التحقق من صحة وحدات WebAssembly: ضمان الأمان والسلامة في وقت التشغيل

ظهر WebAssembly (Wasm) كتقنية محورية لتطوير الويب الحديث وما بعده، حيث يقدم بيئة تنفيذ محمولة وفعالة وآمنة. ومع ذلك، فإن طبيعة Wasm ذاتها – القدرة على تنفيذ كود مصرّف من مصادر مختلفة – تستلزم تحققًا صارمًا لضمان الأمان ومنع الكود الخبيث من تعريض النظام للخطر. يستكشف هذا المقال الدور الحاسم للتحقق من صحة وحدات WebAssembly، مع التركيز بشكل خاص على التحقق في وقت التشغيل وأهميته في الحفاظ على سلامة وأمان التطبيقات.

ما هو التحقق من صحة وحدات WebAssembly؟

التحقق من صحة وحدات WebAssembly هو عملية التحقق من أن وحدة Wasm تلتزم بالمواصفات والقواعد المحددة في معيار WebAssembly. تتضمن هذه العملية تحليل بنية الوحدة وتعليماتها وبياناتها للتأكد من أنها جيدة التكوين وآمنة من حيث النوع ولا تنتهك أي قيود أمنية. يعد التحقق أمرًا بالغ الأهمية لأنه يمنع تنفيذ الكود الذي قد يكون خبيثًا أو به أخطاء قد تؤدي إلى ثغرات أمنية مثل فيضان المخزن المؤقت (buffer overflows) أو حقن الكود أو هجمات الحرمان من الخدمة.

يحدث التحقق عادة في مرحلتين رئيسيتين:

• التحقق في وقت التصريف: هذا هو التحقق الأولي الذي يحدث عند تصريف أو تحميل وحدة Wasm. يقوم بفحص البنية الأساسية وصياغة الوحدة للتأكد من توافقها مع مواصفات Wasm.
• التحقق في وقت التشغيل: يحدث هذا التحقق أثناء تنفيذ وحدة Wasm. يتضمن مراقبة سلوك الوحدة للتأكد من أنها لا تنتهك أي قواعد سلامة أو قيود أمنية أثناء تشغيلها.

سيركز هذا المقال بشكل أساسي على التحقق في وقت التشغيل.

لماذا يعتبر التحقق في وقت التشغيل مهمًا؟

على الرغم من أن التحقق في وقت التصريف ضروري لضمان السلامة الأساسية لوحدة Wasm، إلا أنه لا يمكنه اكتشاف جميع الثغرات المحتملة. قد تظهر بعض المشكلات الأمنية فقط أثناء وقت التشغيل، اعتمادًا على بيانات الإدخال المحددة أو بيئة التنفيذ أو التفاعلات مع الوحدات الأخرى. يوفر التحقق في وقت التشغيل طبقة إضافية من الدفاع من خلال مراقبة سلوك الوحدة وفرض سياسات الأمان أثناء تشغيلها. هذا مهم بشكل خاص في السيناريوهات التي يكون فيها مصدر وحدة Wasm غير موثوق به أو غير معروف.

فيما يلي بعض الأسباب الرئيسية التي تجعل التحقق في وقت التشغيل أمرًا بالغ الأهمية:

• الدفاع ضد الكود الذي يتم إنشاؤه ديناميكيًا: قد تقوم بعض التطبيقات بإنشاء كود Wasm ديناميكيًا في وقت التشغيل. التحقق في وقت التصريف ليس كافيًا لمثل هذا الكود، حيث يجب أن يحدث التحقق بعد إنشاء الكود.
• التخفيف من الثغرات في المصرّفات: حتى لو كان الكود المصدري الأصلي آمنًا، فإن الأخطاء في المصرّف يمكن أن تُدخل ثغرات في كود Wasm الذي تم إنشاؤه. يمكن أن يساعد التحقق في وقت التشغيل في اكتشاف هذه الثغرات ومنع استغلالها.
• فرض سياسات الأمان: يمكن استخدام التحقق في وقت التشغيل لفرض سياسات الأمان التي لا يمكن التعبير عنها في نظام الأنواع الخاص بـ Wasm، مثل قيود الوصول إلى الذاكرة أو القيود على استخدام تعليمات محددة.
• الحماية من هجمات القنوات الجانبية: يمكن أن يساعد التحقق في وقت التشغيل في التخفيف من هجمات القنوات الجانبية من خلال مراقبة وقت التنفيذ وأنماط الوصول إلى الذاكرة لوحدة Wasm.

تقنيات التحقق في وقت التشغيل

يتضمن التحقق في وقت التشغيل مراقبة تنفيذ وحدة WebAssembly لضمان توافق سلوكها مع قواعد السلامة والأمان المحددة مسبقًا. يمكن استخدام عدة تقنيات لتحقيق ذلك، ولكل منها نقاط قوتها وقيودها.

1. البيئة المعزولة (Sandboxing)

العزل في بيئة محمية هو تقنية أساسية لعزل وحدة Wasm عن البيئة المضيفة والوحدات الأخرى. يتضمن ذلك إنشاء بيئة مقيدة يمكن للوحدة التنفيذ فيها دون أن يكون لها وصول مباشر إلى موارد النظام أو البيانات الحساسة. هذا هو أهم مفهوم يتيح استخدام WebAssembly بأمان في جميع السياقات.

توفر مواصفات WebAssembly آلية عزل مدمجة تعزل ذاكرة الوحدة ومكدسها وتدفق التحكم الخاص بها. يمكن للوحدة الوصول فقط إلى مواقع الذاكرة ضمن مساحة الذاكرة المخصصة لها، ولا يمكنها استدعاء واجهات برمجة تطبيقات النظام مباشرة أو الوصول إلى الملفات أو مقابس الشبكة. يجب أن تتم جميع التفاعلات الخارجية من خلال واجهات محددة جيدًا يتم التحكم فيها بعناية من قبل البيئة المضيفة.

مثال: في متصفح الويب، لا يمكن لوحدة Wasm الوصول مباشرة إلى نظام ملفات المستخدم أو الشبكة دون المرور عبر واجهات برمجة تطبيقات JavaScript الخاصة بالمتصفح. يعمل المتصفح كبيئة معزولة، ويتوسط في جميع التفاعلات بين وحدة Wasm والعالم الخارجي.

2. فحوصات سلامة الذاكرة

تعد سلامة الذاكرة جانبًا حاسمًا من جوانب الأمان. يمكن أن تكون وحدات WebAssembly، مثل أي كود آخر، عرضة للأخطاء المتعلقة بالذاكرة مثل فيضان المخزن المؤقت (buffer overflows) والوصول خارج الحدود والاستخدام بعد التحرير (use-after-free). يمكن أن يتضمن التحقق في وقت التشغيل فحوصات لاكتشاف هذه الأخطاء ومنعها.

التقنيات:

• التحقق من الحدود: قبل الوصول إلى موقع في الذاكرة، يتحقق المدقق من أن الوصول يقع ضمن حدود منطقة الذاكرة المخصصة. هذا يمنع فيضان المخزن المؤقت والوصول خارج الحدود.
• جمع البيانات المهملة (Garbage collection): يمكن أن يمنع جمع البيانات المهملة التلقائي تسرب الذاكرة وأخطاء الاستخدام بعد التحرير عن طريق استعادة الذاكرة التي لم تعد قيد الاستخدام بواسطة الوحدة تلقائيًا. ومع ذلك، لا يحتوي WebAssembly القياسي على جمع للبيانات المهملة. تستخدم بعض اللغات مكتبات خارجية.
• تمييز الذاكرة: يتم تمييز كل موقع في الذاكرة ببيانات وصفية تشير إلى نوعه وملكيته. يتحقق المدقق من أن الوحدة تصل إلى مواقع الذاكرة بالنوع الصحيح وأن لديها الأذونات اللازمة للوصول إلى الذاكرة.

مثال: تحاول وحدة Wasm كتابة بيانات تتجاوز حجم المخزن المؤقت المخصص لسلسلة نصية. يكتشف فحص الحدود في وقت التشغيل هذه الكتابة خارج الحدود وينهي تنفيذ الوحدة، مما يمنع حدوث فيضان محتمل في المخزن المؤقت.

3. سلامة تدفق التحكم (CFI)

سلامة تدفق التحكم (CFI) هي تقنية أمان تهدف إلى منع المهاجمين من اختطاف تدفق التحكم في البرنامج. تتضمن مراقبة تنفيذ البرنامج والتأكد من أن عمليات نقل التحكم تحدث فقط إلى المواقع المستهدفة المشروعة.

في سياق WebAssembly، يمكن استخدام CFI لمنع المهاجمين من حقن كود خبيث في جزء الكود الخاص بالوحدة أو إعادة توجيه تدفق التحكم إلى مواقع غير مقصودة. يمكن تنفيذ CFI عن طريق تزويد كود Wasm بأدوات لإدراج فحوصات قبل كل عملية نقل تحكم (مثل استدعاء دالة، أو العودة، أو التفرع). تتحقق هذه الفحوصات من أن العنوان المستهدف هو نقطة دخول أو عنوان عودة صالح.

مثال: يحاول مهاجم الكتابة فوق مؤشر دالة في ذاكرة وحدة Wasm. تكتشف آلية CFI هذه المحاولة وتمنع المهاجم من إعادة توجيه تدفق التحكم إلى الكود الخبيث.

4. فرض أمان النوع

تم تصميم WebAssembly ليكون لغة آمنة من حيث النوع، مما يعني أن نوع كل قيمة معروف في وقت التصريف ويتم التحقق منه أثناء التنفيذ. ومع ذلك، حتى مع التحقق من النوع في وقت التصريف، يمكن استخدام التحقق في وقت التشغيل لفرض قيود إضافية على أمان النوع.

التقنيات:

• التحقق الديناميكي من النوع: يمكن للمدقق إجراء فحوصات ديناميكية للنوع للتأكد من أن أنواع القيم المستخدمة في العمليات متوافقة. يمكن أن يساعد هذا في منع أخطاء النوع التي قد لا يكتشفها المصرّف.
• حماية الذاكرة القائمة على النوع: يمكن للمدقق استخدام معلومات النوع لحماية مناطق الذاكرة من الوصول إليها بواسطة كود لا يملك النوع الصحيح. يمكن أن يساعد هذا في منع ثغرات ارتباك النوع (type confusion).

مثال: تحاول وحدة Wasm إجراء عملية حسابية على قيمة ليست رقمًا. يكتشف فحص النوع في وقت التشغيل عدم تطابق النوع هذا وينهي تنفيذ الوحدة.

5. إدارة الموارد والحدود

لمنع هجمات الحرمان من الخدمة وضمان تخصيص عادل للموارد، يمكن للتحقق في وقت التشغيل فرض حدود على الموارد التي تستهلكها وحدة WebAssembly. قد تشمل هذه الحدود:

• استخدام الذاكرة: الحد الأقصى لمقدار الذاكرة الذي يمكن للوحدة تخصيصه.
• وقت التنفيذ: الحد الأقصى للوقت الذي يمكن للوحدة أن تنفذ فيه.
• عمق المكدس: أقصى عمق لمكدس الاستدعاءات.
• عدد التعليمات: الحد الأقصى لعدد التعليمات التي يمكن للوحدة تنفيذها.

يمكن للبيئة المضيفة تعيين هذه الحدود ومراقبة استهلاك الوحدة للموارد. إذا تجاوزت الوحدة أيًا من الحدود، يمكن للبيئة المضيفة إنهاء تنفيذها.

مثال: تدخل وحدة Wasm في حلقة لا نهائية، مما يستهلك وقتًا مفرطًا من وحدة المعالجة المركزية. تكتشف بيئة التشغيل هذا وتنهي تنفيذ الوحدة لمنع هجوم الحرمان من الخدمة.

6. سياسات الأمان المخصصة

بالإضافة إلى آليات الأمان المدمجة في WebAssembly، يمكن استخدام التحقق في وقت التشغيل لفرض سياسات أمان مخصصة خاصة بالتطبيق أو البيئة. قد تشمل هذه السياسات:

• التحكم في الوصول: تقييد وصول الوحدة إلى موارد أو واجهات برمجة تطبيقات محددة.
• تعقيم البيانات: التأكد من تعقيم بيانات الإدخال بشكل صحيح قبل استخدامها بواسطة الوحدة.
• توقيع الكود: التحقق من أصالة وسلامة كود الوحدة.

يمكن تنفيذ سياسات الأمان المخصصة باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات، مثل:

• التزويد بالأدوات (Instrumentation): تعديل كود Wasm لإدراج فحوصات ونقاط إنفاذ.
• الاعتراض (Interposition): اعتراض الاستدعاءات إلى الوظائف الخارجية وواجهات برمجة التطبيقات لفرض سياسات الأمان.
• المراقبة (Monitoring): ملاحظة سلوك الوحدة واتخاذ إجراء إذا انتهكت أي سياسات أمان.

مثال: يتم استخدام وحدة Wasm لمعالجة البيانات التي يقدمها المستخدم. يتم تنفيذ سياسة أمان مخصصة لتعقيم بيانات الإدخال قبل استخدامها بواسطة الوحدة، مما يمنع الثغرات المحتملة في البرمجة النصية عبر المواقع (XSS).

أمثلة عملية للتحقق في وقت التشغيل قيد التنفيذ

دعنا نفحص عدة أمثلة عملية لتوضيح كيفية تطبيق التحقق في وقت التشغيل في سيناريوهات مختلفة.

1. أمان متصفح الويب

تعد متصفحات الويب مثالًا رئيسيًا للبيئات التي يكون فيها التحقق في وقت التشغيل أمرًا بالغ الأهمية. تقوم المتصفحات بتنفيذ وحدات Wasm من مصادر مختلفة، قد يكون بعضها غير موثوق به. يساعد التحقق في وقت التشغيل على ضمان عدم تمكن هذه الوحدات من المساس بأمن المتصفح أو نظام المستخدم.

السيناريو: يقوم موقع ويب بتضمين وحدة Wasm تقوم بمعالجة صور معقدة. بدون التحقق في وقت التشغيل، يمكن لوحدة خبيثة أن تستغل الثغرات للوصول غير المصرح به إلى بيانات المستخدم أو تنفيذ كود عشوائي على نظامه.

إجراءات التحقق في وقت التشغيل:

• البيئة المعزولة (Sandboxing): يعزل المتصفح وحدة Wasm في بيئة معزولة، مما يمنعها من الوصول إلى نظام الملفات أو الشبكة أو الموارد الحساسة الأخرى دون إذن صريح.
• فحوصات سلامة الذاكرة: يقوم المتصفح بإجراء فحوصات الحدود وغيرها من فحوصات سلامة الذاكرة لمنع فيضان المخزن المؤقت والأخطاء الأخرى المتعلقة بالذاكرة.
• حدود الموارد: يفرض المتصفح حدودًا على استخدام الوحدة للذاكرة ووقت التنفيذ والموارد الأخرى لمنع هجمات الحرمان من الخدمة.

2. WebAssembly من جانب الخادم

يتم استخدام WebAssembly بشكل متزايد على جانب الخادم لمهام مثل معالجة الصور وتحليل البيانات ومنطق خادم الألعاب. يعد التحقق في وقت التشغيل ضروريًا في هذه البيئات للحماية من الوحدات الخبيثة أو التي بها أخطاء والتي يمكن أن تعرض أمان الخادم أو استقراره للخطر.

السيناريو: يستضيف خادم وحدة Wasm تعالج الملفات التي حمّلها المستخدم. بدون التحقق في وقت التشغيل، يمكن لوحدة خبيثة أن تستغل الثغرات للوصول غير المصرح به إلى نظام ملفات الخادم أو تنفيذ كود عشوائي على الخادم.

إجراءات التحقق في وقت التشغيل:

البيئة المعزولة (Sandboxing): يعزل الخادم وحدة Wasm في بيئة معزولة، مما يمنعها من الوصول إلى الموارد الحساسة أو التداخل مع الوحدات الأخرى.

التحكم في الوصول: يفرض الخادم سياسات التحكم في الوصول لتقييد وصول الوحدة إلى موارد أو واجهات برمجة تطبيقات محددة.

تعقيم البيانات: يقوم الخادم بتعقيم بيانات الإدخال قبل استخدامها بواسطة الوحدة، مما يمنع الثغرات المحتملة مثل حقن SQL أو البرمجة النصية عبر المواقع.

3. الأنظمة المدمجة

يجد WebAssembly طريقه أيضًا إلى الأنظمة المدمجة، مثل أجهزة إنترنت الأشياء وأنظمة التحكم الصناعي. يعد التحقق في وقت التشغيل أمرًا بالغ الأهمية في هذه البيئات لضمان سلامة وموثوقية الأجهزة.

السيناريو: يقوم جهاز إنترنت الأشياء بتشغيل وحدة Wasm تتحكم في وظيفة حرجة، مثل التحكم في محرك أو قراءة مستشعر. بدون التحقق في وقت التشغيل، يمكن لوحدة خبيثة أن تتسبب في عطل الجهاز أو تعرض أمنه للخطر.

إجراءات التحقق في وقت التشغيل:

فحوصات سلامة الذاكرة: يقوم الجهاز بإجراء فحوصات الحدود وغيرها من فحوصات سلامة الذاكرة لمنع الأخطاء المتعلقة بالذاكرة.

سلامة تدفق التحكم: يفرض الجهاز CFI لمنع المهاجمين من اختطاف تدفق التحكم في الوحدة.

حدود الموارد: يفرض الجهاز حدودًا على استهلاك الوحدة للموارد لمنع هجمات الحرمان من الخدمة.

التحديات والاعتبارات

على الرغم من أن التحقق في وقت التشغيل ضروري للأمان، إلا أنه يطرح أيضًا تحديات واعتبارات يجب على المطورين أن يكونوا على دراية بها:

• الحمل الزائد على الأداء: يمكن أن يضيف التحقق في وقت التشغيل عبئًا على تنفيذ وحدات WebAssembly، مما قد يؤثر على الأداء. من المهم تصميم آليات التحقق بعناية لتقليل هذا العبء.
• التعقيد: يمكن أن يكون تنفيذ التحقق في وقت التشغيل معقدًا، ويتطلب فهمًا عميقًا لمواصفات WebAssembly ومبادئ الأمان.
• التوافق: قد لا تكون آليات التحقق في وقت التشغيل متوافقة مع جميع تطبيقات WebAssembly أو بيئاتها. من المهم اختيار تقنيات تحقق مدعومة على نطاق واسع ومختبرة جيدًا.
• النتائج الإيجابية الخاطئة: قد ينتج عن التحقق في وقت التشغيل أحيانًا نتائج إيجابية خاطئة، حيث يتم الإبلاغ عن كود شرعي على أنه قد يكون خبيثًا. من المهم ضبط آليات التحقق بعناية لتقليل عدد النتائج الإيجابية الخاطئة.

أفضل الممارسات لتنفيذ التحقق في وقت التشغيل

لتنفيذ التحقق في وقت التشغيل لوحدات WebAssembly بشكل فعال، ضع في اعتبارك أفضل الممارسات التالية:

• استخدام نهج متعدد الطبقات: اجمع بين تقنيات تحقق متعددة لتوفير حماية شاملة.
• تقليل الحمل الزائد على الأداء: قم بتحسين آليات التحقق لتقليل تأثيرها على الأداء.
• الاختبار الشامل: اختبر آليات التحقق بمجموعة واسعة من وحدات WebAssembly والمدخلات لضمان فعاليتها.
• البقاء على اطلاع دائم: حافظ على تحديث آليات التحقق بأحدث مواصفات WebAssembly وأفضل ممارسات الأمان.
• استخدام المكتبات والأدوات الموجودة: استفد من المكتبات والأدوات الحالية التي توفر إمكانات التحقق في وقت التشغيل لتبسيط عملية التنفيذ.

مستقبل التحقق من صحة وحدات WebAssembly

يعد التحقق من صحة وحدات WebAssembly مجالًا متطورًا، مع استمرار البحث والتطوير بهدف تحسين فعاليته وكفاءته. تشمل بعض مجالات التركيز الرئيسية ما يلي:

• التحقق الرسمي: استخدام الأساليب الرسمية لإثبات صحة وأمان وحدات WebAssembly رياضيًا.
• التحليل الثابت: تطوير أدوات تحليل ثابتة يمكنها اكتشاف الثغرات المحتملة في كود WebAssembly دون تنفيذه.
• التحقق بمساعدة الأجهزة: الاستفادة من ميزات الأجهزة لتسريع التحقق في وقت التشغيل وتقليل الحمل الزائد على الأداء.
• التوحيد القياسي: تطوير واجهات وبروتوكولات موحدة للتحقق في وقت التشغيل لتحسين التوافق والتشغيل البيني.

الخلاصة

يعد التحقق من صحة وحدات WebAssembly جانبًا حاسمًا لضمان أمان وسلامة التطبيقات التي تستخدم WebAssembly. يوفر التحقق في وقت التشغيل طبقة دفاع أساسية من خلال مراقبة سلوك الوحدة وفرض سياسات الأمان أثناء تشغيلها. من خلال استخدام مزيج من البيئة المعزولة، وفحوصات سلامة الذاكرة، وسلامة تدفق التحكم، وفرض أمان النوع، وإدارة الموارد، وسياسات الأمان المخصصة، يمكن للمطورين التخفيف من الثغرات المحتملة وحماية أنظمتهم من كود WebAssembly الخبيث أو الذي به أخطاء.

مع استمرار تزايد شعبية WebAssembly واستخدامه في بيئات متنوعة بشكل متزايد، ستزداد أهمية التحقق في وقت التشغيل فقط. من خلال اتباع أفضل الممارسات والبقاء على اطلاع دائم بآخر التطورات في هذا المجال، يمكن للمطورين ضمان أن تطبيقات WebAssembly الخاصة بهم آمنة وموثوقة وعالية الأداء.