WebAssembly Tabeltypebegrænsninger: Sikring af Funktionstabeltypesikkerhed

WebAssembly (Wasm) er dukket op som en central teknologi til opbygning af højtydende, portable og sikre applikationer på tværs af forskellige platforme. En nøglekomponent i WebAssemblys arkitektur er tabellen, en dynamisk størrelse array af externref eller funcref elementer. Sikring af typesikkerhed inden for disse tabeller, især funktionstabeller, er afgørende for at opretholde integriteten og sikkerheden af WebAssembly-moduler. Dette blogindlæg dykker ned i WebAssembly-tabeltypebegrænsninger, med fokus specifikt på funktionstabeltypesikkerhed, dens betydning, implementeringsdetaljer og fordele.

Forståelse af WebAssembly-tabeller

WebAssembly-tabeller er i det væsentlige dynamiske arrays, der kan lagre referencer til funktioner eller eksterne (uigennemsigtige) værdier. De er en grundlæggende mekanisme til at opnå dynamisk dispatch og lette interaktion mellem WebAssembly-moduler og deres værtsmiljøer. Der findes to hovedtyper af tabeller:

• Funktionstabeller (funcref): Disse tabeller lagrer referencer til WebAssembly-funktioner. De bruges til at implementere dynamiske funktionskald, hvor funktionen, der skal kaldes, bestemmes under kørsel.
• Eksterne referencetabeller (externref): Disse tabeller indeholder uigennemsigtige referencer til objekter, der administreres af værtsmiljøet (f.eks. JavaScript-objekter i en webbrowser). De gør det muligt for WebAssembly-moduler at interagere med værts-API'er og eksterne data.

Tabeller er defineret med en type og en størrelse. Typen specificerer, hvilken type element der kan gemmes i tabellen (f.eks. funcref eller externref). Størrelsen specificerer det indledende og maksimale antal elementer, tabellen kan indeholde. Størrelsen kan være enten fast eller justerbar. For eksempel kan en tabeldefinition se sådan ud (i WAT, WebAssembly-tekstformatet):

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

              
                Copy
              
            
          

Dette eksempel definerer en tabel ved navn $my_table, der gemmer funktionsreferencer (ref func), med en startstørrelse på 10 og en maksimal størrelse på 20. Tabellen kan vokse op til en maksimal størrelse, hvilket forhindrer adgang uden for grænserne og ressourceudtømning.

Vigtigheden af Funktionstabeltypesikkerhed

Funktionstabeller spiller en afgørende rolle i at muliggøre dynamiske funktionskald i WebAssembly. Men uden ordentlige typebegrænsninger kan de blive en kilde til sikkerhedssårbarheder. Overvej et scenarie, hvor et WebAssembly-modul dynamisk kalder en funktion baseret på et indeks i en funktionstabel. Hvis tabelindgangen ved det pågældende indeks ikke indeholder en funktion med den forventede signatur (dvs. det korrekte antal og typer af parametre og returværdi), kan kaldet føre til udefineret opførsel, hukommelseskorruption eller endda vilkårlig kodeudførelse.

Typesikkerhed sikrer, at den funktion, der kaldes gennem en funktionstabel, har den korrekte signatur, der forventes af kalderen. Dette er afgørende af flere årsager:

• Sikkerhed: Forhindrer angribere i at injicere ondsindet kode ved at overskrive funktionstabelindgange med referencer til funktioner, der udfører uautoriserede handlinger.
• Stabilitet: Sikrer, at funktionskald er forudsigelige og ikke fører til uventede nedbrud eller fejl.
• Korrekthed: Garanterer, at den korrekte funktion kaldes med de korrekte argumenter, hvilket forhindrer logiske fejl i applikationen.
• Ydeevne: Muliggør optimeringer af WebAssembly-runtime, da den kan stole på typeinformationen til at foretage antagelser om opførslen af funktionskald.

Uden tabeltypebegrænsninger ville WebAssembly være modtagelig for forskellige angreb, hvilket gør det uegnet til sikkerhedsfølsomme applikationer. For eksempel kan en ondsindet aktør potentielt overskrive en funktionspointer i tabellen med en pointer til deres egen ondsindede funktion. Når den originale funktion kaldes via tabellen, vil angriberens funktion blive udført i stedet, hvilket kompromitterer systemet. Dette svarer til funktionspointer-sårbarheder, der ses i native kodeudførelsesmiljøer som C/C++. Derfor er stærk typesikkerhed altafgørende.

WebAssembly Typesystem og Funktionssignaturer

For at forstå, hvordan WebAssembly sikrer funktionstabeltypesikkerhed, er det vigtigt at forstå WebAssembly-typesystemet. WebAssembly understøtter et begrænset sæt primitive typer, herunder:

• i32: 32-bit integer
• i64: 64-bit integer
• f32: 32-bit floating-point tal
• f64: 64-bit floating-point tal
• v128: 128-bit vektor (SIMD type)
• funcref: Reference til en funktion
• externref: Reference til en ekstern værdi (uigennemsigtig)

Funktioner i WebAssembly er defineret med en specifik signatur, som inkluderer typerne af deres parametre og typen af deres returværdi (eller ingen returværdi). For eksempel ville en funktion, der tager to i32 parametre og returnerer en i32 værdi, have følgende signatur (i WAT):

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

              
                Copy
              
            
          

Denne funktion, navngivet $add, tager to 32-bit integerparametre og returnerer et 32-bit integerresultat. WebAssembly-typesystemet håndhæver, at funktionskald skal overholde den deklarerede signatur. Hvis en funktion kaldes med argumenter af den forkerte type eller forsøger at returnere en værdi af den forkerte type, vil WebAssembly-runtime rejse en typefejl og standse udførelsen. Dette forhindrer typerelaterede fejl i at sprede sig og potentielt forårsage sikkerhedssårbarheder.

Tabeltypebegrænsninger: Sikring af Signaturkompatibilitet

WebAssembly håndhæver funktionstabeltypesikkerhed gennem tabeltypebegrænsninger. Når en funktion placeres i en funktionstabel, kontrollerer WebAssembly-runtime, at funktionens signatur er kompatibel med tabellens elementtype. Denne kompatibilitetskontrol sikrer, at enhver funktion, der kaldes gennem tabellen, har den forventede signatur, hvilket forhindrer typefejl og sikkerhedssårbarheder.

Flere mekanismer bidrager til at sikre denne kompatibilitet:

1. Eksplicitte typeannotationer: WebAssembly kræver eksplicitte typeannotationer for funktionsparametre og returværdier. Dette giver runtime mulighed for statisk at verificere, at funktionskald overholder de deklarerede signaturer.
2. Funktionstabeldefinition: Når en funktionstabel oprettes, erklæres den at indeholde funktionsreferencer (funcref) eller eksterne referencer (externref). Denne erklæring begrænser de typer værdier, der kan gemmes i tabellen. Forsøg på at gemme en værdi af en inkompatibel type vil resultere i en typefejl under modulvalidering eller instansiering.
3. Indirekte funktionskald: Når et indirekte funktionskald foretages via en funktionstabel, kontrollerer WebAssembly-runtime, at signaturen af den funktion, der kaldes, matcher den forventede signatur, der er specificeret af call_indirect-instruktionen. call_indirect-instruktionen kræver et typeindeks, der refererer til en specifik funktionssignatur. Runtime sammenligner denne signatur med signaturen af funktionen ved det specificerede indeks i tabellen. Hvis signaturerne ikke stemmer overens, rejses en typefejl.

Overvej følgende eksempel (i 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
              
            
          

I dette eksempel definerer vi en funktionssignatur $sig, der tager to i32-parametre og returnerer en i32. Vi definerer derefter en funktionstabel $my_table, der er begrænset til at indeholde funktionsreferencer af type $sig. Funktionen $add har også signaturen $sig. elem-segmentet initialiserer tabellen med funktionen $add. Funktionen $main kalder derefter funktionen ved indeks 0 i tabellen ved hjælp af call_indirect med typesignaturen $sig. Fordi funktionen ved indeks 0 har den korrekte signatur, er kaldet gyldigt.

Hvis vi forsøgte at placere en funktion med en anden signatur i tabellen eller kalde funktionen med en anden signatur ved hjælp af call_indirect, ville WebAssembly-runtime rejse en typefejl.

Implementeringsdetaljer i WebAssembly-kompilatorer og VM'er

WebAssembly-kompilatorer og virtuelle maskiner (VM'er) spiller en afgørende rolle i at håndhæve tabeltypebegrænsninger. Implementeringsdetaljerne kan variere afhængigt af den specifikke kompilator og VM, men de generelle principper forbliver de samme:

• Statisk analyse: WebAssembly-kompilatorer udfører statisk analyse af koden for at verificere, at tabeladgange og indirekte kald er typesikre. Denne analyse involverer kontrol af, at typerne af de argumenter, der overføres til den kaldte funktion, matcher de forventede typer, der er defineret i funktionssignaturen.
• Runtime-kontroller: Ud over statisk analyse udfører WebAssembly VM'er runtime-kontroller for at sikre typesikkerhed under udførelse. Disse kontroller er særligt vigtige for indirekte kald, hvor målfunktionen bestemmes under kørsel baseret på tabelindekset. Runtime kontrollerer, at funktionen ved det specificerede indeks har den korrekte signatur, før den udfører kaldet.
• Hukommelsesbeskyttelse: WebAssembly VM'er anvender hukommelsesbeskyttelsesmekanismer for at forhindre uautoriseret adgang til tabelhukommelsen. Dette forhindrer angribere i at overskrive funktionstabelindgange med ondsindet kode.

Overvej for eksempel V8 JavaScript-motoren, som inkluderer en WebAssembly VM. V8 udfører både statisk analyse og runtime-kontroller for at sikre funktionstabeltypesikkerhed. Under kompilering verificerer V8, at alle indirekte kald er typesikre. Under kørsel udfører V8 yderligere kontroller for at beskytte mod potentielle sårbarheder. På samme måde implementerer andre WebAssembly VM'er, såsom SpiderMonkey (Firefox's JavaScript-motor) og JavaScriptCore (Safari's JavaScript-motor), lignende mekanismer til at håndhæve typesikkerhed.

Fordele ved Tabeltypebegrænsninger

Implementeringen af tabeltypebegrænsninger i WebAssembly giver adskillige fordele:

• Forbedret sikkerhed: Forhindrer typerelaterede sårbarheder, der kan føre til kodeindsprøjtning eller vilkårlig kodeudførelse.
• Forbedret stabilitet: Reducerer sandsynligheden for runtime-fejl og nedbrud på grund af typemismatch.
• Øget ydeevne: Muliggør optimeringer af WebAssembly-runtime, da den kan stole på typeinformation til at foretage antagelser om opførslen af funktionskald.
• Forenklet fejlfinding: Gør det lettere at identificere og rette typerelaterede fejl under udvikling.
• Større portabilitet: Sikrer, at WebAssembly-moduler opfører sig ensartet på tværs af forskellige platforme og VM'er.

Disse fordele bidrager til den overordnede robusthed og pålidelighed af WebAssembly-applikationer, hvilket gør det til en passende platform til opbygning af en bred vifte af applikationer, fra webapplikationer til integrerede systemer.

Eksempler fra den virkelige verden og use cases

Tabeltypebegrænsninger er afgørende for en bred vifte af applikationer fra den virkelige verden af WebAssembly:

• Webapplikationer: WebAssembly bruges i stigende grad til at opbygge højtydende webapplikationer, såsom spil, simuleringer og billedbehandlingsværktøjer. Tabeltypebegrænsninger sikrer sikkerheden og stabiliteten af disse applikationer og beskytter brugerne mod ondsindet kode.
• Integrerede systemer: WebAssembly bruges også i integrerede systemer, såsom IoT-enheder og bilsystemer. I disse miljøer er sikkerhed og pålidelighed altafgørende. Tabeltypebegrænsninger hjælper med at sikre, at WebAssembly-moduler, der kører på disse enheder, ikke kan kompromitteres.
• Cloud computing: WebAssembly undersøges som en sandboxing-teknologi til cloud computing-miljøer. Tabeltypebegrænsninger giver et sikkert og isoleret miljø til kørsel af WebAssembly-moduler og forhindrer dem i at interferere med andre applikationer eller værtsoperativsystemet.
• Blockchain-teknologi: Nogle blockchain-platforme bruger WebAssembly til smart kontraktudførelse på grund af dets deterministiske natur og sikkerhedsfunktioner, herunder tabeltypesikkerhed.

Overvej for eksempel en webbaseret billedbehandlingsapplikation skrevet i WebAssembly. Applikationen kan bruge funktionstabeller til dynamisk at vælge forskellige billedbehandlingsalgoritmer baseret på brugerinput. Tabeltypebegrænsninger sikrer, at applikationen kun kan kalde gyldige billedbehandlingsfunktioner, hvilket forhindrer ondsindet kode i at blive udført.

Fremtidige retninger og forbedringer

WebAssembly-fællesskabet arbejder kontinuerligt på at forbedre sikkerheden og ydeevnen af WebAssembly. Fremtidige retninger og forbedringer relateret til tabeltypebegrænsninger inkluderer:

• Undertyper: Undersøgelse af muligheden for at understøtte undertyper for funktionssignaturer, hvilket ville muliggøre mere fleksibel typekontrol og muliggøre mere komplekse kodemønstre.
• Mere udtryksfulde typesystemer: Undersøgelse af mere udtryksfulde typesystemer, der kan fange mere komplekse forhold mellem funktioner og data.
• Formel verifikation: Udvikling af formelle verifikationsteknikker til at bevise korrektheden af WebAssembly-moduler og sikre, at de overholder typebegrænsninger.

Disse forbedringer vil yderligere styrke sikkerheden og pålideligheden af WebAssembly, hvilket gør det til en endnu mere attraktiv platform til opbygning af højtydende, portable og sikre applikationer.

Bedste praksisser til arbejde med WebAssembly-tabeller

For at sikre sikkerheden og stabiliteten af dine WebAssembly-applikationer skal du følge disse bedste praksisser, når du arbejder med tabeller:

• Brug altid eksplicitte typeannotationer: Definer tydeligt typerne af funktionsparametre og returværdier.
• Definer omhyggeligt funktionstabeltyper: Sørg for, at funktionstabeltypen nøjagtigt afspejler signaturerne af de funktioner, der vil blive gemt i tabellen.
• Valider funktionstabeller under instansiering: Kontroller, at funktionstabellen er korrekt initialiseret med de forventede funktioner.
• Brug hukommelsesbeskyttelsesmekanismer: Beskyt tabelhukommelsen mod uautoriseret adgang.
• Hold dig opdateret med WebAssembly-sikkerhedsmeddelelser: Vær opmærksom på kendte sårbarheder, og anvend straks patches.
• Udnyt statiske analyseværktøjer: Brug værktøjer, der er designet til at identificere potentielle typefejl og sikkerhedssårbarheder i din WebAssembly-kode. Mange linters og statiske analysatorer tilbyder nu WebAssembly-support.
• Test grundigt: Omfattende test, herunder fuzzing, kan hjælpe med at afdække uventet adfærd relateret til funktionstabeller.

Ved at følge disse bedste praksisser kan du minimere risikoen for typerelaterede fejl og sikkerhedssårbarheder i dine WebAssembly-applikationer.

Konklusion

WebAssembly-tabeltypebegrænsninger er en afgørende mekanisme til at sikre funktionstabeltypesikkerhed. Ved at håndhæve signaturkompatibilitet og forhindre typerelaterede sårbarheder bidrager de væsentligt til sikkerheden, stabiliteten og ydeevnen af WebAssembly-applikationer. Efterhånden som WebAssembly fortsætter med at udvikle sig og udvide sig til nye domæner, vil tabeltypebegrænsninger forblive et grundlæggende aspekt af dets sikkerhedsarkitektur. Det er vigtigt at forstå og udnytte disse begrænsninger for at opbygge robuste og pålidelige WebAssembly-applikationer. Ved at overholde bedste praksisser og holde sig informeret om den seneste udvikling inden for WebAssembly-sikkerhed kan udviklere udnytte det fulde potentiale i WebAssembly og samtidig afbøde potentielle risici.