Validering af WebAssembly-moduler: Sikring af sikkerhed og integritet under kørsel

WebAssembly (Wasm) er blevet en central teknologi for moderne webudvikling og mere til, idet det tilbyder et portabelt, effektivt og sikkert eksekveringsmiljø. Men selve Wasm's natur – evnen til at eksekvere kompileret kode fra forskellige kilder – nødvendiggør en streng validering for at sikre sikkerheden og forhindre ondsindet kode i at kompromittere systemet. Dette blogindlæg udforsker den kritiske rolle, som validering af WebAssembly-moduler spiller, med særligt fokus på runtime-verifikation og dens betydning for at opretholde applikationers integritet og sikkerhed.

Hvad er validering af WebAssembly-moduler?

Validering af WebAssembly-moduler er processen med at verificere, at et Wasm-modul overholder de specifikationer og regler, der er defineret af WebAssembly-standarden. Denne proces involverer analyse af modulets struktur, instruktioner og data for at sikre, at de er velformede, type-sikre og ikke overtræder nogen sikkerhedsbegrænsninger. Validering er afgørende, fordi det forhindrer eksekvering af potentielt ondsindet eller fejlbehæftet kode, der kan føre til sårbarheder som buffer overflows, kodeinjektion eller denial-of-service-angreb.

Validering sker typisk på to hovedstadier:

• Kompileringstidsvalidering: Dette er den indledende validering, der sker, når et Wasm-modul kompileres eller indlæses. Den kontrollerer modulets grundlæggende struktur og syntaks for at sikre, at det overholder Wasm-specifikationen.
• Runtime-validering: Denne validering finder sted under eksekveringen af Wasm-modulet. Den involverer overvågning af modulets adfærd for at sikre, at det ikke overtræder nogen sikkerhedsregler eller begrænsninger under drift.

Dette indlæg vil primært fokusere på runtime-validering.

Hvorfor er runtime-validering vigtig?

Selvom kompileringstidsvalidering er afgørende for at sikre den grundlæggende integritet af et Wasm-modul, kan den ikke fange alle potentielle sårbarheder. Nogle sikkerhedsproblemer manifesterer sig måske først under kørsel, afhængigt af de specifikke inputdata, eksekveringsmiljøet eller interaktioner med andre moduler. Runtime-validering tilføjer et ekstra forsvarslag ved at overvåge modulets adfærd og håndhæve sikkerhedspolitikker under dets drift. Dette er især vigtigt i scenarier, hvor kilden til Wasm-modulet er upålidelig eller ukendt.

Her er nogle centrale grunde til, at runtime-validering er afgørende:

• Forsvar mod dynamisk genereret kode: Nogle applikationer kan generere Wasm-kode dynamisk under kørsel. Kompileringstidsvalidering er ikke tilstrækkelig for sådan kode, da valideringen skal ske, efter at koden er genereret.
• Afbødning af sårbarheder i compilere: Selvom den originale kildekode er sikker, kan fejl i compileren introducere sårbarheder i den genererede Wasm-kode. Runtime-validering kan hjælpe med at opdage og forhindre, at disse sårbarheder bliver udnyttet.
• Håndhævelse af sikkerhedspolitikker: Runtime-validering kan bruges til at håndhæve sikkerhedspolitikker, der ikke kan udtrykkes i Wasm-typesystemet, såsom restriktioner på hukommelsesadgang eller begrænsninger i brugen af specifikke instruktioner.
• Beskyttelse mod sidekanalsangreb: Runtime-validering kan hjælpe med at afbøde sidekanalsangreb ved at overvåge eksekveringstiden og hukommelsesadgangsmønstrene for Wasm-modulet.

Teknikker til runtime-verifikation

Runtime-verifikation involverer overvågning af eksekveringen af et WebAssembly-modul for at sikre, at dets adfærd er i overensstemmelse med foruddefinerede sikkerheds- og tryghedsregler. Flere teknikker kan anvendes til at opnå dette, hver med sine styrker og begrænsninger.

1. Sandboxing

Sandboxing er en fundamental teknik til at isolere et Wasm-modul fra værtsmiljøet og andre moduler. Det indebærer at skabe et begrænset miljø, hvori modulet kan eksekvere uden at have direkte adgang til systemressourcer eller følsomme data. Dette er det vigtigste koncept, der muliggør sikker brug af WebAssembly i alle sammenhænge.

WebAssembly-specifikationen giver en indbygget sandboxing-mekanisme, der isolerer modulets hukommelse, stak og kontrolflow. Modulet kan kun tilgå hukommelsesplaceringer inden for sit eget tildelte hukommelsesområde, og det kan ikke direkte kalde system-API'er eller tilgå filer eller netværkssockets. Alle eksterne interaktioner skal gå gennem veldefinerede grænseflader, der omhyggeligt kontrolleres af værtsmiljøet.

Eksempel: I en webbrowser kan et Wasm-modul ikke direkte tilgå brugerens filsystem eller netværk uden at gå gennem browserens JavaScript-API'er. Browseren fungerer som en sandbox, der mægler alle interaktioner mellem Wasm-modulet og omverdenen.

2. Hukommelsessikkerhedstjek

Hukommelsessikkerhed er et kritisk aspekt af sikkerhed. WebAssembly-moduler kan, ligesom enhver anden kode, være sårbare over for hukommelsesrelaterede fejl såsom buffer overflows, out-of-bounds-adgang og use-after-free. Runtime-validering kan inkludere tjek for at opdage og forhindre disse fejl.

Teknikker:

• Grænsekontrol (Bounds checking): Før adgang til en hukommelsesplacering kontrollerer validatoren, at adgangen er inden for grænserne af det tildelte hukommelsesområde. Dette forhindrer buffer overflows og out-of-bounds-adgang.
• Garbage collection: Automatisk garbage collection kan forhindre hukommelseslækager og use-after-free-fejl ved automatisk at frigøre hukommelse, der ikke længere bruges af modulet. Standard WebAssembly har dog ikke garbage collection. Nogle sprog bruger eksterne biblioteker.
• Hukommelsesmærkning (Memory tagging): Hver hukommelsesplacering mærkes med metadata, der angiver dens type og ejerskab. Validatoren kontrollerer, at modulet tilgår hukommelsesplaceringer med den korrekte type, og at det har de nødvendige tilladelser til at tilgå hukommelsen.

Eksempel: Et Wasm-modul forsøger at skrive data ud over den tildelte bufferstørrelse for en streng. En runtime-grænsekontrol opdager denne out-of-bounds-skrivning og afslutter modulets eksekvering, hvilket forhindrer et potentielt buffer overflow.

3. Control Flow Integrity (CFI)

Control Flow Integrity (CFI) er en sikkerhedsteknik, der sigter mod at forhindre angribere i at kapre et programs kontrolflow. Det indebærer overvågning af programmets eksekvering og sikring af, at kontrol-overførsler kun sker til legitime destinationer.

I konteksten af WebAssembly kan CFI bruges til at forhindre angribere i at injicere ondsindet kode i modulets kodesegment eller omdirigere kontrolflowet til utilsigtede steder. CFI kan implementeres ved at instrumentere Wasm-koden for at indsætte tjek før hver kontrol-overførsel (f.eks. funktionskald, returnering, branch). Disse tjek verificerer, at måladressen er et gyldigt startpunkt eller en gyldig returadresse.

Eksempel: En angriber forsøger at overskrive en funktionspointer i Wasm-modulets hukommelse. CFI-mekanismen opdager dette forsøg og forhindrer angriberen i at omdirigere kontrolflowet til den ondsindede kode.

4. Håndhævelse af typesikkerhed

WebAssembly er designet til at være et type-sikkert sprog, hvilket betyder, at typen af hver værdi er kendt på kompileringstidspunktet og kontrolleres under eksekvering. Men selv med kompileringstids-typekontrol kan runtime-validering bruges til at håndhæve yderligere begrænsninger for typesikkerhed.

Teknikker:

• Dynamisk typekontrol: Validatoren kan udføre dynamiske typekontroller for at sikre, at typerne af værdier, der bruges i operationer, er kompatible. Dette kan hjælpe med at forhindre typefejl, som måske ikke fanges af compileren.
• Typebaseret hukommelsesbeskyttelse: Validatoren kan bruge typeinformation til at beskytte hukommelsesområder mod at blive tilgået af kode, der ikke har den korrekte type. Dette kan hjælpe med at forhindre type confusion-sårbarheder.

Eksempel: Et Wasm-modul forsøger at udføre en aritmetisk operation på en værdi, der ikke er et tal. En runtime-typekontrol opdager dette type-mismatch og afslutter modulets eksekvering.

5. Ressourcestyring og -begrænsninger

For at forhindre denial-of-service-angreb og sikre retfærdig ressourceallokering kan runtime-validering håndhæve grænser for de ressourcer, et WebAssembly-modul forbruger. Disse grænser kan omfatte:

• Hukommelsesforbrug: Den maksimale mængde hukommelse, som modulet kan allokere.
• Eksekveringstid: Den maksimale tid, som modulet kan eksekvere.
• Stakdybde: Den maksimale dybde af kaldsstakken.
• Antal instruktioner: Det maksimale antal instruktioner, som modulet kan eksekvere.

Værtsmiljøet kan indstille disse grænser og overvåge modulets ressourceforbrug. Hvis modulet overskrider nogen af grænserne, kan værtsmiljøet afslutte dets eksekvering.

Eksempel: Et Wasm-modul går ind i en uendelig løkke og bruger overdreven CPU-tid. Runtime-miljøet opdager dette og afslutter modulets eksekvering for at forhindre et denial-of-service-angreb.

6. Brugerdefinerede sikkerhedspolitikker

Ud over de indbyggede sikkerhedsmekanismer i WebAssembly kan runtime-validering bruges til at håndhæve brugerdefinerede sikkerhedspolitikker, der er specifikke for applikationen eller miljøet. Disse politikker kan omfatte:

• Adgangskontrol: Begrænsning af modulets adgang til specifikke ressourcer eller API'er.
• Data-sanitering: Sikring af, at inputdata bliver korrekt renset, før de bruges af modulet.
• Kodesignering: Verificering af ægtheden og integriteten af modulets kode.

Brugerdefinerede sikkerhedspolitikker kan implementeres ved hjælp af forskellige teknikker, såsom:

• Instrumentering: Ændring af Wasm-koden for at indsætte tjek og håndhævelsespunkter.
• Interposition: Opsnapning af kald til eksterne funktioner og API'er for at håndhæve sikkerhedspolitikker.
• Overvågning: Observation af modulets adfærd og handling, hvis det overtræder nogen sikkerhedspolitikker.

Eksempel: Et Wasm-modul bruges til at behandle brugerleverede data. En brugerdefineret sikkerhedspolitik implementeres for at rense inputdata, før de bruges af modulet, hvilket forhindrer potentielle cross-site scripting (XSS) sårbarheder.

Praktiske eksempler på runtime-validering i aktion

Lad os se på flere praktiske eksempler for at illustrere, hvordan runtime-validering kan anvendes i forskellige scenarier.

1. Sikkerhed i webbrowsere

Webbrowsere er et primært eksempel på miljøer, hvor runtime-validering er afgørende. Browsere eksekverer Wasm-moduler fra forskellige kilder, hvoraf nogle kan være upålidelige. Runtime-validering hjælper med at sikre, at disse moduler ikke kan kompromittere browserens eller brugerens systems sikkerhed.

Scenarie: Et website indlejrer et Wasm-modul, der udfører kompleks billedbehandling. Uden runtime-validering kunne et ondsindet modul potentielt udnytte sårbarheder til at få uautoriseret adgang til brugerens data eller eksekvere vilkårlig kode på deres system.

Runtime-valideringstiltag:

• Sandboxing: Browseren isolerer Wasm-modulet i en sandbox, hvilket forhindrer det i at tilgå filsystemet, netværket eller andre følsomme ressourcer uden eksplicit tilladelse.
• Hukommelsessikkerhedstjek: Browseren udfører grænsekontrol og andre hukommelsessikkerhedstjek for at forhindre buffer overflows og andre hukommelsesrelaterede fejl.
• Ressourcebegrænsninger: Browseren håndhæver grænser for modulets hukommelsesforbrug, eksekveringstid og andre ressourcer for at forhindre denial-of-service-angreb.

2. Server-side WebAssembly

WebAssembly bruges i stigende grad på server-siden til opgaver som billedbehandling, dataanalyse og logik for spilservere. Runtime-validering er afgørende i disse miljøer for at beskytte mod ondsindede eller fejlbehæftede moduler, der kan kompromittere serverens sikkerhed eller stabilitet.

Scenarie: En server hoster et Wasm-modul, der behandler bruger-uploadede filer. Uden runtime-validering kunne et ondsindet modul potentielt udnytte sårbarheder til at få uautoriseret adgang til serverens filsystem eller eksekvere vilkårlig kode på serveren.

Runtime-valideringstiltag:

Sandboxing: Serveren isolerer Wasm-modulet i en sandbox, hvilket forhindrer det i at tilgå følsomme ressourcer eller forstyrre andre moduler.

Adgangskontrol: Serveren håndhæver adgangskontrolpolitikker for at begrænse modulets adgang til specifikke ressourcer eller API'er.

Data-sanitering: Serveren renser inputdata, før de bruges af modulet, hvilket forhindrer potentielle sårbarheder som SQL-injektion eller cross-site scripting.

3. Indlejrede systemer

WebAssembly finder også vej ind i indlejrede systemer, såsom IoT-enheder og industrielle kontrolsystemer. Runtime-validering er kritisk i disse miljøer for at sikre enhedernes sikkerhed og pålidelighed.

Scenarie: En IoT-enhed kører et Wasm-modul, der styrer en kritisk funktion, såsom at styre en motor eller aflæse en sensor. Uden runtime-validering kunne et ondsindet modul potentielt få enheden til at fejle eller kompromittere dens sikkerhed.

Runtime-valideringstiltag:

Hukommelsessikkerhedstjek: Enheden udfører grænsekontrol og andre hukommelsessikkerhedstjek for at forhindre hukommelsesrelaterede fejl.

Control Flow Integrity: Enheden håndhæver CFI for at forhindre angribere i at kapre modulets kontrolflow.

Ressourcebegrænsninger: Enheden håndhæver grænser for modulets ressourceforbrug for at forhindre denial-of-service-angreb.

Udfordringer og overvejelser

Selvom runtime-validering er afgørende for sikkerheden, introducerer det også udfordringer og overvejelser, som udviklere skal være opmærksomme på:

• Ydeevne-overhead: Runtime-validering kan tilføje overhead til eksekveringen af WebAssembly-moduler, hvilket potentielt kan påvirke ydeevnen. Det er vigtigt at designe valideringsmekanismerne omhyggeligt for at minimere denne overhead.
• Kompleksitet: Implementering af runtime-validering kan være komplekst og kræver en dyb forståelse af WebAssembly-specifikationen og sikkerhedsprincipper.
• Kompatibilitet: Runtime-valideringsmekanismer er muligvis ikke kompatible med alle WebAssembly-implementeringer eller -miljøer. Det er vigtigt at vælge valideringsteknikker, der er bredt understøttede og velafprøvede.
• Falske positiver: Runtime-validering kan nogle gange producere falske positiver, hvor legitim kode fejlagtigt markeres som potentielt ondsindet. Det er vigtigt at finjustere valideringsmekanismerne omhyggeligt for at minimere antallet af falske positiver.

Bedste praksis for implementering af runtime-validering

For effektivt at implementere runtime-validering for WebAssembly-moduler, bør du overveje følgende bedste praksis:

• Brug en lagdelt tilgang: Kombiner flere valideringsteknikker for at yde omfattende beskyttelse.
• Minimer ydeevne-overhead: Optimer valideringsmekanismerne for at reducere deres indvirkning på ydeevnen.
• Test grundigt: Test valideringsmekanismerne med et bredt udvalg af WebAssembly-moduler og inputs for at sikre deres effektivitet.
• Hold dig opdateret: Hold valideringsmekanismerne opdateret med de seneste WebAssembly-specifikationer og bedste sikkerhedspraksis.
• Brug eksisterende biblioteker og værktøjer: Udnyt eksisterende biblioteker og værktøjer, der tilbyder runtime-valideringskapaciteter, for at forenkle implementeringsprocessen.

Fremtiden for validering af WebAssembly-moduler

Validering af WebAssembly-moduler er et felt i udvikling med løbende forskning og udvikling, der sigter mod at forbedre dets effektivitet og ydeevne. Nogle af de vigtigste fokusområder inkluderer:

• Formel verifikation: Brug af formelle metoder til matematisk at bevise korrektheden og sikkerheden af WebAssembly-moduler.
• Statisk analyse: Udvikling af statiske analyseværktøjer, der kan opdage potentielle sårbarheder i WebAssembly-kode uden at eksekvere den.
• Hardware-assisteret validering: Udnyttelse af hardwarefunktioner til at accelerere runtime-validering og reducere dens ydeevne-overhead.
• Standardisering: Udvikling af standardiserede grænseflader og protokoller for runtime-validering for at forbedre kompatibilitet og interoperabilitet.

Konklusion

Validering af WebAssembly-moduler er et kritisk aspekt for at sikre sikkerheden og integriteten af applikationer, der bruger WebAssembly. Runtime-validering udgør et essentielt forsvarslag ved at overvåge modulets adfærd og håndhæve sikkerhedspolitikker under dets drift. Ved at anvende en kombination af sandboxing, hukommelsessikkerhedstjek, control flow integrity, håndhævelse af typesikkerhed, ressourcestyring og brugerdefinerede sikkerhedspolitikker kan udviklere afbøde potentielle sårbarheder og beskytte deres systemer mod ondsindet eller fejlbehæftet WebAssembly-kode.

I takt med at WebAssembly fortsætter med at vinde popularitet og blive brugt i stadig mere forskelligartede miljøer, vil vigtigheden af runtime-validering kun vokse. Ved at følge bedste praksis og holde sig opdateret med de seneste fremskridt på området kan udviklere sikre, at deres WebAssembly-applikationer er sikre, pålidelige og ydedygtige.