التحقق من أقسام WebAssembly المخصصة: الغوص العميق في سلامة البيانات الوصفية

تطورت WebAssembly (Wasm) إلى ما هو أبعد من دورها الأولي كمحسن أداء قائم على المتصفح لتطبيقات الويب. لقد أصبحت هدف تجميع عالمي ومحمول وآمن لبيئات الحوسبة السحابية، والحوسبة الطرفية، وإنترنت الأشياء، والبلوكتشين، وبنيات المكونات الإضافية. يوفر نموذج التنفيذ المعزول الخاص بها أساسًا أمنيًا قويًا، ولكن كما هو الحال مع أي تقنية قوية، يكمن الشر في التفاصيل. أحد هذه التفاصيل، والذي يعد مصدرًا للمرونة الهائلة وبقعة عمياء أمنية محتملة، هو القسم المخصص.

بينما يقوم وقت تشغيل WebAssembly بالتحقق بدقة من أقسام التعليمات البرمجية والذاكرة للوحدة، فإنه مصمم لتجاهل الأقسام المخصصة التي لا يتعرف عليها بالكامل. تتيح هذه الميزة لسلاسل الأدوات والمطورين تضمين بيانات وصفية عشوائية - من رموز التصحيح إلى واجهات برمجة تطبيقات العقود الذكية - دون كسر التوافق. ومع ذلك، فإن هذا السلوك "التجاهل افتراضيًا" يفتح أيضًا الباب أمام العبث بالبيانات الوصفية، وهجمات سلسلة التوريد، ونقاط الضعف الأخرى. كيف يمكنك الوثوق بالبيانات داخل هذه الأقسام؟ كيف تتأكد من أنها لم يتم تغييرها بشكل ضار؟

يتعمق هذا الدليل الشامل في الممارسة الحاسمة للتحقق من أقسام WebAssembly المخصصة. سنستكشف لماذا هذه العملية ضرورية لبناء أنظمة آمنة، ونحلل تقنيات مختلفة لفحص السلامة - من التجزئة البسيطة إلى التوقيعات الرقمية القوية - ونقدم رؤى قابلة للتنفيذ لتنفيذ هذه الفحوصات في تطبيقاتك الخاصة.

فهم تنسيق WebAssembly الثنائي: استعراض سريع

لتقدير تحدي التحقق من الأقسام المخصصة، من الضروري أولاً فهم الهيكل الأساسي لوحدة Wasm الثنائية. ملف `.wasm` ليس مجرد كتلة من تعليمات الجهاز؛ إنه تنسيق ثنائي منظم للغاية يتكون من "أقسام" مميزة، لكل منها غرض محدد.

تبدأ وحدة Wasm نموذجية برقم سحري (\0asm) ورقم إصدار، يليه سلسلة من الأقسام. يتم تصنيف هذه الأقسام على النحو التالي:

• الأقسام المعروفة: يتم تعريف هذه الأقسام بواسطة مواصفات WebAssembly وتفهمها جميع أوقات التشغيل المتوافقة. لها معرف قسم غير صفري. تشمل الأمثلة:
  • قسم النوع (معرف 1): يحدد تواقيع الوظائف المستخدمة في الوحدة.
  • قسم الوظائف (معرف 3): يربط كل وظيفة بتوقيع من قسم النوع.
  • قسم الذاكرة (معرف 5): يحدد ذاكرة الوحدة الخطية.
  • قسم التصدير (معرف 7): يجعل الوظائف أو الذكريات أو المتغيرات العامة متاحة لبيئة الاستضافة.
  • قسم التعليمات البرمجية (معرف 10): يحتوي على البايتات التنفيذية الفعلية لكل وظيفة.
• الأقسام المخصصة: هذا هو مجال تركيزنا. يتم تحديد القسم المخصص بواسطة معرف القسم 0. تنص مواصفات Wasm على أنه يجب على أوقات التشغيل والأدوات تجاهل أي قسم مخصص لا يفهمونه بصمت.

تشريح القسم المخصص

تم تصميم بنية القسم المخصص بشكل متعمد لتكون عامة للسماح بأقصى قدر من المرونة. تتكون من ثلاثة أجزاء:

1. معرف القسم: دائمًا 0.
2. الاسم: سلسلة تحدد الغرض من القسم المخصص (على سبيل المثال، "name"، "dwarf_info"، "component-type"). يسمح هذا الاسم للأدوات بالعثور على الأقسام التي تهتم بها وتفسيرها.
3. الحمولة: تسلسل اختياري من البايتات. يعتمد محتوى هذا الحمولة وتنسيقه بالكامل على الأداة أو التطبيق الذي أنشأه. لا تضع وقت تشغيل Wasm نفسه أي قيود على هذه البيانات.

هذا التصميم سلاح ذو حدين. إنه ما يسمح للنظام البيئي بالابتكار، وتضمين بيانات وصفية غنية مثل معلومات تعطل Rust، وبيانات وقت تشغيل Go، أو تعريفات نموذج المكون. ولكنه أيضًا السبب في أن وقت تشغيل Wasm القياسي لا يمكنه التحقق من صحة هذه البيانات - فهو ليس لديه فكرة عما يفترض أن تكون عليه البيانات.

البقعة العمياء الأمنية: لماذا البيانات الوصفية غير المتحقق منها تشكل خطرًا

تنشأ المشكلة الأمنية الأساسية من علاقة الثقة بين وحدة Wasm والأدوات أو التطبيقات المضيفة التي تستهلك بياناتها الوصفية. بينما يقوم وقت تشغيل Wasm بتنفيذ التعليمات البرمجية بأمان، قد تثق أجزاء أخرى من نظامك ضمنيًا في البيانات الموجودة في الأقسام المخصصة. يمكن استغلال هذه الثقة بعدة طرق.

ناقلات الهجوم عبر الأقسام المخصصة

• العبث بالبيانات الوصفية: يمكن للمهاجم تعديل قسم مخصص لخداع المطورين أو الأدوات. تخيل تغيير معلومات التصحيح (DWARF) للإشارة إلى أسطر رمز المصدر خاطئة، وإخفاء منطق ضار أثناء تدقيق أمني. أو، في سياق البلوكتشين، يمكن أن يؤدي تعديل واجهة برمجة تطبيقات العقود الذكية (واجهة ثنائية التطبيق) المخزنة في قسم مخصص إلى قيام تطبيق لامركزي (dApp) باستدعاء وظيفة خاطئة، مما يؤدي إلى خسارة مالية.
• رفض الخدمة (DoS): بينما يتجاهل وقت تشغيل Wasm الأقسام المخصصة غير المعروفة، فإن سلسلة الأدوات لا تفعل ذلك. غالبًا ما تقوم المترجمات، والروابط، وأدوات التصحيح، وأدوات التحليل الثابت بتحليل أقسام مخصصة محددة. يمكن للمهاجم صياغة قسم مخصص غير صحيح (على سبيل المثال، مع بادئة طول غير صحيحة أو بنية داخلية غير صالحة) مصممة خصيصًا لتعطيل هذه الأدوات، مما يعطل خطوط أنابيب التطوير والنشر.
• هجمات سلسلة التوريد: يمكن لحزمة تطوير شهيرة موزعة كوحدة Wasm أن تحتوي على قسم مخصص ضار تم حقنه فيها بواسطة خادم بناء تم اختراقه أو هجوم الوسيط. قد يحتوي هذا القسم على بيانات تكوين ضارة تقرأها لاحقًا التطبيقات المضيفة أو أدوات البناء، وتوجهها لتنزيل تبعية ضارة أو تسريب بيانات حساسة.
• معلومات مصدر مضللة: غالبًا ما تُستخدم الأقسام المخصصة لتخزين معلومات البناء، أو تجزئات رمز المصدر، أو بيانات الترخيص. يمكن للمهاجم تعديل هذه البيانات لتغطية أصل وحدة ضارة، أو نسبها إلى مطور موثوق به، أو تغيير ترخيصها من ترخيص مقيد إلى ترخيص متسامح.

في جميع هذه السيناريوهات، قد تعمل وحدة Wasm نفسها بشكل مثالي ضمن البيئة المعزولة. تكمن الثغرة الأمنية في النظام البيئي حول وحدة Wasm، والذي يتخذ قرارات بناءً على بيانات وصفية يُفترض أنها موثوقة.

تقنيات فحص سلامة البيانات الوصفية

للتخفيف من هذه المخاطر، يجب عليك الانتقال من نموذج الثقة الضمنية إلى نموذج التحقق الصريح. يتضمن ذلك تنفيذ طبقة تحقق تتحقق من سلامة وأصالة الأقسام المخصصة الهامة قبل استخدامها. دعنا نستكشف العديد من التقنيات، بدءًا من البسيط وصولًا إلى الآمن تشفيريًا.

1. التجزئة والمجموع الاختباري

أبسط شكل لفحص السلامة هو استخدام دالة تجزئة تشفيرية (مثل SHA-256).

• كيف تعمل: أثناء عملية البناء، بعد إنشاء قسم مخصص (على سبيل المثال، `my_app_metadata`)، تقوم بحساب تجزئة SHA-256 الخاصة به. يتم بعد ذلك تخزين هذه التجزئة، إما في قسم مخصص مخصص آخر (على سبيل المثال، `my_app_metadata.sha256`) أو في ملف بيان خارجي يرافق وحدة Wasm.
• التحقق: يقرأ التطبيق أو الأداة المستهلكة قسم `my_app_metadata`، ويحسب تجزئته، ويقارنها بالتجزئة المخزنة. إذا تطابقا، فقد لم يتم تغيير البيانات منذ حساب التجزئة. إذا لم يتطابقا، يتم رفض الوحدة على أنها تم العبث بها.

الإيجابيات:

• بسيطة التنفيذ وسريعة حسابيًا.
• توفر حماية ممتازة ضد التلف العرضي والتعديل المتعمد.

السلبيات:

• لا توجد أصالة: تثبت التجزئة أن البيانات لم تتغير، لكنها لا تثبت من أنشأها. يمكن للمهاجم تعديل القسم المخصص، وإعادة حساب التجزئة، وتحديث قسم التجزئة أيضًا. إنها تعمل فقط إذا تم تخزين التجزئة نفسها في موقع آمن وغير قابل للتلاعب.
• يتطلب قناة ثانوية للثقة في التجزئة نفسها.

2. التوقيعات الرقمية (التشفير غير المتماثل)

للحصول على ضمان أقوى بكثير يوفر السلامة والأصالة، تعد التوقيعات الرقمية المعيار الذهبي.

• كيف تعمل: تستخدم هذه التقنية زوج مفاتيح عام/خاص. يحتفظ منشئ وحدة Wasm بمفتاح خاص.
  1. أولاً، يتم حساب تجزئة تشفيرية لحمولة القسم المخصص، تمامًا كما في الطريقة السابقة.
  2. بعد ذلك، يتم تشفير (توقيع) هذه التجزئة باستخدام المفتاح الخاص للمنشئ.
  3. يتم تخزين التوقيع الناتج في قسم مخصص آخر (على سبيل المثال، `my_app_metadata.sig`). يجب توزيع المفتاح العام المقابل للمدقق. يمكن تضمين المفتاح العام في التطبيق المضيف، أو جلبه من سجل موثوق به، أو حتى وضعه في قسم مخصص آخر (على الرغم من أن هذا يتطلب آلية منفصلة للثقة في المفتاح العام نفسه).
• التحقق: يقوم مستهلك وحدة Wasm بتنفيذ هذه الخطوات:
  1. يحسب تجزئة حمولة قسم `my_app_metadata`.
  2. يقرأ التوقيع من قسم `my_app_metadata.sig`.
  3. باستخدام المفتاح العام للمنشئ، يقوم بفك تشفير التوقيع للكشف عن التجزئة الأصلية.
  4. يقارن التجزئة المفككة بالتجزئة التي حسبها في الخطوة الأولى. إذا تطابقا، فإن التوقيع صالح. يثبت هذا شيئين: لم يتم العبث بالبيانات (السلامة)، وتم توقيعها بواسطة حامل المفتاح الخاص (الأصالة/المصدر).

الإيجابيات:

• يوفر ضمانات قوية لكل من السلامة والأصالة.
• يمكن توزيع المفتاح العام على نطاق واسع دون المساس بالأمن.
• يشكل أساس سلاسل توريد البرامج الآمنة.

السلبيات:

• أكثر تعقيدًا في التنفيذ والإدارة (توليد المفاتيح، التوزيع، الإلغاء).
• عبء حسابي طفيف أثناء التحقق مقارنة بالتجزئة البسيطة.

3. التحقق المستند إلى المخطط

تضمن فحوصات السلامة والأصالة عدم تغيير البيانات وأنها من مصدر موثوق، لكنها لا تضمن أن البيانات صحيحة التنسيق. قد يؤدي قسم مخصص غير صالح هيكليًا إلى تعطيل محلل. يعالج التحقق المستند إلى المخطط هذا.

• كيف تعمل: تحدد مخططًا صارمًا للتنسيق الثنائي لحمولة قسمك المخصص. يمكن تحديد هذا المخطط باستخدام تنسيق مثل Protocol Buffers، أو FlatBuffers، أو حتى مواصفات مخصصة. يحدد المخطط التسلسل المتوقع لأنواع البيانات والأطوال والهياكل.
• التحقق: المدقق هو محلل يحاول فك تشفير حمولة القسم المخصص وفقًا للمخطط المحدد مسبقًا. إذا نجح التحليل دون أخطاء (على سبيل المثال، لا تجاوزات للمخزن المؤقت، لا عدم تطابق في الأنواع، جميع الحقول المتوقعة موجودة)، يعتبر القسم صالحًا هيكليًا. إذا فشل التحليل في أي نقطة، يتم رفض القسم.

الإيجابيات:

• يحمي المحللات من البيانات غير الصحيحة، مما يمنع فئة من هجمات DoS.
• يفرض الاتساق والصحة في البيانات الوصفية.
• يعمل كشكل من أشكال التوثيق لتنسيق بياناتك المخصص.

السلبيات:

• لا يحمي من المهاجم الماهر الذي ينشئ حمولة صالحة هيكليًا ولكنها ضارة دلاليًا.
• يتطلب صيانة المخطط وكود المدقق.

نهج طبقات: أفضل ما في العالمين

هذه التقنيات ليست حصرية. في الواقع، تكون أكثر قوة عند دمجها في استراتيجية أمان متعددة الطبقات:

خط أنابيب التحقق الموصى به:

1. تحديد وعزل: أولاً، قم بتحليل وحدة Wasm للعثور على القسم المخصص المستهدف (على سبيل المثال، `my_app_metadata`) وقسم التوقيع المقابل له (`my_app_metadata.sig`).
2. التحقق من الأصالة والسلامة: استخدم التوقيع الرقمي للتحقق من أن قسم `my_app_metadata` أصلي ولم يتم العبث به. إذا فشل هذا الفحص، ارفض الوحدة فورًا.
3. التحقق من الهيكل: إذا كان التوقيع صالحًا، فانتقل إلى تحليل حمولة قسم `my_app_metadata` باستخدام مدققك المستند إلى المخطط. إذا كان غير صحيح، ارفض الوحدة.
4. استخدام البيانات: فقط بعد اجتياز كلا الفحصين، يمكنك الوثوق بالبيانات الوصفية واستخدامها بأمان.

يضمن هذا النهج متعدد الطبقات أنك محمي ليس فقط من العبث بالبيانات ولكن أيضًا من الهجمات المستندة إلى التحليل، مما يوفر وضعًا أمنيًا قويًا للدفاع المتعمق.

التنفيذ العملي والأدوات

يتطلب تنفيذ هذا التحقق أدوات يمكنها معالجة وفحص ثنائيات Wasm. يوفر النظام البيئي العديد من الخيارات الممتازة.

أدوات لمعالجة الأقسام المخصصة

• wasm-tools: مجموعة من أدوات سطر الأوامر وعلبة Rust لتحليل وطباعة ومعالجة ثنائيات Wasm. يمكنك استخدامه لإضافة أقسام مخصصة أو إزالتها أو فحصها كجزء من نص برمجي للبناء. على سبيل المثال، يمكن استخدام أمر `wasm-tools strip` لإزالة الأقسام المخصصة، بينما يمكن بناء برامج مخصصة باستخدام علبة `wasm-tools` لإضافة التوقيعات.
• Binaryen: مكتبة بنية أساسية للمترجم وسلسلة الأدوات لـ WebAssembly. يمكن استخدام أداة `wasm-opt` الخاصة بها لمختلف التحويلات، وتوفر واجهة برمجة التطبيقات C++ تحكمًا دقيقًا في بنية الوحدة، بما في ذلك الأقسام المخصصة.
• سلاسل الأدوات الخاصة باللغة: غالبًا ما توفر أدوات مثل `wasm-bindgen` (لـ Rust) أو المترجمات للغات الأخرى آليات أو مكونات إضافية لحقن أقسام مخصصة أثناء عملية الترجمة.

رمز وهمي لمدقق

فيما يلي مثال مفاهيمي رفيع المستوى لما قد تبدو عليه دالة مدقق في تطبيق مضيف:

function validateWasmModule(wasmBytes, trustedPublicKey) { // الخطوة 1: تحليل الوحدة للعثور على الأقسام ذات الصلة const module = parseWasmSections(wasmBytes); const metadataSection = module.findCustomSection("my_app_metadata"); const signatureSection = module.findCustomSection("my_app_metadata.sig"); if (!metadataSection || !signatureSection) { throw new Error("القسم المخصص للبيانات الوصفية أو التوقيع المطلوب مفقود."); } // الخطوة 2: التحقق من التوقيع الرقمي const metadataPayload = metadataSection.payload; const signature = signatureSection.payload; const isSignatureValid = crypto.verify(metadataPayload, signature, trustedPublicKey); if (!isSignatureValid) { throw new Error("توقيع البيانات الوصفية غير صالح. قد تكون الوحدة قد تم العبث بها."); } // الخطوة 3: إجراء التحقق المستند إلى المخطط try { const parsedMetadata = MyAppSchema.decode(metadataPayload); // البيانات صالحة ويمكن الوثوق بها return { success: true, metadata: parsedMetadata }; } catch (error) { throw new Error("البيانات الوصفية غير صالحة هيكليًا: " + error.message); } }

حالات الاستخدام في العالم الحقيقي

الحاجة إلى التحقق من الأقسام المخصصة ليست نظرية. إنها متطلب عملي في العديد من حالات استخدام Wasm الحديثة.

• عقود ذكية آمنة على بلوكتشين: يصف ABI للعقد الذكي وظائفه العامة. إذا تم تخزين هذا ABI في قسم مخصص، فيجب توقيعه. هذا يمنع الجهات الفاعلة الضارة من خداع محفظة المستخدم أو dApp للتفاعل مع العقد بشكل غير صحيح عن طريق تقديم ABI احتيالي.
• قائمة مواد البرامج (SBOM) القابلة للتحقق: لتعزيز أمان سلسلة التوريد، يمكن لوحدة Wasm تضمين قائمة مواد البرامج الخاصة بها في قسم مخصص. يضمن توقيع هذا القسم أن قائمة التبعيات أصلية ولم يتم تغييرها لإخفاء مكون ضعيف أو ضار. يمكن للمستهلكين للوحدة بعد ذلك التحقق من محتوياتها تلقائيًا قبل الاستخدام.
• أنظمة مكونات إضافية آمنة: يمكن لتطبيق مضيف (مثل بروكسي، قاعدة بيانات، أو أداة إبداعية) استخدام Wasm لبنية المكونات الإضافية الخاصة به. قبل تحميل مكون إضافي لطرف ثالث، يمكن للمضيف التحقق من قسم مخصص `permissions` موقع. يمكن لهذا القسم الإعلان عن القدرات المطلوبة للمكون الإضافي (على سبيل المثال، الوصول إلى نظام الملفات، الوصول إلى الشبكة). يضمن التوقيع عدم تصعيد الأذونات من قبل مهاجم بعد النشر.
• التوزيع المستند إلى المحتوى: من خلال تجزئة جميع أقسام وحدة Wasm، بما في ذلك البيانات الوصفية، يمكن للمرء إنشاء معرف فريد لهذا البناء المحدد. يُستخدم هذا في أنظمة تخزين المستندات مثل IPFS، حيث السلامة مبدأ أساسي. التحقق من الأقسام المخصصة هو جزء رئيسي من ضمان هذه الهوية الحتمية.

المستقبل: التوحيد القياسي ونموذج المكون

يدرك مجتمع WebAssembly أهمية سلامة الوحدات. هناك مناقشات مستمرة داخل مجموعة مجتمع Wasm لتوحيد توقيع الوحدات والبدائيات الأمنية الأخرى. من شأن النهج الموحد أن يسمح لأوقات التشغيل والأدوات بإجراء التحقق أصليًا، مما يبسط العملية للمطورين.

علاوة على ذلك، يهدف نموذج مكون WebAssembly الناشئ إلى توحيد كيفية تفاعل وحدات Wasm مع بعضها البعض ومع المضيف. يحدد واجهات عالية المستوى في قسم مخصص يسمى `component-type`. ستكون سلامة هذا القسم أمرًا بالغ الأهمية لأمان النظام البيئي للمكون بأكمله، مما يجعل تقنيات التحقق التي تمت مناقشتها هنا أكثر أهمية.

الخاتمة: من الثقة إلى التحقق

توفر أقسام WebAssembly المخصصة مرونة أساسية، مما يسمح للنظام البيئي بتضمين بيانات وصفية غنية خاصة بالمجال مباشرة في الوحدات. ومع ذلك، تأتي هذه المرونة مع مسؤولية التحقق. يخلق السلوك الافتراضي لأوقات تشغيل Wasm - تجاهل ما لا تفهمه - فجوة ثقة يمكن استغلالها.

كمطور أو مهندس معماري يبني باستخدام WebAssembly، يجب عليك تغيير عقليتك من الثقة الضمنية بالبيانات الوصفية إلى التحقق الصريح منها. من خلال تنفيذ استراتيجية تحقق متعددة الطبقات تجمع بين فحوصات المخطط للصحة الهيكلية والتوقيعات الرقمية للسلامة والأصالة، يمكنك سد هذه الفجوة الأمنية.

يتطلب بناء نظام Wasm آمن وقوي وجدير بالثقة جهدًا في كل طبقة. لا تدع بياناتك الوصفية تكون نقطة الضعف في سلسلة الأمان الخاصة بك. تحقق من أقسامك المخصصة، وحماية تطبيقاتك، وابنِ بثقة.