12 августа 2009 на странице Google Code был представлен проект Pepper, связанный с разработкой плагина Pepper API, на которой было написано, что PPAPI — набор модификаций NPAPI для создания подобных плагинов более переносными и безопасными. Плагин был создан для лёгкой реализации запуска вне процесса. В дальнейшем целью проекта стало обеспечивание основы для создания полностью кроссплатформенных плагинов. Планировалось реализовать данные технологии:

  • Универсальная семантика NPAPI для всех браузеров.
  • Запуск в отдельном процессе от самого браузера.
  • Стандартизация процесса рендеринга, используя браузер.
  • Определение стандартных событий и растеризация 2D функций.
  • Основа для 3D графики.
  • Плагин регистраций.

В дальнейшем использование PPAPI помогло реализовать поддержку геймпадов и WebSocket.

Начиная с 13 мая 2010 года Chromium стал единственным браузером, поддерживающим новую модель плагинов. Mozilla Firefox не поддерживает Pepper, так как нет полной спецификации API за пределами её реализации в Chrome, которая была создана только для браузерного движка Blink. По состоянию на 2016 год Pepper поддерживается в Chrome, Chromium и браузерах на Blink, например Opera.

Реакция общества

Чад Остин (англ. Chad Austin, создатель IMVU) похвалил путь Native Client по созданию высокопроизводительных приложений для веб (с производительностью всего лишь на 5 % меньше машинного кода), в то же время позволяя развивать клиентские приложения, предоставляя возможность выбора языка программирования (кроме JavaScript).

Джон Кармак, совладелец компании Id Software, упомянул Native Client на QuakeCon 2012:

Если вам нужно сделать что-то в браузере, куда более интересен Native Client, который начался как по-настоящему умный хак x86, с помощью которого возможно сделать нужное, не выходя из песочницы уровня доступа пользователя. Теперь есть динамическая перекомпиляция, и то, что вы пишете на C или C++, компилируется в нечто, что не является высокооптимизированным машинным кодом, но чрезвычайно близко к машинному коду. Вы можете делать любые сумасшедшие операции с указателями и всё прочее, что привыкли делать разработчики игр на уровне железа.

Кармак, Джон

Оригинальный текст (англ.):

Вице-президент Mozilla Джей Салливан (англ. Jay Sullivan) сообщил, что у Mozilla нет планов запускать машинный код в браузере, так как

Эти нативные приложения являются чёрными ящиками на веб-странице. Мы верим в технологию HTML, и именно в неё мы вложим свои силы.

Джей Салливан (англ. Jay Sullivan)

Оригинальный текст (англ.):

These native apps are just little black boxes in a webpage. We really believe in HTML, and this is where we want to focus.

Сотрудник Mozilla Кристофер Близзард раскритиковал технологию NaCl, утверждая, что машинный код ни в коей мере не должен быть использован в вебе. Также он сравнил NaCl с технологией Microsoft ActiveX, которая достигла ситуации DLL hell.

Хокон Виум Ли (норв. Håkon Wium Lie), технический директор Opera, верит, что

NaCl как будто «стремится в те старые плохие времена, до веба» Суть Native Client в построении новой платформы — или портировании старой в веб что привнесёт сложность и проблемы безопасности и лишит веб-платформу внимания.

Хокон Виум Ли (норв. Håkon Wium Lie)

Оригинальный текст (англ.):

Брендан Эйх, технический директор Mozilla, сказал, что ECMAScript 6 вполне достаточно, чтобы удовлетворить все потребности в создании приложения для веб.

> См. также

  • Виртуализация приложений
  • Sandboxie
  • asm.js
  • WebAssembly
  • XBAP

Примечания

  1. Google’s Native Client goes live in Chrome — 2011.
  2. Native Client support on ARM — 2013.
  3. https://developer.chrome.com/native-client/sdk/release-notes#chrome-pepper-49
  4. 1 2 3 Metz, Cade. Google Native Client: The web of the future — or the past? (англ.) (12 September 2011). Дата обращения 6 августа 2016.
  5. Ходаковский, Константин. Новая технология Google Chrome приносит игру Bastion в браузер (13 декабря 2011). Дата обращения 6 августа 2016.
  6. Stefansen, Christian. Games, apps and runtimes come to Native Client (англ.) (9 December 2011). Дата обращения 6 августа 2016.
  7. Rosenblatt, Seth. Native Client turns Chrome into high-end gaming platform (англ.) (9 December 2011). Дата обращения 6 августа 2016.
  8. Bugs.chromium.org (англ.). bugs.chromium.org (12 November 2016). Дата обращения 7 марта 2018.
  9. Goodbye PNaCl, Hello WebAssembly! (англ.), Chromium Blog (30 мая 2017). Дата обращения 7 марта 2018.
  10. Humphries, Matthew. Google shows off Quake-clone running in Native Client (англ.) (13 May 2010). Дата обращения 6 августа 2016.
  11. Chen, Brad. A new Stable release of Chrome, expanding the frontiers of the web (англ.) (16 September 2011). Дата обращения 6 августа 2016.
  12. Sehr, David. Portable Native Client: The «pinnacle» of speed, security, and portability (англ.) (12 November 2013). Дата обращения 6 августа 2016.
  13. Sehr, David. Native Client support on ARM (англ.) (22 January 2013). Дата обращения 6 августа 2016.
  14. Alan Donovan, Robert Muth, Brad Chen, David Sehr. PNaCl: Portable Native Client Executables (англ.) (22 February 2010). Архивировано 12 марта 2016 года.
  15. David Sehr, Robert Muth, Cliff L. Biffle, Victor Khimenko, Egor Pasko, Bennet Yee, Karl Schimpf, Brad Chen. Adapting Software Fault Isolation to Contemporary CPU Architectures (англ.) (2010). Дата обращения 6 августа 2016.
  16. 1 2 Bennet Yee, David Sehr, Greg Dardyk, Brad Chen, Robert Muth, Tavis Ormandy, Shiki Okasaka, Neha Narula, Nicholas Fullagar. Native Client: A Sandbox for Portable, Untrusted x86 Native Code (англ.) (2009). Дата обращения 6 августа 2016.
  17. Building (англ.). Дата обращения 6 августа 2016.
  18. Schuh, Justin. The road to safer, more stable, and flashier Flash (англ.) (8 August 2012). Дата обращения 6 августа 2016.
  19. Metz, Cade. Google hugs Adobe harder with Chrome-PDF merge (англ.) (18 June 2010). Дата обращения 6 августа 2016.
  20. ppapi (англ.).
  21. ppapi — Concepts.wiki (англ.).
  22. Metz, Cade. Google heats up native code for Chrome OS (англ.) (13 May 2010). Дата обращения 6 августа 2016.
  23. Chad Austin. In Defense of Language Democracy (Or: Why the Browser Needs a Virtual Machine) (англ.) (8 January 2011). Дата обращения 6 августа 2016.
  24. Видеоролик QuakeCon 2012 (начало на 2 часу, 36 минута, 18 секунда) на YouTube, начиная с 2:36:18
  25. Metz, Cade. Mozilla: Our browser will not run native code (англ.) (24 June 2010). Дата обращения 6 августа 2016.
  26. Krill, Paul. JavaScript founder dismisses Google Native Client, pushes ECMAScript 6 (англ.) (31 May 2012). Дата обращения 6 августа 2016.

Что такое Native Client

Ребята из Гугла начали свой нелегкий труд над NaCl в далеком 2008 году. Задачи, которые они ставили перед собой, были сложны и амбициозны. Первым делом надо было обеспечить легкую переносимость legacy кода в NaCl. Это была фактически первопричина всей этой затеи. Если у нас есть куча старого и не очень кода на плюсах, который работал сугубо на десктопах, и мы вдруг решили, что пора осваивать веб, то нам не надо учить новые языки программирования и технологии, а достаточно лишь портировать имеющийся код на Native Client платформу.

Но даже если мы и готовы переписать все с нуля на незнакомых нам языках, не факт, что у нас выйдет то, что мы ожидали. Показывать качественную 2D- и 3D-графику, использовать многопоточность, да и вообще быть ближе к железу у нас ну никак не выйдет. Это была вторая цель, которую преследовала Google. Кроме того, как я уже сказал, никто не отменял относительно низкую производительность скриптовых языков в браузере.

Ко всему прочему, умные парни из Google подумали и о безопасности пользователей. Весь нативный код выполняется в двойной (!) песочнице, что позволяет блондинкам и прочим продвинутым личностям не бояться забагованных приложений и атак злых вирусов.

Ну и на десерт у нас платформонезависимость. Да-да! Мы можем написать плюсовый код, и он будет работать на Windows, OS X и даже, не побоюсь этого слова, Linux. А вишенкой на этом десерте будет поддержка x86- и ARM-архитектур.

В 2011-м Гуглец включил поддержку NaCl в Chrome. Другие браузеры, к сожалению, пока не поддержали инициативу интернет-гиганта. Старожилам интернета в голову невольно могут прийти воспоминания об ActiveX, который и ныне здравствует (в кругу любителей IE), но, в отличие от технологии Майкрософт, Native Client распространяется с открытым исходным кодом под новой лицензией BSD. Да и над безопасностью в NaCl подумали лучше.

Для чего можно использовать Native Client

На практике Native Client можно использовать в первую очередь для запуска игрушек в браузере. Собственно, первый опыт уже есть — под Google NaCl портировали Quake. Да, да, ту самую кваку 1996 года выпуска, в которой ты провел столько лет, разрубая жирных огров саперной лопаткой (если ты не знаешь, как зарубить лопатой вооруженного гранатометом и бензопилой огра, напиши мне) и разрывая в клочья зомби из рокетлаунчера.

Исполнение машинного кода в браузере отлично поможет разгрузить сервер. Например, если у нас есть онлайн-сервис для конвертации видео в разные форматы, то алгоритм работы с ним должен выглядеть примерно так: пользователь загружает видео на сервер, долго ждет, пока наш мощный CPU перелопатит файл, выбрасывая в атмосферу много калорий тепла, а потом счастливый юзер скачивает результат с нашего сервера. Но если мы перенесем конвертор с сервера на клиент, то мы сразу уберем нагрузку с нашего железа и нехило расчистим интернет-канал, который за «умеренную» плату предоставил нам хостер. Да и пользователь будет доволен — в среднем конвертация должна пройти быстрее, так как сотни мегабайт туда-обратно по сети не гоняются. А для юзеров с паранойей можно с гордостью заявить, что их драгоценные personal data целиком обрабатываются только на их ПК. Это, кстати, актуально и для корпоративного сектора.

Как это работает

Native Client — это общее название для набора разнообразных программных компонентов, которые работают вместе для обеспечения безопасного функционирования C++ кода в вебе. На высоком уровне NaCl состоит из тулчейна (компилятора, линкера и так далее) и рантайм-библиотек, которые встроены в браузер и позволяют нативному коду безопасно работать с нужными API.

Для переносимости приложений между разными архитектурами существует расширение Portable Native Client (PNaCl). Отличие его заключается в том, что при компиляции код транслируется в промежуточное представление, а уже после запуска на той или иной платформе браузер переводит это представление в машинный код.

Для обеспечения безопасности Гугл сделал две вещи. Первая — это специальный набор API, с которым может работать код, выполняющийся под NaCl. Нативный модуль не должен пытаться выйти за пределы разрешенного API, вмешиваться в работу стороннего кода или браузера.

Второй важный момент, обеспечивающий беззаботную жизнь для пользователей Native Client, — это специальный анализатор кода, который должен удостовериться, что приложение не пытается сделать ничего противоправного.

Кроме того, NaCl-модули всегда запускаются в процессах с ограниченными правами. Эти меры предосторожности позволяют говорить о двойной песочнице для нативного кода, работающего в браузере.

C++ код может общаться с JavaScript посредством специальных сообщений. Сообщения пересылаются асинхронно, то есть не надо ждать, пока другая сторона получит его.

Пишем Hello NaCl

Теперь у нас есть представление о Native Client, и нужно пробовать написать что-нибудь полезное… или не очень. Мы будем делать Hello World, ну или Hello NaCl.

Для начала нужно скачать и установить Native Client SDK. Ссылку на страницу загрузки ты найдешь во врезке. Там же будет и инструкция по установке. Скажу лишь, что обязательно будет нужен Python 2.7 и make.

Вместе с SDK идет простой веб-сервер, который может хостить приложения на localhost. Самый простой путь запустить его — это выполнить следующие команды:
$ cd pepper_$(VERSION)/getting_started
$ make serve
SDK может содержать в себе несколько разных версий, правильную нужно подставить вместо $(VERSION). Также можно использовать любой другой веб-сервер. PNaCl включен по умолчанию в версии хрома 31 и старше. Но нужно следить, чтобы выбранная версия SDK поддерживалась установленной версией Chrome.

Великий и могучий Гугл любит преданных разработчиков и потому любезно предоставил пример с минимальным кодом для создания NaCl-модуля. Лежит этот код в папке pepper_$(VERSION)/getting_started/part1 и состоит из нескольких файлов. Первый — это index.html. В нем находится HTMLLayout и JS-код для взаимодействия с плюсовым модулем. Если внимательно присмотреться, то можно заметить файл с расширением nmf, а точнее, hello_tutorial.nmf. Это манифест, который указывает на нашу HTML, NaCl-модуль и служит вместилищем дополнительных настроек для тонкого тюнинга.

Далее идет hello_tutorial.cc, он и является исходником на C++, который потом можно собрать с помощью Makefile. Сделать это до безобразия просто:
$ cd pepper_$(VERSION)/getting_started/part1
$ make
Если мы использовали веб-сервер, идущий вместе с SDK, то после сборки в хроме достаточно вбить такой URL: http://localhost:5103/part1, и ты станешь свидетелем чуда — текст на открывшейся странице изменится с LOADING… на SUCCESS. Впечатляет, не правда ли?

Так как мы собирались делать Hello NaCl, то нам придется немного изменить код. Для этого заглянем в файл index.html и найдем там JavaScript-функцию moduleDidLoad. Кстати, сейчас самое время пробежаться по всему коду HTML-файла и остановиться на непонятных вещах, благо все они щедро сдобрены комментариями. В функции moduleDidLoad происходит загрузка нашего NaCl-модуля hello_tutorial и вывод того самого текста SUCCESS, который мы успели лицезреть при переходе по линку /part1. Теперь пошлем нативному модулю слово hello, для этого достаточно вызвать функцию postMessage у переменной модуля. В коде это будет выглядеть примерно так:
function moduleDidLoad() {
HelloTutorialModule = document.getElementById(‘hello_tutorial’);
updateStatus(‘SUCCESS’);
// Посылаем сообщение Native Client модулю
HelloTutorialModule.postMessage(‘hello’);
}
Сообщение послали, теперь надо его получить. Для этого надо реализовать член-функцию HandleMessage в файле hello_tutorial.cc. В файле содержится TODO, которое недвусмысленно намекает на то, что нужно делать. В обработчике сообщения мы будем отправлять браузеру ответ с помощью функции PostMessage, но перед этим выполним пару проверок.
virtual void HandleMessage(const pp::Var& var_message) {
if (!var_message.is_string())
return;
std::string message = var_message.AsString();
pp::Var var_reply;
if (message == «hello») {
var_reply = pp::Var(«hello from NaCl»);
PostMessage(var_reply);
}
}
Как видно из кода, мы первым делом проверяем, пришла ли нам строка, а не что-то другое. Класс Var служит оберткой со счетчиком ссылок для сырых переменных C++. Именно объекты этого класса пересылаются между веб-страницей и нативным модулем. Далее мы проверяем, что нам пришло именно hello, и отправляем ответ, предварительно обернув его объектом класса Var.

В index.html уже есть обработчик сообщений от NaCl-модуля. Он просто выведет JS alert с полученной строкой:
function handleMessage(message_event) {
alert(message_event.data);
}
После того как мы сделали нужные изменения, можно пересобирать модуль и обновлять страницу http://localhost:5103/part1. Увидев message box с заветной строкой hello from NaCl, мы можем с гордостью заявить, что освоили новую технологию.

Гугл придумал полезную штуку. Жаль, что пока никто, кроме «корпорации добра», не поддержал Native Client платформу. Достаточно высокая производительность является преимуществом по сравнению с Java, апплеты которой также могут выполняться в браузере, а высокий уровень безопасности уделывает ActiveX от Microsoft. Будем ждать, пока Chrome захватит мир или другие разработчики браузеров внедрят в свои творения Native Client.

Полезные статьи: