Ограничения за типа на таблиците в WebAssembly: Осигуряване на типова безопасност на таблиците с функции

WebAssembly (Wasm) се утвърди като ключова технология за изграждане на високопроизводителни, преносими и сигурни приложения на различни платформи. Ключов компонент в архитектурата на WebAssembly е таблицата, масив с динамичен размер от елементи externref или funcref. Осигуряването на типова безопасност в тези таблици, особено в таблиците с функции, е от решаващо значение за поддържането на целостта и сигурността на модулите на WebAssembly. Тази блог публикация разглежда в дълбочина ограниченията за типа на таблиците в WebAssembly, като се фокусира конкретно върху типовата безопасност на таблиците с функции, нейното значение, детайли по имплементацията и предимства.

Разбиране на таблиците в WebAssembly

Таблиците в WebAssembly по същество са динамични масиви, които могат да съхраняват референции към функции или външни (непрозрачни) стойности. Те са основен механизъм за постигане на динамично извикване и улесняване на взаимодействието между модулите на WebAssembly и техните хост среди. Съществуват два основни типа таблици:

• Таблици с функции (funcref): Тези таблици съхраняват референции към функции на WebAssembly. Използват се за имплементиране на динамични извиквания на функции, при които функцията, която ще бъде извикана, се определя по време на изпълнение.
• Таблици с външни референции (externref): Тези таблици съдържат непрозрачни референции към обекти, управлявани от хост средата (напр. JavaScript обекти в уеб браузър). Те позволяват на модулите на WebAssembly да взаимодействат с хост API и външни данни.

Таблиците се дефинират с тип и размер. Типът указва какъв вид елемент може да се съхранява в таблицата (напр. funcref или externref). Размерът указва началния и максималния брой елементи, които таблицата може да побере. Размерът може да бъде фиксиран или променлив. Например дефиниция на таблица може да изглежда така (в WAT, текстовият формат на WebAssembly):

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

              
                Copy
              
            
          

Този пример дефинира таблица с име $my_table, която съхранява референции към функции (ref func), с начален размер 10 и максимален размер 20. Таблицата може да нараства до максималния си размер, което предотвратява достъп извън границите и изчерпване на ресурси.

Значението на типовата безопасност на таблиците с функции

Таблиците с функции играят жизненоважна роля за осъществяването на динамични извиквания на функции в WebAssembly. Въпреки това, без подходящи типови ограничения, те могат да се превърнат в източник на уязвимости в сигурността. Разгледайте сценарий, при който модул на WebAssembly динамично извиква функция въз основа на индекс в таблица с функции. Ако записът в таблицата на този индекс не съдържа функция с очакваната сигнатура (т.е. правилния брой и типове параметри и връщана стойност), извикването може да доведе до недефинирано поведение, повреда на паметта или дори произволно изпълнение на код.

Типовата безопасност гарантира, че функцията, извикана чрез таблица с функции, има правилната сигнатура, очаквана от извикващия код. Това е от решаващо значение по няколко причини:

• Сигурност: Предотвратява инжектирането на злонамерен код от атакуващи чрез презаписване на записи в таблицата с функции с референции към функции, които извършват неоторизирани действия.
• Стабилност: Гарантира, че извикванията на функции са предвидими и не водят до неочаквани сривове или грешки.
• Коректност: Гарантира, че се извиква правилната функция с правилните аргументи, предотвратявайки логически грешки в приложението.
• Производителност: Позволява оптимизации от средата за изпълнение на WebAssembly, тъй като тя може да разчита на информацията за типовете, за да прави предположения относно поведението на извикванията на функции.

Без ограничения за типа на таблиците WebAssembly би бил податлив на различни атаки, което го прави неподходящ за приложения, чувствителни към сигурността. Например, злонамерен участник би могъл потенциално да презапише указател към функция в таблицата с указател към собствена злонамерена функция. Когато оригиналната функция бъде извикана чрез таблицата, вместо нея ще се изпълни функцията на атакуващия, компрометирайки системата. Това е подобно на уязвимостите, свързани с указатели към функции, наблюдавани в среди за изпълнение на нативен код като C/C++. Следователно, силната типова безопасност е от първостепенно значение.

Типова система и сигнатури на функции в WebAssembly

За да разберем как WebAssembly осигурява типова безопасност на таблиците с функции, е важно да се запознаем с типовата система на WebAssembly. WebAssembly поддържа ограничен набор от примитивни типове, включително:

• i32: 32-битово цяло число
• i64: 64-битово цяло число
• f32: 32-битово число с плаваща запетая
• f64: 64-битово число с плаваща запетая
• v128: 128-битов вектор (SIMD тип)
• funcref: Референция към функция
• externref: Референция към външна стойност (непрозрачна)

Функциите в WebAssembly се дефинират със специфична сигнатура, която включва типовете на техните параметри и типа на връщаната им стойност (или липса на такава). Например, функция, която приема два i32 параметъра и връща i32 стойност, би имала следната сигнатура (в WAT):

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

              
                Copy
              
            
          

Тази функция, наречена $add, приема два 32-битови целочислени параметъра и връща 32-битов целочислен резултат. Типовата система на WebAssembly налага извикванията на функции да се придържат към декларираната сигнатура. Ако функция бъде извикана с аргументи от грешен тип или се опита да върне стойност от грешен тип, средата за изпълнение на WebAssembly ще генерира грешка в типа и ще спре изпълнението. Това предотвратява разпространението на грешки, свързани с типове, и потенциалното причиняване на уязвимости в сигурността.

Ограничения за типа на таблиците: Осигуряване на съвместимост на сигнатурите

WebAssembly налага типова безопасност на таблиците с функции чрез ограничения за типа на таблиците. Когато функция се постави в таблица с функции, средата за изпълнение на WebAssembly проверява дали сигнатурата на функцията е съвместима с типа на елементите в таблицата. Тази проверка за съвместимост гарантира, че всяка функция, извикана чрез таблицата, ще има очакваната сигнатура, предотвратявайки грешки в типовете и уязвимости в сигурността.

Няколко механизма допринасят за осигуряването на тази съвместимост:

1. Изрични типови анотации: WebAssembly изисква изрични типови анотации за параметрите на функциите и връщаните стойности. Това позволява на средата за изпълнение статично да проверява дали извикванията на функции се придържат към декларираните сигнатури.
2. Дефиниция на таблицата с функции: Когато се създава таблица с функции, тя се декларира да съдържа референции към функции (funcref) или външни референции (externref). Тази декларация ограничава типовете стойности, които могат да се съхраняват в таблицата. Опитът да се съхрани стойност от несъвместим тип ще доведе до грешка в типа по време на валидация или инстанциране на модула.
3. Непреки извиквания на функции: Когато се извършва непряко извикване на функция чрез таблица с функции, средата за изпълнение на WebAssembly проверява дали сигнатурата на извикваната функция съвпада с очакваната сигнатура, указана от инструкцията call_indirect. Инструкцията call_indirect изисква индекс на тип, който се отнася до конкретна сигнатура на функция. Средата за изпълнение сравнява тази сигнатура със сигнатурата на функцията на посочения индекс в таблицата. Ако сигнатурите не съвпадат, се генерира грешка в типа.

Разгледайте следния пример (в 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
              
            
          

В този пример дефинираме сигнатура на функция $sig, която приема два i32 параметъра и връща i32. След това дефинираме таблица с функции $my_table, която е ограничена да съдържа референции към функции от тип $sig. Функцията $add също има сигнатура $sig. Сегментът elem инициализира таблицата с функцията $add. Функцията $main след това извиква функцията на индекс 0 в таблицата, използвайки call_indirect със сигнатура на тип $sig. Тъй като функцията на индекс 0 има правилната сигнатура, извикването е валидно.

Ако се опитаме да поставим функция с различна сигнатура в таблицата или да извикаме функцията с различна сигнатура, използвайки call_indirect, средата за изпълнение на WebAssembly ще генерира грешка в типа.

Детайли по имплементацията в компилатори и виртуални машини за WebAssembly

Компилаторите и виртуалните машини (VM) за WebAssembly играят решаваща роля в прилагането на ограниченията за типа на таблиците. Детайлите по имплементацията могат да варират в зависимост от конкретния компилатор и VM, но общите принципи остават същите:

• Статичен анализ: Компилаторите за WebAssembly извършват статичен анализ на кода, за да проверят дали достъпите до таблици и непреките извиквания са типово безопасни. Този анализ включва проверка дали типовете на аргументите, подадени на извиканата функция, съвпадат с очакваните типове, дефинирани в сигнатурата на функцията.
• Проверки по време на изпълнение: В допълнение към статичния анализ, виртуалните машини за WebAssembly извършват проверки по време на изпълнение, за да осигурят типова безопасност. Тези проверки са особено важни за непреките извиквания, при които целевата функция се определя по време на изпълнение въз основа на индекса в таблицата. Средата за изпълнение проверява дали функцията на посочения индекс има правилната сигнатура, преди да изпълни извикването.
• Защита на паметта: Виртуалните машини за WebAssembly използват механизми за защита на паметта, за да предотвратят неоторизиран достъп до паметта на таблицата. Това пречи на атакуващите да презаписват записи в таблицата с функции със злонамерен код.

Например, разгледайте JavaScript енджина V8, който включва VM за WebAssembly. V8 извършва както статичен анализ, така и проверки по време на изпълнение, за да гарантира типовата безопасност на таблиците с функции. По време на компилация V8 проверява дали всички непреки извиквания са типово безопасни. По време на изпълнение V8 извършва допълнителни проверки, за да се предпази от потенциални уязвимости. По подобен начин, други VM за WebAssembly, като SpiderMonkey (JavaScript енджинът на Firefox) и JavaScriptCore (JavaScript енджинът на Safari), прилагат подобни механизми за налагане на типова безопасност.

Предимства на ограниченията за типа на таблиците

Имплементацията на ограничения за типа на таблиците в WebAssembly предоставя множество предимства:

• Повишена сигурност: Предотвратява уязвимости, свързани с типове, които биха могли да доведат до инжектиране на код или произволно изпълнение на код.
• Подобрена стабилност: Намалява вероятността от грешки по време на изпълнение и сривове поради несъответствие на типовете.
• Повишена производителност: Позволява оптимизации от средата за изпълнение на WebAssembly, тъй като тя може да разчита на информацията за типовете, за да прави предположения относно поведението на извикванията на функции.
• Опростено отстраняване на грешки: Улеснява идентифицирането и коригирането на грешки, свързани с типове, по време на разработка.
• По-голяма преносимост: Гарантира, че модулите на WebAssembly се държат последователно на различни платформи и VM.

Тези предимства допринасят за общата здравина и надеждност на приложенията на WebAssembly, което го прави подходяща платформа за изграждане на широк спектър от приложения, от уеб приложения до вградени системи.

Примери от реалния свят и случаи на употреба

Ограниченията за типа на таблиците са от съществено значение за голямо разнообразие от реални приложения на WebAssembly:

• Уеб приложения: WebAssembly все повече се използва за изграждане на високопроизводителни уеб приложения, като игри, симулации и инструменти за обработка на изображения. Ограниченията за типа на таблиците гарантират сигурността и стабилността на тези приложения, предпазвайки потребителите от злонамерен код.
• Вградени системи: WebAssembly се използва и във вградени системи, като IoT устройства и автомобилни системи. В тези среди сигурността и надеждността са от първостепенно значение. Ограниченията за типа на таблиците помагат да се гарантира, че модулите на WebAssembly, работещи на тези устройства, не могат да бъдат компрометирани.
• Облачни изчисления: WebAssembly се проучва като технология за „пясъчник“ (sandboxing) за среди за облачни изчисления. Ограниченията за типа на таблиците осигуряват сигурна и изолирана среда за изпълнение на модули на WebAssembly, като им пречат да се намесват в други приложения или в хост операционната система.
• Блокчейн технология: Някои блокчейн платформи използват WebAssembly за изпълнение на интелигентни договори поради неговия детерминистичен характер и функции за сигурност, включително типовата безопасност на таблиците.

Например, разгледайте уеб-базирано приложение за обработка на изображения, написано на WebAssembly. Приложението може да използва таблици с функции за динамичен избор на различни алгоритми за обработка на изображения въз основа на въведени от потребителя данни. Ограниченията за типа на таблиците гарантират, че приложението може да извиква само валидни функции за обработка на изображения, предотвратявайки изпълнението на злонамерен код.

Бъдещи насоки и подобрения

Общността на WebAssembly непрекъснато работи за подобряване на сигурността и производителността на WebAssembly. Бъдещите насоки и подобрения, свързани с ограниченията за типа на таблиците, включват:

• Подтипизиране: Проучване на възможността за поддържане на подтипизиране за сигнатури на функции, което би позволило по-гъвкава проверка на типовете и по-сложни модели на код.
• По-изразителни типови системи: Изследване на по-изразителни типови системи, които могат да уловят по-сложни връзки между функции и данни.
• Формална верификация: Разработване на техники за формална верификация за доказване на коректността на модулите на WebAssembly и гарантиране, че те се придържат към типовите ограничения.

Тези подобрения ще засилят още повече сигурността и надеждността на WebAssembly, превръщайки го в още по-привлекателна платформа за изграждане на високопроизводителни, преносими и сигурни приложения.

Добри практики при работа с таблици в WebAssembly

За да гарантирате сигурността и стабилността на вашите приложения на WebAssembly, следвайте тези добри практики при работа с таблици:

• Винаги използвайте изрични типови анотации: Ясно дефинирайте типовете на параметрите на функциите и връщаните стойности.
• Внимателно дефинирайте типовете на таблиците с функции: Уверете се, че типът на таблицата с функции точно отразява сигнатурите на функциите, които ще се съхраняват в нея.
• Валидирайте таблиците с функции по време на инстанциране: Проверявайте дали таблицата с функции е правилно инициализирана с очакваните функции.
• Използвайте механизми за защита на паметта: Защитете паметта на таблицата от неоторизиран достъп.
• Бъдете в крак със съветите за сигурност на WebAssembly: Бъдете наясно с всички известни уязвимости и прилагайте корекции своевременно.
• Използвайте инструменти за статичен анализ: Прилагайте инструменти, предназначени за идентифициране на потенциални грешки в типовете и уязвимости в сигурността на вашия WebAssembly код. Много линтери и статични анализатори вече предлагат поддръжка за WebAssembly.
• Тествайте обстойно: Цялостното тестване, включително фъзинг, може да помогне за разкриване на неочаквано поведение, свързано с таблиците с функции.

Следвайки тези добри практики, можете да сведете до минимум риска от грешки, свързани с типове, и уязвимости в сигурността на вашите приложения на WebAssembly.

Заключение

Ограниченията за типа на таблиците в WebAssembly са ключов механизъм за осигуряване на типова безопасност на таблиците с функции. Чрез налагане на съвместимост на сигнатурите и предотвратяване на уязвимости, свързани с типове, те допринасят значително за сигурността, стабилността и производителността на приложенията на WebAssembly. Тъй като WebAssembly продължава да се развива и да навлиза в нови области, ограниченията за типа на таблиците ще останат основен аспект от неговата архитектура за сигурност. Разбирането и използването на тези ограничения е от съществено значение за изграждането на здрави и надеждни приложения на WebAssembly. Спазвайки добрите практики и като се информират за най-новите разработки в сигурността на WebAssembly, разработчиците могат да използват пълния потенциал на WebAssembly, като същевременно смекчават потенциалните рискове.