قيود نوع جدول WebAssembly: ضمان سلامة نوع جدول الوظائف

ظهرت تقنية WebAssembly (Wasm) كتقنية محورية لبناء تطبيقات عالية الأداء، محمولة، وآمنة عبر منصات مختلفة. من المكونات الرئيسية في بنية WebAssembly هو الجدول، وهو مصفوفة ديناميكية الحجم من عناصر externref أو funcref. يعد ضمان سلامة النوع داخل هذه الجداول، خاصة جداول الوظائف، أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة وأمان وحدات WebAssembly. يتعمق هذا المقال في قيود نوع جدول WebAssembly، مع التركيز بشكل خاص على سلامة نوع جدول الوظائف، وأهميتها، وتفاصيل تنفيذها، وفوائدها.

فهم جداول WebAssembly

جداول WebAssembly هي في الأساس مصفوفات ديناميكية يمكنها تخزين مراجع للوظائف أو قيم خارجية (غير شفافة). وهي آلية أساسية لتحقيق الإرسال الديناميكي وتسهيل التفاعل بين وحدات WebAssembly وبيئاتها المضيفة. يوجد نوعان رئيسيان من الجداول:

• جداول الوظائف (funcref): تخزن هذه الجداول مراجع لوظائف WebAssembly. تُستخدم لتنفيذ استدعاءات الوظائف الديناميكية، حيث يتم تحديد الوظيفة المراد استدعاؤها في وقت التشغيل.
• جداول المراجع الخارجية (externref): تحتفظ هذه الجداول بمراجع غير شفافة للكائنات التي تديرها البيئة المضيفة (على سبيل المثال، كائنات JavaScript في متصفح الويب). وهي تمكّن وحدات WebAssembly من التفاعل مع واجهات برمجة التطبيقات المضيفة والبيانات الخارجية.

يتم تعريف الجداول بـنوع وحجم. يحدد النوع نوع العنصر الذي يمكن تخزينه في الجدول (مثل funcref أو externref). ويحدد الحجم العدد الأولي والأقصى للعناصر التي يمكن أن يحتويها الجدول. يمكن أن يكون الحجم ثابتًا أو قابلاً للتغيير. على سبيل المثال، قد يبدو تعريف الجدول كما يلي (بتنسيق WAT، وهو تنسيق نص WebAssembly):

            (table $my_table (ref func) (i32.const 10) (i32.const 20))
            

              
                Copy
              
            
          

يعرّف هذا المثال جدولاً باسم $my_table يخزن مراجع الوظائف (ref func)، بحجم أولي يبلغ 10 وحجم أقصى يبلغ 20. يمكن أن ينمو الجدول حتى حجمه الأقصى، مما يمنع الوصول خارج الحدود واستنفاد الموارد.

أهمية سلامة نوع جدول الوظائف

تلعب جداول الوظائف دورًا حيويًا في تمكين استدعاءات الوظائف الديناميكية داخل WebAssembly. ومع ذلك، بدون قيود نوع مناسبة، يمكن أن تصبح مصدرًا للثغرات الأمنية. لنفترض سيناريو تقوم فيه وحدة WebAssembly باستدعاء وظيفة ديناميكيًا بناءً على فهرس في جدول الوظائف. إذا لم يحتوي مدخل الجدول في ذلك الفهرس على وظيفة بالتوقيع المتوقع (أي العدد الصحيح وأنواع المعلمات والقيمة المرجعة)، يمكن أن يؤدي الاستدعاء إلى سلوك غير محدد، أو تلف في الذاكرة، أو حتى تنفيذ تعليمات برمجية عشوائية.

تضمن سلامة النوع أن الوظيفة التي يتم استدعاؤها من خلال جدول الوظائف لها التوقيع الصحيح الذي يتوقعه المستدعي. وهذا أمر بالغ الأهمية لعدة أسباب:

• الأمان: تمنع المهاجمين من حقن تعليمات برمجية خبيثة عن طريق الكتابة فوق إدخالات جدول الوظائف بمراجع لوظائف تقوم بإجراءات غير مصرح بها.
• الاستقرار: تضمن أن استدعاءات الوظائف يمكن التنبؤ بها ولا تؤدي إلى أعطال أو أخطاء غير متوقعة.
• الصحة: تضمن استدعاء الوظيفة الصحيحة بالوسائط الصحيحة، مما يمنع الأخطاء المنطقية في التطبيق.
• الأداء: تمكّن من إجراء تحسينات بواسطة وقت تشغيل WebAssembly، حيث يمكنه الاعتماد على معلومات النوع لعمل افتراضات حول سلوك استدعاءات الوظائف.

بدون قيود نوع الجدول، ستكون WebAssembly عرضة لهجمات مختلفة، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات الحساسة أمنيًا. على سبيل المثال، يمكن لجهة خبيثة أن تقوم بالكتابة فوق مؤشر وظيفة في الجدول بمؤشر إلى وظيفتها الخبيثة. عندما يتم استدعاء الوظيفة الأصلية عبر الجدول، سيتم تنفيذ وظيفة المهاجم بدلاً من ذلك، مما يعرض النظام للخطر. هذا مشابه لثغرات مؤشر الوظيفة التي تُرى في بيئات تنفيذ التعليمات البرمجية الأصلية مثل C/C++. لذلك، تعد سلامة النوع القوية أمرًا بالغ الأهمية.

نظام أنواع WebAssembly وتوقيعات الوظائف

لفهم كيفية ضمان WebAssembly لسلامة نوع جدول الوظائف، من المهم فهم نظام أنواع WebAssembly. تدعم WebAssembly مجموعة محدودة من الأنواع الأولية، بما في ذلك:

• i32: عدد صحيح 32 بت
• i64: عدد صحيح 64 بت
• f32: عدد عشري عائم 32 بت
• f64: عدد عشري عائم 64 بت
• v128: متجه 128 بت (نوع SIMD)
• funcref: مرجع إلى وظيفة
• externref: مرجع إلى قيمة خارجية (غير شفافة)

يتم تعريف الوظائف في WebAssembly بـتوقيع محدد، والذي يتضمن أنواع معلماتها ونوع قيمتها المرجعة (أو عدم وجود قيمة مرجعة). على سبيل المثال، الوظيفة التي تأخذ معلمتين من نوع i32 وتعيد قيمة من نوع i32 سيكون لها التوقيع التالي (بتنسيق WAT):

            (func $add (param i32 i32) (result i32)
  (i32.add (local.get 0) (local.get 1))
)
            

              
                Copy
              
            
          

هذه الوظيفة، المسماة $add، تأخذ معلمتين من الأعداد الصحيحة 32 بت وتعيد نتيجة عدد صحيح 32 بت. يفرض نظام أنواع WebAssembly أن تلتزم استدعاءات الوظائف بالتوقيع المعلن. إذا تم استدعاء وظيفة بوسائط من النوع الخاطئ أو حاولت إرجاع قيمة من النوع الخاطئ، فسيقوم وقت تشغيل WebAssembly بإصدار خطأ في النوع وإيقاف التنفيذ. هذا يمنع انتشار الأخطاء المتعلقة بالنوع والتي قد تسبب ثغرات أمنية.

قيود نوع الجدول: ضمان توافق التوقيع

يفرض WebAssembly سلامة نوع جدول الوظائف من خلال قيود نوع الجدول. عندما يتم وضع وظيفة في جدول الوظائف، يتحقق وقت تشغيل WebAssembly من أن توقيع الوظيفة متوافق مع نوع عنصر الجدول. يضمن فحص التوافق هذا أن أي وظيفة يتم استدعاؤها من خلال الجدول سيكون لها التوقيع المتوقع، مما يمنع أخطاء النوع والثغرات الأمنية.

تساهم عدة آليات في ضمان هذا التوافق:

1. التعليقات التوضيحية الصريحة للنوع: يفرض WebAssembly وجود تعليقات توضيحية صريحة للنوع لمعلمات الوظائف والقيم المرجعة. وهذا يسمح لوقت التشغيل بالتحقق الثابت من أن استدعاءات الوظائف تلتزم بالتوقيعات المعلنة.
2. تعريف جدول الوظائف: عند إنشاء جدول وظائف، يتم الإعلان عنه ليحتوي على مراجع وظائف (funcref) أو مراجع خارجية (externref). يحد هذا الإعلان من أنواع القيم التي يمكن تخزينها في الجدول. ستؤدي محاولة تخزين قيمة من نوع غير متوافق إلى خطأ في النوع أثناء التحقق من صحة الوحدة أو إنشائها.
3. استدعاءات الوظائف غير المباشرة: عندما يتم إجراء استدعاء وظيفة غير مباشر من خلال جدول الوظائف، يتحقق وقت تشغيل WebAssembly من أن توقيع الوظيفة التي يتم استدعاؤها يطابق التوقيع المتوقع المحدد بواسطة تعليمة call_indirect. تتطلب تعليمة call_indirect فهرس نوع يشير إلى توقيع وظيفة محدد. يقارن وقت التشغيل هذا التوقيع مع توقيع الوظيفة في الفهرس المحدد في الجدول. إذا لم تتطابق التوقيعات، يتم إصدار خطأ في النوع.

لنأخذ المثال التالي (بتنسيق WAT):

            (module
  (type $sig (func (param i32 i32) (result i32)))
  (table $my_table (ref $sig) (i32.const 1))
  (func $add (type $sig) (param i32 i32) (result i32)
    (i32.add (local.get 0) (local.get 1))
  )
  (func $main (export "main") (result i32)
    (call_indirect (type $sig) (i32.const 0))
  )
  (elem (i32.const 0) $add)
)
            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، نحدد توقيع وظيفة $sig يأخذ معلمتين من نوع i32 ويعيد i32. ثم نحدد جدول وظائف $my_table مقيدًا باحتواء مراجع وظائف من النوع $sig. الوظيفة $add لها أيضًا التوقيع $sig. يقوم المقطع elem بتهيئة الجدول بالوظيفة $add. ثم تستدعي الوظيفة $main الوظيفة الموجودة في الفهرس 0 في الجدول باستخدام call_indirect مع توقيع النوع $sig. نظرًا لأن الوظيفة في الفهرس 0 لها التوقيع الصحيح، فإن الاستدعاء صالح.

إذا حاولنا وضع وظيفة بتوقيع مختلف في الجدول أو استدعاء الوظيفة بتوقيع مختلف باستخدام call_indirect، فسيقوم وقت تشغيل WebAssembly بإصدار خطأ في النوع.

تفاصيل التنفيذ في مترجمات WebAssembly والأجهزة الافتراضية (VMs)

تلعب مترجمات WebAssembly والأجهزة الافتراضية (VMs) دورًا حاسمًا في فرض قيود نوع الجدول. قد تختلف تفاصيل التنفيذ اعتمادًا على المترجم والجهاز الافتراضي المحدد، لكن المبادئ العامة تظل كما هي:

• التحليل الثابت: تقوم مترجمات WebAssembly بإجراء تحليل ثابت للتعليمات البرمجية للتحقق من أن الوصول إلى الجداول والاستدعاءات غير المباشرة آمنة من حيث النوع. يتضمن هذا التحليل التحقق من أن أنواع الوسائط التي تم تمريرها إلى الوظيفة المستدعاة تتطابق مع الأنواع المتوقعة المحددة في توقيع الوظيفة.
• الفحوصات وقت التشغيل: بالإضافة إلى التحليل الثابت، تقوم أجهزة WebAssembly الافتراضية بإجراء فحوصات وقت التشغيل لضمان سلامة النوع أثناء التنفيذ. هذه الفحوصات مهمة بشكل خاص للاستدعاءات غير المباشرة، حيث يتم تحديد الوظيفة المستهدفة في وقت التشغيل بناءً على فهرس الجدول. يتحقق وقت التشغيل من أن الوظيفة في الفهرس المحدد لها التوقيع الصحيح قبل تنفيذ الاستدعاء.
• حماية الذاكرة: تستخدم أجهزة WebAssembly الافتراضية آليات حماية الذاكرة لمنع الوصول غير المصرح به إلى ذاكرة الجدول. هذا يمنع المهاجمين من الكتابة فوق إدخالات جدول الوظائف بتعليمات برمجية خبيثة.

على سبيل المثال، لنأخذ محرك JavaScript V8، الذي يتضمن جهاز WebAssembly افتراضي. يقوم V8 بإجراء كل من التحليل الثابت وفحوصات وقت التشغيل لضمان سلامة نوع جدول الوظائف. أثناء الترجمة، يتحقق V8 من أن جميع الاستدعاءات غير المباشرة آمنة من حيث النوع. في وقت التشغيل، يقوم V8 بإجراء فحوصات إضافية للحماية من الثغرات المحتملة. وبالمثل، تقوم أجهزة WebAssembly الافتراضية الأخرى، مثل SpiderMonkey (محرك JavaScript في Firefox) و JavaScriptCore (محرك JavaScript في Safari)، بتنفيذ آليات مماثلة لفرض سلامة النوع.

فوائد قيود نوع الجدول

يوفر تنفيذ قيود نوع الجدول في WebAssembly فوائد عديدة:

• أمان معزز: يمنع الثغرات المتعلقة بالنوع والتي يمكن أن تؤدي إلى حقن التعليمات البرمجية أو تنفيذ تعليمات برمجية عشوائية.
• استقرار محسن: يقلل من احتمالية حدوث أخطاء وتعطلات في وقت التشغيل بسبب عدم تطابق الأنواع.
• أداء متزايد: يتيح التحسينات من قبل وقت تشغيل WebAssembly، حيث يمكنه الاعتماد على معلومات النوع لعمل افتراضات حول سلوك استدعاءات الوظائف.
• تصحيح أخطاء مبسط: يسهل تحديد وإصلاح الأخطاء المتعلقة بالنوع أثناء التطوير.
• قابلية نقل أكبر: يضمن أن وحدات WebAssembly تتصرف بشكل متسق عبر المنصات والأجهزة الافتراضية المختلفة.

تساهم هذه الفوائد في المتانة والموثوقية الشاملة لتطبيقات WebAssembly، مما يجعلها منصة مناسبة لبناء مجموعة واسعة من التطبيقات، من تطبيقات الويب إلى الأنظمة المدمجة.

أمثلة واقعية وحالات استخدام

تعد قيود نوع الجدول ضرورية لمجموعة واسعة من تطبيقات WebAssembly في العالم الحقيقي:

• تطبيقات الويب: يُستخدم WebAssembly بشكل متزايد لبناء تطبيقات ويب عالية الأداء، مثل الألعاب والمحاكاة وأدوات معالجة الصور. تضمن قيود نوع الجدول أمان واستقرار هذه التطبيقات، وتحمي المستخدمين من التعليمات البرمجية الخبيثة.
• الأنظمة المدمجة: يُستخدم WebAssembly أيضًا في الأنظمة المدمجة، مثل أجهزة إنترنت الأشياء وأنظمة السيارات. في هذه البيئات، يعتبر الأمان والموثوقية أمرًا بالغ الأهمية. تساعد قيود نوع الجدول على ضمان عدم إمكانية اختراق وحدات WebAssembly التي تعمل على هذه الأجهزة.
• الحوسبة السحابية: يتم استكشاف WebAssembly كتقنية عزل (sandboxing) لبيئات الحوسبة السحابية. توفر قيود نوع الجدول بيئة آمنة ومعزولة لتشغيل وحدات WebAssembly، مما يمنعها من التدخل في التطبيقات الأخرى أو نظام التشغيل المضيف.
• تقنية البلوك تشين: تستخدم بعض منصات البلوك تشين WebAssembly لتنفيذ العقود الذكية نظرًا لطبيعتها الحتمية وميزاتها الأمنية، بما في ذلك سلامة نوع الجدول.

على سبيل المثال، لنأخذ تطبيقًا لمعالجة الصور قائم على الويب ومكتوبًا بلغة WebAssembly. قد يستخدم التطبيق جداول الوظائف لتحديد خوارزميات معالجة الصور المختلفة ديناميكيًا بناءً على إدخال المستخدم. تضمن قيود نوع الجدول أن التطبيق يمكنه فقط استدعاء وظائف معالجة الصور الصالحة، مما يمنع تنفيذ التعليمات البرمجية الخبيثة.

الاتجاهات المستقبلية والتحسينات

يعمل مجتمع WebAssembly باستمرار على تحسين أمان وأداء WebAssembly. تشمل الاتجاهات المستقبلية والتحسينات المتعلقة بقيود نوع الجدول ما يلي:

• النوع الفرعي (Subtyping): استكشاف إمكانية دعم الأنواع الفرعية لتوقيعات الوظائف، مما سيسمح بفحص أنواع أكثر مرونة ويتيح أنماط تعليمات برمجية أكثر تعقيدًا.
• أنظمة أنواع أكثر تعبيرًا: البحث في أنظمة أنواع أكثر تعبيرًا يمكنها التقاط علاقات أكثر تعقيدًا بين الوظائف والبيانات.
• التحقق الرسمي: تطوير تقنيات التحقق الرسمي لإثبات صحة وحدات WebAssembly وضمان التزامها بقيود النوع.

ستعزز هذه التحسينات أمان وموثوقية WebAssembly، مما يجعلها منصة أكثر جاذبية لبناء تطبيقات عالية الأداء، محمولة، وآمنة.

أفضل الممارسات للعمل مع جداول WebAssembly

لضمان أمان واستقرار تطبيقات WebAssembly الخاصة بك، اتبع أفضل الممارسات التالية عند العمل مع الجداول:

• استخدم دائمًا التعليقات التوضيحية الصريحة للنوع: حدد بوضوح أنواع معلمات الوظائف والقيم المرجعة.
• حدد بعناية أنواع جداول الوظائف: تأكد من أن نوع جدول الوظائف يعكس بدقة توقيعات الوظائف التي سيتم تخزينها في الجدول.
• تحقق من صحة جداول الوظائف أثناء الإنشاء: تحقق من أن جدول الوظائف قد تم تهيئته بشكل صحيح بالوظائف المتوقعة.
• استخدم آليات حماية الذاكرة: قم بحماية ذاكرة الجدول من الوصول غير المصرح به.
• ابق على اطلاع دائم بإرشادات أمان WebAssembly: كن على دراية بأي ثغرات معروفة وقم بتطبيق التصحيحات على الفور.
• استخدم أدوات التحليل الثابت: استخدم الأدوات المصممة لتحديد أخطاء النوع المحتملة والثغرات الأمنية في كود WebAssembly الخاص بك. تقدم العديد من أدوات التدقيق والتحليل الثابت الآن دعمًا لـ WebAssembly.
• اختبر بدقة: يمكن أن يساعد الاختبار الشامل، بما في ذلك اختبار الغموض (fuzzing)، في الكشف عن السلوك غير المتوقع المتعلق بجداول الوظائف.

باتباع أفضل الممارسات هذه، يمكنك تقليل مخاطر الأخطاء المتعلقة بالنوع والثغرات الأمنية في تطبيقات WebAssembly الخاصة بك.

الخاتمة

تعد قيود نوع جدول WebAssembly آلية حاسمة لضمان سلامة نوع جدول الوظائف. من خلال فرض توافق التوقيع ومنع الثغرات المتعلقة بالنوع، فإنها تساهم بشكل كبير في أمان واستقرار وأداء تطبيقات WebAssembly. مع استمرار تطور WebAssembly وتوسعها في مجالات جديدة، ستظل قيود نوع الجدول جانبًا أساسيًا من بنيتها الأمنية. يعد فهم هذه القيود واستخدامها ضروريًا لبناء تطبيقات WebAssembly قوية وموثوقة.

من خلال الالتزام بأفضل الممارسات والبقاء على اطلاع بآخر التطورات في أمان WebAssembly، يمكن للمطورين الاستفادة من الإمكانات الكاملة لـ WebAssembly مع التخفيف من المخاطر المحتملة.