Валидиране на потребителските секции на WebAssembly: Задълбочено проучване на целостта на метаданните

WebAssembly (Wasm) еволюира далеч от първоначалната си роля като ускорител на производителността в браузърите за уеб приложения. Той се превърна в универсална, преносима и сигурна компилационна цел за облачни среди, изчислителни среди на периферията, IoT, блокчейн и архитектури за плъгини. Неговият модел на изпълнение в пясъчник осигурява солидна основа за сигурност, но както при всяка мощна технология, дяволът е в детайлите. Един такъв детайл, който е както източник на огромна гъвкавост, така и потенциална слабост в сигурността, е потребителската секция.

Докато времето за изпълнение на WebAssembly стриктно валидира кодовите и паметните секции на модула, то е проектирано да игнорира напълно потребителските секции, които не разпознава. Тази функция позволява на инструментариумите и разработчиците да вграждат произволни метаданни — от символи за отстраняване на грешки до ABIs на смарт договори — без да нарушават съвместимостта. Въпреки това, това поведение „игнорирай по подразбиране“ също отваря вратата за подправяне на метаданни, атаки срещу веригата за доставки и други уязвимости. Как можете да се доверите на данните в тези секции? Как гарантирате, че те не са били злонамерено променени?

Това изчерпателно ръководство се задълбочава в критичната практика на валидиране на потребителски секции на WebAssembly. Ще проучим защо този процес е от съществено значение за изграждането на сигурни системи, ще разгледаме различни техники за проверка на целостта — от просто хеширане до надеждни цифрови подписи — и ще предоставим полезни идеи за прилагането на тези проверки във вашите собствени приложения.

Разбиране на двоичния формат на WebAssembly: Бързо освежаване

За да оцените предизвикателството при валидирането на потребителските секции, от съществено значение е първо да разберете основната структура на двоичния Wasm модул. Един `.wasm` файл не е просто блок от машинен код; това е силно структуриран двоичен формат, съставен от отделни „секций“, всяка със специфична цел.

Типичният Wasm модул започва с магическо число (\0asm) и номер на версия, последвани от поредица от секции. Тези секции са категоризирани както следва:

• Известни секции: Те са дефинирани от спецификацията на WebAssembly и са разбираеми от всички съвместими среди за изпълнение. Те имат ненулев ID на секция. Примерите включват:
  • Type Section (ID 1): Дефинира сигнатурите на функциите, използвани в модула.
  • Function Section (ID 3): Свързва всяка функция със сигнатура от Type секцията.
  • Memory Section (ID 5): Дефинира линейната памет на модула.
  • Export Section (ID 7): Прави функциите, паметите или глобалните променливи достъпни за хост средата.
  • Code Section (ID 10): Съдържа действителния изпълним байткод за всяка функция.
• Потребителски секции: Това е нашата област на фокус. Потребителската секция се идентифицира от Section ID 0. Спецификацията на Wasm изисква средите за изпълнение и инструментите да игнорират мълчаливо всяка потребителска секция, която не разбират.

Анатомията на потребителската секция

Структурата на потребителската секция е преднамерено генерична, за да позволи максимална гъвкавост. Състои се от три части:

1. Section ID: Винаги 0.
2. Име: Низ, който идентифицира целта на потребителската секция (напр. „name“, „dwarf_info“, „component-type“). Това име позволява на инструментите да намират и интерпретират секциите, които ги интересуват.
3. Полезен товар: Произволна последователност от байтове. Съдържанието и форматът на този полезен товар зависят изцяло от инструмента или приложението, което го е създало. Самото време за изпълнение на Wasm не поставя никакви ограничения върху тези данни.

Този дизайн е нож с две остриета. Това позволява на екосистемата да въвежда иновации, вграждайки богати метаданни като информация за паника в Rust, данни за време на изпълнение на Go или дефиниции на модела на компонентите. Но също така е причината стандартното време за изпълнение на Wasm да не може да валидира тези данни — то няма представа какво трябва да бъдат данните.

Сляпото петно в сигурността: Защо невалидираните метаданни са риск

Основният проблем със сигурността възниква от взаимоотношенията на доверие между Wasm модула и инструментите или хост приложенията, които използват неговите метаданни. Докато времето за изпълнение на Wasm безопасно изпълнява кода, други части от вашата система могат имплицитно да се доверяват на данните в потребителските секции. Това доверие може да бъде експлоатирано по няколко начина.

Вектори на атака чрез потребителски секции

• Подправяне на метаданни: Нападател може да промени потребителската секция, за да заблуди разработчиците или инструментите. Представете си, че променяте информацията за отстраняване на грешки (DWARF), за да посочите грешни редове изходен код, скривайки злонамерена логика по време на проверка на сигурността. Или, в контекста на блокчейн, промяната на ABI (Application Binary Interface) на смарт договор, съхранена в потребителска секция, може да накара децентрализирано приложение (dApp) да извика грешната функция, което да доведе до финансови загуби.
• Отказ от услуга (DoS): Докато времето за изпълнение на Wasm игнорира неизвестните потребителски секции, инструментариумът не го прави. Компилаторите, линкерите, дебъгерите и инструментите за статичен анализ често анализират конкретни потребителски секции. Нападател може да създаде неправилно форматирана потребителска секция (напр. с неправилен префикс на дължина или невалидна вътрешна структура), специално проектирана да срине тези инструменти, нарушавайки работните процеси на разработка и разполагане.
• Атаки срещу веригата за доставки: Популярна библиотека, разпространявана като Wasm модул, може да има злонамерена потребителска секция, инжектирана в нея от компрометиран сървър за компилиране или атака от типа „човек по средата“. Тази секция може да съдържа злонамерени данни за конфигуриране, които по-късно се четат от хост приложение или инструмент за компилиране, инструктирайки го да изтегли злонамерена зависимост или да извлече чувствителни данни.
• Заблуждаваща информация за произход: Потребителските секции често се използват за съхраняване на информация за компилация, хешове на изходния код или данни за лицензиране. Нападател може да промени тези данни, за да прикрие произхода на злонамерен модул, да го припише на доверен разработчик или да промени лиценза му от ограничителен към разрешителен.

Във всички тези сценарии самият Wasm модул може да се изпълнява перфектно в пясъчника. Уязвимостта се крие в екосистемата около Wasm модула, която взема решения въз основа на метаданни, за които се предполага, че са надеждни.

Техники за проверка на целостта на метаданните

За да смекчите тези рискове, трябва да преминете от модел на имплицитно доверие към модел на изрична проверка. Това включва прилагане на слой за валидиране, който проверява целостта и автентичността на критичните потребителски секции, преди да бъдат използвани. Нека проучим няколко техники, вариращи от прости до криптографски сигурни.

1. Хеширане и контролни суми

Най-простата форма на проверка на целостта е да използвате криптографска хеш функция (като SHA-256).

• Как работи: По време на процеса на компилация, след като потребителска секция (напр. `my_app_metadata`) е създадена, изчислявате нейния SHA-256 хеш. След това този хеш се съхранява или в друга специална потребителска секция (напр. `my_app_metadata.sha256`), или във външен манифест файл, който придружава Wasm модула.
• Проверка: Приложението или инструментът, което консумира, чете секцията `my_app_metadata`, изчислява нейния хеш и го сравнява със съхранения хеш. Ако съвпадат, данните не са променени от момента, в който е изчислен хешът. Ако не съвпадат, модулът се отхвърля като подправен.

Плюсове:

• Лесно за прилагане и изчислително бързо.
• Осигурява отлична защита срещу случайна повреда и умишлена промяна.

Минуси:

• Няма автентичност: Хеширането доказва, че данните не са се променили, но не доказва кой ги е създал. Нападател може да промени потребителската секция, да преизчисли хеша и да актуализира и хеш секцията. Работи само ако самият хеш се съхранява в сигурно, защитено от подправяне местоположение.
• Изисква вторичен канал, за да се доверите на самия хеш.

2. Цифрови подписи (асиметрична криптография)

За много по-силна гаранция, която осигурява както цялост, така и автентичност, цифровите подписи са златен стандарт.

• Как работи: Тази техника използва двойка публичен/частен ключ. Създателят на Wasm модула притежава частен ключ.
  1. Първо се изчислява криптографски хеш на полезния товар на потребителската секция, точно както при предишния метод.
  2. Този хеш след това се криптира (подписва) с помощта на частния ключ на създателя.
  3. Полученият подпис се съхранява в друга потребителска секция (напр. `my_app_metadata.sig`). Съответният публичен ключ трябва да бъде разпространен на проверяващия. Публичният ключ може да бъде вграден в хост приложението, извлечен от доверен регистър или дори поставен в друга потребителска секция (въпреки че това изисква отделен механизъм за доверие на самия публичен ключ).
• Проверка: Потребителят на Wasm модула извършва тези стъпки:
  1. Изчислява хеша на полезния товар на секцията `my_app_metadata`.
  2. Прочита подписа от секцията `my_app_metadata.sig`.
  3. Използвайки публичния ключ на създателя, дешифрира подписа, за да разкрие оригиналния хеш.
  4. Сравнява дешифрирания хеш с хеша, който е изчислил в първата стъпка. Ако съвпадат, подписът е валиден. Това доказва две неща: данните не са били подправени (цялост) и са били подписани от притежателя на частния ключ (автентичност/произход).

Плюсове:

• Осигурява силни гаранции за цялост и автентичност.
• Публичният ключ може да бъде широко разпространен, без да компрометира сигурността.
• Формира основата на сигурните вериги за доставки на софтуер.

Минуси:

• По-сложно за внедряване и управление (генериране на ключове, разпространение и отмяна).
• Малко повече изчислителна режия по време на проверка в сравнение с просто хеширане.

3. Валидиране на базата на схеми

Проверките за цялост и автентичност гарантират, че данните са непроменени и от надежден източник, но не гарантират, че данните са правилно форматирани. Структурно невалидна потребителска секция все още може да срине анализатор. Валидирането на базата на схеми решава това.

• Как работи: Дефинирате строга схема за двоичния формат на полезния товар на вашата потребителска секция. Тази схема може да бъде дефинирана с помощта на формат като Protocol Buffers, FlatBuffers или дори персонализирана спецификация. Схемата диктува очакваната последователност от типове данни, дължини и структури.
• Проверка: Валидаторът е анализатор, който се опитва да декодира полезния товар на потребителската секция според предварително дефинираната схема. Ако анализирането успее без грешки (напр. без препълване на буфера, без несъответствия на типа, присъстват всички очаквани полета), секцията се счита за структурно валидна. Ако анализирането не успее в нито един момент, секцията се отхвърля.

Плюсове:

• Защитава анализаторите от неправилно форматирани данни, предотвратявайки клас атаки от типа DoS.
• Налага последователност и коректност в метаданните.
• Действа като форма на документация за вашия персонализиран формат на данни.

Минуси:

• Не защитава срещу квалифициран нападател, който създава структурно валиден, но семантично злонамерен полезен товар.
• Изисква поддръжка на схемата и кода на валидатора.

Многослоен подход: Най-доброто от всички светове

Тези техники не са взаимно изключващи се. Всъщност те са най-мощни, когато се комбинират в многослойна стратегия за сигурност:

Препоръчителен тръбопровод за валидиране:

1. Намерете и изолирайте: Първо, анализирайте Wasm модула, за да намерите целевата потребителска секция (напр. `my_app_metadata`) и съответната секция за подпис (`my_app_metadata.sig`).
2. Проверете автентичността и целостта: Използвайте цифровия подпис, за да проверите дали секцията `my_app_metadata` е автентична и не е била подправена. Ако тази проверка не успее, отхвърлете модула незабавно.
3. Валидирайте структурата: Ако подписът е валиден, продължете да анализирате полезния товар `my_app_metadata`, като използвате вашия валидатор на базата на схема. Ако е неправилно форматиран, отхвърлете модула.
4. Използвайте данните: Само след като и двете проверки преминат, можете безопасно да се доверите и да използвате метаданните.

Този многослоен подход гарантира, че сте защитени не само от подправяне на данни, но и от атаки, базирани на анализиране, осигурявайки надеждна защитна позиция в дълбочина.

Практическо изпълнение и инструменти

Прилагането на тази валидация изисква инструменти, които могат да манипулират и инспектират двоични файлове на Wasm. Екосистемата предоставя няколко отлични опции.

Инструменти за манипулиране на потребителски секции

• wasm-tools: Набор от инструменти на командния ред и Rust crate за анализиране, отпечатване и манипулиране на двоични файлове на Wasm. Можете да го използвате за добавяне, премахване или инспектиране на потребителски секции като част от скрипт за компилация. Например, командата `wasm-tools strip` може да се използва за премахване на потребителски секции, докато персонализираните програми могат да бъдат изградени с помощта на `wasm-tools` crate за добавяне на подписи.
• Binaryen: Библиотека за инфраструктура за компилатор и инструментариум за WebAssembly. Неговият инструмент `wasm-opt` може да се използва за различни трансформации, а неговият C++ API осигурява прецизен контрол върху структурата на модула, включително потребителски секции.
• Специфични за езика инструментариуми: Инструменти като `wasm-bindgen` (за Rust) или компилатори за други езици често предоставят механизми или плъгини за вграждане на потребителски секции по време на процеса на компилация.

Псевдокод за валидатор

Ето един концептуален пример на високо ниво на това как може да изглежда валидаторска функция в хост приложение:

function validateWasmModule(wasmBytes, trustedPublicKey) { // Стъпка 1: Анализирайте модула, за да намерите съответните секции 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("Липсва необходимата секция за метаданни или подпис."); } // Стъпка 2: Проверете цифровия подпис const metadataPayload = metadataSection.payload; const signature = signatureSection.payload; const isSignatureValid = crypto.verify(metadataPayload, signature, trustedPublicKey); if (!isSignatureValid) { throw new Error("Подписът на метаданните е невалиден. Модулът може да е подправен."); } // Стъпка 3: Извършете валидиране на базата на схема try { const parsedMetadata = MyAppSchema.decode(metadataPayload); // Данните са валидни и на тях може да се вярва return { success: true, metadata: parsedMetadata }; } catch (error) { throw new Error("Метаданните са структурно невалидни: " + error.message); } }

Реални случаи на употреба

Необходимостта от валидиране на потребителски секции не е теоретична. Това е практическо изискване в много съвременни Wasm случаи на употреба.

• Сигурни смарт договори на блокчейн: ABI на смарт договор описва неговите публични функции. Ако този ABI се съхранява в потребителска секция, той трябва да бъде подписан. Това предотвратява злонамерени субекти да подведат портфейла на потребителя или dApp да взаимодейства неправилно със договора, като представят фалшив ABI.
• Проверим софтуерен списък на материалите (SBOM): За да се подобри сигурността на веригата за доставки, Wasm модул може да вгради свой собствен SBOM в потребителска секция. Подписването на тази секция гарантира, че списъкът с зависимости е автентичен и не е променен, за да скрие уязвим или злонамерен компонент. Потребителите на модула след това могат автоматично да проверят съдържанието му преди употреба.
• Сигурни плъгин системи: Хост приложение (като прокси, база данни или творчески инструмент) може да използва Wasm за своята архитектура на плъгини. Преди да зареди плъгин на трета страна, хостът може да провери за подписана потребителска секция `permissions`. Тази секция може да декларира необходимите възможности на плъгина (напр. достъп до файловата система, достъп до мрежата). Подписът гарантира, че разрешенията не са ескалирани от нападател след публикуването.
• Разпределение, адресируемо по съдържание: Чрез хеширане на всички секции на Wasm модул, включително метаданните, може да се създаде уникален идентификатор за тази точна компилация. Това се използва в системи за съхранение, адресируеми по съдържание, като IPFS, където целостта е основен принцип. Валидирането на потребителските секции е ключова част от осигуряването на тази детерминистична идентичност.

Бъдещето: Стандартизация и модел на компонентите

Общността на WebAssembly признава важността на целостта на модула. В рамките на Wasm Community Group се водят текущи дискусии относно стандартизирането на подписването на модули и други примитиви за сигурност. Стандартизиран подход би позволил на средите за изпълнение и инструментите да извършват проверка нативно, опростявайки процеса за разработчиците.

Освен това, нововъзникващият WebAssembly Component Model има за цел да стандартизира как Wasm модулите взаимодействат помежду си и с хоста. Той дефинира интерфейси на високо ниво в потребителска секция, наречена `component-type`. Целостта на тази секция ще бъде от първостепенно значение за сигурността на цялата компонентна екосистема, което прави техниките за валидиране, обсъдени тук, още по-критични.

Заключение: От доверие към проверка

Потребителските секции на WebAssembly осигуряват основна гъвкавост, позволявайки на екосистемата да вгражда богати, специфични за домейна метаданни директно в модулите. Тази гъвкавост обаче идва с отговорността за проверка. Поведението по подразбиране на средите за изпълнение на Wasm — да игнорират това, което не разбират — създава празнина в доверието, която може да бъде експлоатирана.

Като разработчик или архитект, работещ с WebAssembly, трябва да промените начина си на мислене от имплицитно доверие на метаданните към изричното им проверяване. Чрез прилагане на многослойна стратегия за валидиране, която комбинира проверки на схеми за структурна коректност и цифрови подписи за цялост и автентичност, можете да затворите тази празнина в сигурността.

Изграждането на сигурна, надеждна и достойна за доверие Wasm екосистема изисква усърдие на всеки слой. Не позволявайте метаданните ви да бъдат слабото звено във вашата верига за сигурност. Валидирайте потребителските си секции, защитете приложенията си и изграждайте с увереност.