Rust: переваги і недоліки. Що пропонує ця мова для IoT-проєктів

Привіт, спільното DOU. Мене звати Михайло Майдан, я — Head of Rust department у Yalantis, а також Rust-євангеліст з багатьох причин. У компанії наразі ми маємо декілька поточних проєктів у секторі зеленої енергетики, медичного та промислового ІоТ з глибокою експертизою використання Rust. До цього я мав пʼять років досвіду роботи Embedded Engineer з використанням C/C++.

Сьогодні я розповім про те:

• як ми можемо використовувати Rust з Internet of Things;
• як Rust може допомогти цьому домену, а також як правильно вибрати мову програмування під IoT;
• подивимося невеликий приклад з практики, який я підготував;
• FAQ.

Технологія IoT зараз

Згідно зі звітом від Gartner, до кінця 2020 року у світі вже було близько 20,4 мільярда підімкнених пристроїв IoT. За прогнозами, ця кількість зросте до 30 мільярдів до 2025 року, а деякі оцінки навіть вказують, що до 2026 року це число може сягати 75 мільярдів. Глобальний ринок IoT очікувано перевищить 1,5 трильйона доларів до 2030 року, що свідчить про його величезний вплив на промисловість.

З розширенням сфери застосування IoT зростає потреба в міцних та надійних технологіях. Тут велику роль відіграють мови програмування, які є основою розробки IoT. Серед них Rust, відомий своєю увагою до безпеки та продуктивністю.

Сьогодні я пропоную глянути трохи під капот пристроїв, які називаються Things і є основою IoT. Типовий пристрій під IoT — це мікрочип з обмеженими: ресурсами, пам’яттю, а також швидкістю та потребою в енергоефективності. Багато таких пристроїв працюють на батарейках і потребують оптимізованих прошивок для довгого терміну служби батарей та пристрою в цілому.

На сьогодні для таких пристроїв вигідно використовувати три основні мови програмування, причому дві з них вибиваються у лідери — С та С++. Тобто 99,9% випадків прошивки під ІоТ-девайси, написано на C або C++, бо вони безпосередньо дозволяють працювати напряму з hardware.

Ці мови надають можливість manual memory management, що дозволяє розробникам ефективно керувати пам’яттю та використовувати ресурси пристроїв. Також варто відзначити MicroPython, оптимізовану версію Python для написання прошивок для embedded-пристроїв. Однак попри це, основні мови для розробки вбудованих систем — C і C++.

Ну і написання коду на Assembler вважається складним завданням і рідко використовується у комерційному програмуванні через його високі витрати та неефективність. Хоча деякі вставки Assembler можуть розв’язувати певні проблеми, основна частина коду залишається на C або C++.

Оскільки С/C++ мають певні проблеми (з якими вже борються багато років) і вони можуть призводити до серйозних похибок через неправильну поведінку або помилку програміста, що дуже ймовірно, зважаючи на складність мов, індустрія давно шукає технологію, яка дозволить розв’язувати проблеми С/C++ і водночас отримати максимум ефективності. Такою технологією є Rust.

Особливості Rust

Тепер перейдемо до молодого та перспективного Rust, який з’явився на ринку і пропагується як мова системного рівня, що підтримує multi-paradigm підхід. У Rust є Zero-Cost Abstraction, що також присутнє в C++, що дає можливість реалізовувати різні абстрактні конструкції та не платити за їхнє використання — швидкодією.

Що насправді цікаво, це те, що коли Rust вперше була запропонована Грейдоном Гоаром в компанії Mozilla, мова відразу почала набирати популярність, оскільки знаходила рішення для проблем, яким було вже по 30 років і які ніяк не могли вирішити в С/C++. Ці проблеми зазвичай призводили до втрати грошей, що само собою зацікавило бізнес.

Наприклад, проблеми з Undefined Behaviour та Memory Leak коштують дуже дорого. Вам потрібна дуже досвідчена команда для написання високоякісного ПЗ. Помилка програміста, як і дебагінг, може коштувати дуже дорого.
Rust виник як свіжий подих та повна сподівань технологія, яка може розв’язувати проблеми, над якими працюють протягом десятиліть.

Припустимо, ми маємо дуже простий IoT- пристрій, нам потрібно, щоб мова забезпечувала безпеку на всіх рівнях і не мала ситуації, коли код може аварійно завершитися через некоректні операції з пам’яттю. Для складніших IoT-девайсів важлива підтримка real-time операційних систем.
Тут також важливо мати розвинену екосистему для мови програмування, що дозволить вибирати серед різноманітних бібліотек та фреймворків. Це показує розвиток мови, якщо ком’юніті й екосистема мови зростає, особливо опенсорсна частина.

Розширення комʼюніті та підтримка великими компаніями, як-от Microsoft та Google, також свідчать про потенціал мови. Однією з переваг є також наявність сучасних функцій, таких як паттерн-матчинг, які можуть бути відсутні в інших мовах програмування, як-от C чи C++.

Недоліки Rust

Якою б прогресивною не була мова Rust, вона все-таки має недоліки, про які треба знати й мати на увазі, якщо є бажання свічнутися.

Складність вивчення: дехто говорить, що для тих, хто володіє C++, вивчення Rust може бути легше, оскільки вони вже ознайомлені з певними парадигмами та підходами, що використовуються в плюсах. Насправді Rust має дуже багато нових концепцій, які в інших мовах або не використовуються, або не такі популярні, що робить Rust трохи складнішим у вивченні.

Обмежена кількість якісних бібліотек: бібліотек специфічних для IoT у порівнянні з мовами, такими як C та C++ — дуже мало або вони не достатньо протестовані.

Відсутність достатньої кількості кваліфікованих фахівців: знайти спеціалістів, які володіють глибоким розумінням мови та її екосистемою, наразі не так легко. Підходи, що вже роками вдосконалюються в інших мовах програмування, можуть ще не бути налагодженими в Rust. Відсутність кваліфікованих кадрів впливає на час розробки і, відповідно, на вихід в реліз. Також невеликий розмір Developer Community порівняно з іншими мовами, такими як C чи C++, може впливати на доступність якісної інформації та рішень щодо проблем в Rust.

Хоча Rust має невелику, але дружню спільноту, яка постійно росте, наявність форумів та ресурсів для отримання інформації про проблеми ще не така розгалужена, як в C чи C++. Спільнота Rust наразі значна і постійно зростає, порівняно з іншими мовами програмування, але наразі це може розглядатися як недолік, оскільки менша кількість експертів та ресурсів може уповільнити розвиток мови.

Обмежений тулінг для роботи з різними апаратними пристроями. Хоча ці інструменти активно розвиваються, виробники апаратного забезпечення пишуть свої тули для роботи з власними пристроями.

Це позитивний аспект, оскільки це сприяє взаємодії мови з різноманітними мікроконтролерами. Проте на цьому етапі підтримка обмежується лише найбільш популярними виробниками, як-от STM, ISP, і Arduino. Інші чипи, можливо, не так широко підтримуються. Але слід зауважити, що це є тимчасовим явищем, і згодом ми можемо очікувати розширення підтримки для інших виробників чипів та апаратних пристроїв у мові Rust.

Переваги Rust

Memory Safety: Rust однозначно виграє в цьому сенсі, оскільки підходи, використовувані в C і C++, часто є застарілими, особливо в C. Навіть у C++, залежно від практик програмування, ситуація може бути кращою за C. У Rust Memory Safety вбудована на рівні типів та ownership-моделі, що сприяє написанню безпечного коду без використання ручного видалення пам’яті. Однак, у C++ також можна досягти безпеки, використовуючи сучасні підходи та принцип RAII.

Concurrency Support: у Rust це є стандартною можливістю, тоді як у C++ це може вимагати додаткових зусиль та використання бібліотек.

Memory Allocation і Deallocatio: С / C++ / Rust використовують підходи, які ґрунтуються на ручному або напівручному управлінні пам’яттю. В Rust тут є перевага, оскільки в нього використовується напівручний підхід, що зменшує можливість виникнення проблем, а сам компілятор робить дуже багато перевірок, щоб забезпечити правильний час життя об’єктів.

Modern Features: у Rust чи не найбільша кількість нових підходів, які були описані 10 років тому і які не використовувалися. Ownership model, pattern matching, etc — все це робить програми на Rust більш лаконічними та безпечними, не втрачаючи у швидкодії.

Ecosystem: C та C++ вже мають великі та встановлені екосистеми, тоді як у Rust росте та розширюється, але мова ще не досягла такого рівня.

Порівняння С / C++ / Rust

У таблиці нижче можна побачити порівняння мов програмування C / C++ / Rust для ІоТ- проєктів.

Враховуючи всі ці фактори, можна визначити, що Rust виявляється конкурентоспроможним в певних аспектах та готовим до поширення, зокрема в області вбудованих систем та розробки нових продуктів. Також система збірки й інфраструктура в Rust рівня God дає значні переваги для початку нових проєктів. А екосистема, яка постійно розвивається, надає все більше і більше якісних бібліотек, фреймворків для роботи з проєктами різної складності.

Що пропонує екосистема Rust для IoT-проєктів

Екосистема Rust пропонує трохи обмежену кількість проєктів, фреймворків та операційних систем, порівняно з мовами програмування. Однак навіть за цього обмеження існують реальні продукти та інструменти, які використовуються і досить успішно. Зазвичай це охоплює вбудовані системи, розробку програмного забезпечення з високими вимогами до безпеки, а також інші сфери, де Rust може виявитися корисним.

TOCKOS

Першим таким проєктом є операційна система TOCKOS — вбудована операційна система з підтримкою чипів Cortex-M. Вона має стабільну підтримку для Raspberry Pi, STM, NRF, та ESP. Підтримка для ESP наразі не є стабільною, але над цим працюють. Цей продукт повністю написаний на Rust.

Це real-time операційна система, яка має свій Kernel, Scheduler та свою модульну систему. Щодо User Space, TOCKOS підтримує всі програми, написані на C і Rust. Це означає, що використання бібліотек та динамічних бібліотек з C також можливе. Документація є доброю, надає приклади для різних чипів і зручна для початку роботи.

Однак недолік полягає в обмеженій підтримці девайсів та чипів, але розробники працюють над цим. Це відкритий проєкт, і його код доступний на GitHub. TOCKOS має добрий інструментарій, який можна встановити через Cargo, включаючи флешери та дебагери.

Riot

Це операційна система для IoT, написана на C. Однак це популярна операційна система та фреймворк, спеціально призначений для IoT, з підтримкою різних протоколів, таких як MQTT, TCP, QUIC, LoRaWAN, Bluetooth, Wi-Fi тощо. Riot надає нативну підтримку для різних мікроконтролерів, зокрема восьмибітні.

Однією з переваг і важливим кроком є введення підтримки Rust. Можна писати application, використовуючи Rust, але якщо глянути в їхню документацію, там скоріше можна розгубитися як це робити, ніж зрозуміти. Однак це свідчить про те, що Riot розглядає варіанти використання Rust для розробки програм і це позитивний крок для майбутнього. Riot є добре документованою, навіть краще, ніж TOCKOS, і має ефективний інструментарій, зокрема підтримка Cargo.

Embassy

Це не операційна система, а фреймворк для IoT, який має свій асинхронний екзекутор. Його основна перевага полягає в тому, що він дозволяє працювати в асинхронному режимі, що спрощує написання функцій за допомогою async / await. Фреймворк володіє власним планувальником задач і підтримує широкий спектр тасок.

Embassy надає більшу підтримку платформ, порівняно з TOCKOS, охоплюючи Terascale Pi, STM, NRF, ISP та інші, які можуть бути додані або вже підтримуються. Основна частина їхнього ядра написана на Rust, і вони надають підтримку мережевого стека, Bluetooth та різних протоколів для IoT.

Цей фреймворк дозволяє писати застосунки на Rust і вражає своєю модульністю, докладною документацією та ефективним інструментарієм. Проєкти, пов’язані з Rust, взагалі славляться хорошою документацією, використовуючи MD-буки та надаючи численні приклади інтерфейсів для користувачів.

Інші проєкти та фреймворки в екосистемі Rust

Наприклад, Hardware Abstraction Layer (HAL), який має цілий репозиторій на GitHub і описує абстракцію апаратної частини для Rust, призначений для використання на різних платформах.

Ще одним прикладом є AWS IoT Core, яка пропонує екосистему для IoT як сервіс. У них є SDK для Rust, що дозволяє писати застосунки для мікроконтролерів за допомогою Rust, працюючи з їхніми протоколами.

Eva — це інший фреймворк для IoT, який надає підтримку різних протоколів та дозволяє писати застосунки на Rust.

Також існують менш популярні бібліотеки та протоколи, які можна знайти на Create.io, такі як бібліотеки для LoRaWAN, MQTT, Quic, LWM2M, CoAP, а також для забезпечення безпеки, Bluetooth, Wi-Fi та інших IoT протоколів.

Хоча деякі з цих бібліотек можуть бути менш мачурними, вони постійно розвиваються, і зі зростанням попиту буде йти пропозиція нових та кращих рішень в цьому напрямку.

Висновок

Отже, Rust є хорошим вибором для IoT та Embedded-проєктів. Мова забезпечує безпеку на рівні типів і допомагає уникати null-pointers, а також немає undefined behavior. Для більш складних проєктів важлива підтримка конкурентності та можливість використовувати багатозадачний режим, і Rust забезпечує цю можливість.

Для успіху мови важливо, щоб екосистема продовжувала зростати та наповнюватися різними бібліотеками та фреймворками. Підтримка великими компаніями, як-от Microsoft та Google, також говорить про потенціал мови. Попри всі переваги, Rust усе ще має недоліки: зрілість екосистеми, високий поріг входу, різноманіття тулінгу.

Rust відрізняється універсальністю, підтримкою різних сфер, зокрема Embedded, Game Development та Backend Development. Хоча Rust може бути повільнішим у розробці порівняно з іншими мовами, він компенсує це безпекою, продуктивністю та зручністю інструментів.

Приклад з практики

Я створив невеликий проєкт під ESP32, який з першого погляду досить примітивний, але водночас є доволі показовим у тому, як легко створити та розгорнути проєкт для проведення PoC, щоб показати клієнту або перевірити гіпотезу.

Існує хороший гайд з того, як почати проєкт під чипи ESP32.

Перше, що нам знадобиться, це встановити Rust.

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh

Після цього потрібно встановити генератор шаблонів для cargo.

cargo install cargo-generate

ESP мають власні шаблони проєктів, якими можна скористатися. Є шаблони і під використання std, і no-std.

Згенеруймо проєкт з використанням std.

cargo generate esp-rs/esp-idf-template

Сам генератор є доволі інтерактивним і, крім імені проєкту, дозволяє вибрати такі опції:

• MCU target — чип, під який буде писати прошивка;
• версію ESP-IDF бібліотеки;
• std or no-std;
• використання Dev Containers — дуже зручний механізм, який дозволяє розробляти програму в докер-контейнері, де вже буде встановлено всі необхідні програми. Добре використовувати в поєднанні VS Code. Оскільки це дозволяє просто відкрити папку проєкту і займатися розробкою, не переймаючись за встановлені бібліотеки чи програми;
• використання Wokwi симулятора — це програма, яка дозволяє симулювати роботу з різними мікроконтролерами, а також периферією, яку можна під’єднати до цих мікроконтролерів. Дуже зручно для тих, хто ще немає реального девайса.

Після того, як генератор згенерує проєкт, його структуру буде виглядати так:

Ця структура повністю дозволяє займатися програмування і не перейматися інфраструктурою, оскільки вона вже тут розгорнута.

• В папці scripts є необхідні скрипти для того, щоб зібрати проєкт і залити його на реальний девайс.
• wokwi.toml та diagram.json — конфігураційні файли, які дозволяють запустити симулятор. Потрібна ліцензія для симулятора, вона безплатна й можна отримати тут.

Створімо доволі простий проєкт з LCD-дисплеєм, який підімкнений до ESP32 і буде виводити на екран: Hello World, Rust & Yalantis. Насправді цей приклад був взяти з сайту Wokwi та служить для показу можливостей Rust і екосистеми.

Я не буду розписувати весь код для роботи з lcd, а покажу тільки main.rs, де виконується вся логіка.

use esp_idf_hal::i2c::*;
use esp_idf_hal::prelude::*;
use esp_idf_hal::delay::FreeRtos;
use esp_idf_hal::peripherals::Peripherals;
mod lcd;
fn main() -> anyhow::Result<()> {
   let peripherals = Peripherals::take().unwrap();
   let i2c = peripherals.i2c0;
   let sda = peripherals.pins.gpio6;
   let scl = peripherals.pins.gpio5;
   let config = I2cConfig::new().baudrate(100.kHz().into());
   let mut i2c = I2cDriver::new(i2c, sda, scl, &config)?;
   let _ = lcd::init(&mut i2c);
   let _ = lcd::backlight(&mut i2c);
   let _ = lcd::set_cursor(&mut i2c, 0, 1);
   let _ = lcd::print_str(&mut i2c, "    Hello, World");
   let _ = lcd::set_cursor(&mut i2c, 0, 2);
   let _ = lcd::print_str(&mut i2c, "   Rust & Yalantis");
   loop {
       for _ in 0..3 {
           lcd::scroll_left(&mut i2c);
           FreeRtos::delay_ms(100);
       }
       for _ in 0..2 {
           for _ in 0..6 {
               lcd::scroll_right(&mut i2c);
               FreeRtos::delay_ms(100);
           }
           for _ in 0..6 {
               lcd::scroll_left(&mut i2c);
               FreeRtos::delay_ms(100);
           }
       }
       for _ in 0..3 {
           lcd::scroll_right(&mut i2c);
           FreeRtos::delay_ms(100);
       }
       for _ in 0..3 {
           lcd::no_backlight(&mut i2c);
           FreeRtos::delay_ms(250);
           lcd::backlight(&mut i2c);
           FreeRtos::delay_ms(250);
       }
   }
}

Код програми доволі простий, вона виводить на lcd вказаний текст і рухає ним по lcd з періодичністю у 100 мс.

Після цього ми можемо зібрати проєкт:

cargo build

І налаштувати шлях до бінарного файлу в wokwi.toml

[wokwi]
version = 1
gdbServerPort = 3333
elf = "target/riscv32imc-esp-espidf/debug/example"
firmware = "target/riscv32imc-esp-espidf/debug/example"

І кліпнувши на diagram.json запустити симулятор. Симулятор автоматично візьме firmware з вказаного місця і запустить проєкт, наче він раниться на реальному пристрої.

Це все, що робить приклад, але набагато важливіше, які можливості надає ця інфраструктура і Rust для розробки прототипів та їхнього налагодження. Wokwi також дає можливість запускати програму в режимі debug і налагоджувати програму.

FAQ

Які підходи до налагодження та тестування застосовуються при розробці IoT-застосунків на Rust, подібні до тих, що використовуються в C++?

У Rust, подібно до C++, налагодження передбачає використання дебагера, який підмикається до більшості пристроїв і допомагає налагоджувати їхню роботу. Ви можете завантажити код, встановлювати точки зупинки та запускати дебагер для аналізу виконання коду. Rust забезпечує цей підхід за допомогою свого інструментарію, зокрема GDB та інші дебаг-інструменти.

Як можна зменшити енергоспоживання IoT-пристроїв, використовуючи Rust?

Зменшення споживання енергії в ІоТ-пристроях залежить не тільки від вибору мови програмування, але і від вибору стратегії розробки. Зазвичай краще використовувати підхід з операційною системою реального часу та використовувати suspend mode, sleep mode.

Пристрій буде більшість часу в сплячому режимі та час від часу прокидатися і передавати дані. Rust, завдяки своїм можливостям системного програмування, а також безпеці, може бути корисним, але основна роль відводиться підходу до виконання задачі.

Які аспекти управління пам’яттю слід враховувати під час розробки IoT-пристроїв?

ІоТ-пристрої — це часто пристрої з обмеженою кількістю пам’яті. Rust завдяки своїм парадигмам до роботи з пам’яттю (ownership, lifetimes, etc) дозволяє найбільш ефективно її використовувати. Також завдяки строгим правилам мови зловити memory leaks і undefined behavior неможливо, від чого використання ресурсів буде найбільш ефективним.

З чого розпочати тим, хто ніколи не писав під IoT?

Рекомендується почати з використання симулятора. Спочатку зосередьтеся на засвоєнні основ вбудованих систем і спробуйте реалізувати прості проєкти. Поступово переходьте до реальних пристроїв, придбавши доступні набори, як-от Arduino, і переходьте до більш складних пристроїв залежно від набуття навичок і розуміння.

Підписуйтеся на Telegram-канал «DOU #tech», щоб не пропустити нові технічні статті