WebAssembly kohandatud sektsioonide valideerimine: süvauuring metaandmete terviklikkusse

WebAssembly (Wasm) on arenenud kaugele oma esialgsest rollist veebirakenduste brauseripõhise jõudluse suurendajana. Sellest on saanud universaalne, portatiivne ja turvaline kompileerimise sihtmärk pilvepõhiste keskkondade, edge-arvutuse, IoT, plokiahela ja pistikprogrammi arhitektuuride jaoks. Selle liivakastiga täitmise mudel pakub tugeva turvalisuse aluse, kuid nagu iga võimsa tehnoloogia puhul, peitub kurat detailides. Üks selline detail, mis on nii tohutu paindlikkuse allikas kui ka potentsiaalne turvalisuse pimeala, on kohandatud sektsioon.

Kuigi WebAssembly käituskeskkond valideerib rangelt mooduli koodi- ja mälusektsioone, on see loodud täielikult ignoreerima kohandatud sektsioone, mida see ei tunne. See funktsioon võimaldab tööriistakettidel ja arendajatel manustada suvalisi metaandmeid – alates silumisümbolitest kuni nutilepingute ABI-deni – ilma ühilduvust rikkumata. Kuid see vaikimisi ignoreerimise käitumine avab ukse ka metaandmete rikkumiseks, tarneahela rünnakuteks ja muudeks haavatavusteks. Kuidas saate usaldada andmeid nendes sektsioonides? Kuidas tagada, et neid pole pahatahtlikult muudetud?

See põhjalik juhend süveneb WebAssembly kohandatud sektsioonide valideerimise kriitilisse praktikasse. Me uurime, miks see protsess on turvaliste süsteemide ehitamiseks hädavajalik, analüüsime erinevaid terviklikkuse kontrollimise tehnikaid – alates lihtsast räsiväärtuse arvutamisest kuni tugevate digitaalallkirjadeni – ja pakume praktilisi teadmisi nende kontrollide juurutamiseks oma rakendustes.

WebAssembly binaarvormingu mõistmine: kiire värskendus

Kohandatud sektsioonide valideerimise väljakutse mõistmiseks on oluline esmalt mõista Wasm binaarmooduli põhistruktuuri. Fail `.wasm` ei ole lihtsalt masinkoodi bloob; see on kõrgelt struktureeritud binaarvorming, mis koosneb eraldiseisvatest sektsioonidest, millest igaühel on konkreetne eesmärk.

Tüüpiline Wasm moodul algab maagilise numbriga (\0asm) ja versiooninumbriga, millele järgneb rida sektsioone. Need sektsioonid on kategoriseeritud järgmiselt:

• Tuntud sektsioonid: Need on määratletud WebAssembly spetsifikatsioonis ja on arusaadavad kõikidele ühilduvatele käituskeskkondadele. Neil on nullist erinev sektsiooni ID. Näited hõlmavad:
  • Tüübi sektsioon (ID 1): Määrab moodulis kasutatavad funktsioonide signatuurid.
  • Funktsiooni sektsioon (ID 3): Seostab iga funktsiooni tüübi sektsiooni signatuuriga.
  • Mälu sektsioon (ID 5): Määrab mooduli lineaarse mälu.
  • Ekspordi sektsioon (ID 7): Teeb funktsioonid, mälud või globaalsed muutujad hostkeskkonnale kättesaadavaks.
  • Koodi sektsioon (ID 10): Sisaldab iga funktsiooni tegelikku käivitatavat baitkoodi.
• Kohandatud sektsioonid: See on meie fookusala. Kohandatud sektsiooni tähistab Sektsiooni ID 0. Wasm spetsifikatsioon nõuab, et käituskeskkonnad ja tööriistad peavad vaikselt ignoreerima kõiki kohandatud sektsioone, millest nad aru ei saa.

Kohandatud sektsiooni anatoomia

Kohandatud sektsiooni struktuur on tahtlikult üldine, et võimaldada maksimaalset paindlikkust. See koosneb kolmest osast:

1. Sektsiooni ID: Alati 0.
2. Nimi: String, mis tuvastab kohandatud sektsiooni eesmärgi (nt "nimi", "dwarf_info", "component-type"). See nimi võimaldab tööriistadel leida ja tõlgendada sektsioone, millest nad hoolivad.
3. Päis: Suvaline baitide jada. Selle päise sisu ja vorming on täielikult tööriista või rakenduse määrata, mis selle lõi. Wasm käituskeskkond ise ei sea nendele andmetele mingeid piiranguid.

See disain on kahe teraga mõõk. See võimaldab ökosüsteemil uuendusi teha, manustades rikkalikke metaandmeid, nagu Rusti paanikainfo, Go käituskeskkonna andmed või komponendimudeli määratlused. Kuid see on ka põhjus, miks standardne Wasm käituskeskkond ei saa neid andmeid valideerida – tal pole aimugi, mis need andmed peaksid olema.

Turvalisuse pimeala: miks valideerimata metaandmed on risk

Põhiline turvaprobleem tuleneb usaldussuhtest Wasm mooduli ning tööriistade või hostrakenduste vahel, mis selle metaandmeid tarbivad. Kuigi Wasm käituskeskkond käivitab koodi turvaliselt, võivad teie süsteemi teised osad kaudselt usaldada kohandatud sektsioonides olevaid andmeid. Seda usaldust saab mitmel viisil ära kasutada.

Rünnakusuunad kohandatud sektsioonide kaudu

• Metaandmete rikkumine: Ründaja võib muuta kohandatud sektsiooni, et arendajaid või tööriistu eksitada. Kujutage ette, et muudate silumisinfot (DWARF), et suunata valedele lähtekoodi ridadele, varjates turvaauditi käigus pahatahtlikku loogikat. Või plokiahela kontekstis võib nutilepingu ABI (Application Binary Interface) muutmine kohandatud sektsioonis põhjustada detsentraliseeritud rakendusel (dApp) vale funktsiooni kutsumise, mis võib viia rahalise kahjuni.
• Teenusetõkestus (DoS): Kuigi Wasm käituskeskkond ignoreerib tundmatuid kohandatud sektsioone, ei tee seda tööriistakett. Kompilaatorid, linkijad, silurid ja staatilise analüüsi tööriistad analüüsivad sageli konkreetseid kohandatud sektsioone. Ründaja võib luua pahatahtliku kohandatud sektsiooni (nt vale pikkuse prefiksi või kehtetu sisemise struktuuriga), mis on spetsiaalselt loodud nende tööriistade krahhi põhjustamiseks, häirides arendus- ja juurutusprotsesse.
• Tarneahela rünnakud: Populaarsel teegil, mida levitatakse Wasm moodulina, võib olla pahatahtlik kohandatud sektsioon, mille on süstinud kompromiteeritud ehitusserver või man-in-the-middle rünnak. See sektsioon võib sisaldada pahatahtlikke konfiguratsiooniandmeid, mida hostrakendus või ehitustööriist hiljem loeb, käskides sellel pahatahtlik sõltuvus alla laadida või tundlikke andmeid välja filtreerida.
• Eksitav päritoluteave: Kohandatud sektsioone kasutatakse sageli ehitusinfo, lähtekoodi räside või litsentsiandmete salvestamiseks. Ründaja võib neid andmeid muuta, et varjata pahatahtliku mooduli päritolu, omistada selle usaldusväärsele arendajale või muuta selle litsentsi piiravast litsentsist lubavaks.

Kõikides nendes stsenaariumides võib Wasm moodul ise töötada liivakastis suurepäraselt. Haavatavus seisneb Wasm moodulit ümbritses ökosüsteemis, mis teeb otsuseid metaandmete põhjal, mida peetakse usaldusväärseks.

Metaandmete terviklikkuse kontrollimise tehnikad

Nende riskide maandamiseks peate liikuma kaudse usalduse mudelilt selgesõnalise kontrollimise mudelile. See hõlmab valideerimiskihi rakendamist, mis kontrollib kriitiliste kohandatud sektsioonide terviklikkust ja autentsust enne nende kasutamist. Uurime mitmeid tehnikaid, alates lihtsatest kuni krüptograafiliselt turvalisteni.

1. Räsiväärtused ja kontrollsummad

Lihtsaim terviklikkuse kontroll on kasutada krüptograafilist räsifunktsiooni (nagu SHA-256).

• Kuidas see töötab: Ehitusprotsessi käigus, pärast kohandatud sektsiooni (nt `my_app_metadata`) loomist, arvutate selle SHA-256 räsi. See räsi salvestatakse seejärel kas teises spetsiaalses kohandatud sektsioonis (nt `my_app_metadata.sha256`) või välises manifestifailis, mis on Wasm mooduliga kaasas.
• Kontrollimine: Tarbijarakendus või tööriist loeb sektsiooni `my_app_metadata`, arvutab selle räsi ja võrdleb seda salvestatud räsiga. Kui need ühtivad, pole andmeid pärast räsi arvutamist muudetud. Kui need ei ühti, lükatakse moodul rikutuna tagasi.

Plussid:

• Lihtne juurutada ja arvutuslikult kiire.
• Pakub suurepärast kaitset juhusliku riknemise ja tahtliku muutmise eest.

Miinused:

• Puudub autentsus: Räsiväärtus tõestab, et andmeid pole muudetud, kuid see ei tõesta, kes need lõi. Ründaja saab muuta kohandatud sektsiooni, arvutada räsi uuesti ja värskendada ka räsi sektsiooni. See töötab ainult siis, kui räsi ise on salvestatud turvalisse, rikkumiskindlasse asukohta.
• Nõuab teisest kanalit, et räsi ise usaldada.

2. Digitaalallkirjad (asümmeetriline krüptograafia)

Palju tugevama garantii saamiseks, mis pakub nii terviklikkust kui ka autentsust, on digitaalallkirjad kuldstandard.

• Kuidas see töötab: See tehnika kasutab avaliku/privaatvõtme paari. Wasm mooduli looja omab privaatvõtit.
  1. Esmalt arvutatakse kohandatud sektsiooni päise krüptograafiline räsi, täpselt nagu eelmises meetodis.
  2. See räsi krüpteeritakse (allkirjastatakse) seejärel looja privaatvõtmega.
  3. Saadud allkiri salvestatakse teises kohandatud sektsioonis (nt `my_app_metadata.sig`). Vastav avalik võti tuleb levitada kontrollijale. Avalik võti võidakse manustada hostrakendusse, hankida usaldusväärsest registrist või isegi paigutada teise kohandatud sektsiooni (kuigi see nõuab eraldi mehhanismi avaliku võtme usaldamiseks).
• Kontrollimine: Wasm mooduli tarbija teeb järgmised sammud:
  1. See arvutab sektsiooni `my_app_metadata` päise räsi.
  2. See loeb allkirja sektsioonist `my_app_metadata.sig`.
  3. Kasutades looja avalikku võtit, dekrüpteerib see allkirja, et paljastada algne räsi.
  4. See võrdleb dekrüpteeritud räsi räsiga, mille ta arvutas esimeses etapis. Kui need ühtivad, on allkiri kehtiv. See tõestab kahte asja: andmeid pole rikutud (terviklikkus) ja need allkirjastas privaatvõtme omanik (autentsus/päritolu).

Plussid:

• Pakub tugevaid tagatisi nii terviklikkuse kui ka autentsuse kohta.
• Avalikku võtit saab laialdaselt levitada, ilma et see kahjustaks turvalisust.
• Moodustab turvaliste tarkvaratarneahelate aluse.

Miinused:

• Keerulisem juurutada ja hallata (võtmete genereerimine, levitamine ja tühistamine).
• Veidi suurem arvutuslik üldkulu kontrollimise ajal võrreldes lihtsa räsiväärtuse arvutamisega.

3. Skeemipõhine valideerimine

Terviklikkuse ja autentsuse kontrollid tagavad, et andmed on muutumatud ja pärinevad usaldusväärsest allikast, kuid need ei taga, et andmed on hästi vormistatud. Struktuuriliselt kehtetu kohandatud sektsioon võib ikkagi parseri krahhi põhjustada. Skeemipõhine valideerimine tegeleb sellega.

• Kuidas see töötab: Määratlete oma kohandatud sektsiooni päise binaarvormingu jaoks range skeemi. Selle skeemi saab määratleda, kasutades vormingut nagu Protocol Buffers, FlatBuffers või isegi kohandatud spetsifikatsiooni. Skeem määrab andmetüüpide, pikkuste ja struktuuride oodatava jada.
• Kontrollimine: Valideerija on parser, mis üritab kohandatud sektsiooni päise eelmääratud skeemi järgi dekodeerida. Kui parsersimine õnnestub ilma vigadeta (nt puhver ei saa üle voolata, tüübid ei sobi, kõik oodatud väljad on olemas), loetakse sektsioon struktuuriliselt kehtivaks. Kui parsersimine ebaõnnestub mingil hetkel, lükatakse sektsioon tagasi.

Plussid:

• Kaitseb parsereid valesti vormistatud andmete eest, vältides DoS-rünnakute klassi.
• Tagab metaandmete järjepidevuse ja korrektsuse.
• Toimib teie kohandatud andmevormingu dokumentatsioonina.

Miinused:

• Ei kaitse kogenud ründaja eest, kes loob struktuuriliselt kehtiva, kuid semantiliselt pahatahtliku päise.
• Nõuab skeemi ja valideerimiskoodi hooldust.

Kihiline lähenemine: parimad küljed kõigist maailmadest

Need tehnikad ei välista üksteist. Tegelikult on need kõige võimsamad, kui neid kombineerida kihilises turvastrateegias:

Soovitatav valideerimisvoog:

1. Leidke ja isoleerige: Esmalt parsige Wasm moodul, et leida sihtkohandatud sektsioon (nt `my_app_metadata`) ja selle vastav allkirjasektsioon (`my_app_metadata.sig`).
2. Kontrollige autentsust ja terviklikkust: Kasutage digitaalallkirja, et kontrollida, kas sektsioon `my_app_metadata` on autentne ja seda pole rikutud. Kui see kontroll ebaõnnestub, lükake moodul kohe tagasi.
3. Valideerige struktuur: Kui allkiri on kehtiv, jätkake sektsiooni `my_app_metadata` päise parsersimist, kasutades oma skeemipõhist valideerijat. Kui see on valesti vormistatud, lükake moodul tagasi.
4. Kasutage andmeid: Alles pärast mõlema kontrolli läbimist saate metaandmeid turvaliselt usaldada ja kasutada.

See kihiline lähenemine tagab, et olete kaitstud mitte ainult andmete rikkumise, vaid ka parsersimispõhiste rünnakute eest, pakkudes tugevat kaitset sügavuti.

Praktiline juurutamine ja tööriistad

Selle valideerimise juurutamine nõuab tööriistu, mis saavad Wasm binaaridega manipuleerida ja neid kontrollida. Ökosüsteem pakub mitmeid suurepäraseid võimalusi.

Tööriistad kohandatud sektsioonide manipuleerimiseks

• wasm-tools: Käsureatööriistade komplekt ja Rusti crate Wasm binaaride parsersimiseks, printimiseks ja manipuleerimiseks. Saate seda kasutada kohandatud sektsioonide lisamiseks, eemaldamiseks või kontrollimiseks osana ehitusscriptist. Näiteks saab käsku `wasm-tools strip` kasutada kohandatud sektsioonide eemaldamiseks, samas kui kohandatud programme saab ehitada `wasm-tools` crate'iga allkirjade lisamiseks.
• Binaryen: WebAssembly kompilaatori ja tööriistaketi infrastruktuuri teek. Selle tööriista `wasm-opt` saab kasutada erinevateks teisendusteks ja selle C++ API pakub peeneteralist kontrolli mooduli struktuuri üle, sealhulgas kohandatud sektsioonide üle.
• Keelepõhised tööriistaketid: Tööriistad nagu `wasm-bindgen` (Rusti jaoks) või teiste keelte kompilaatorid pakuvad sageli mehhanisme või pistikprogramme kohandatud sektsioonide süstimiseks kompileerimisprotsessi käigus.

Valideerija pseudokood

Siin on kontseptuaalne, kõrgetasemeline näide sellest, milline valideerimisfunktsioon hostrakenduses välja näeb:

function validateWasmModule(wasmBytes, trustedPublicKey) { // 1. samm: Parsige moodul, et leida asjakohased sektsioonid 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("Nõutav metaandmete või allkirjasektsioon puudub."); } // 2. samm: Kontrollige digitaalallkirja const metadataPayload = metadataSection.payload; const signature = signatureSection.payload; const isSignatureValid = crypto.verify(metadataPayload, signature, trustedPublicKey); if (!isSignatureValid) { throw new Error("Metaandmete allkiri on kehtetu. Moodulit võidi rikkuda."); } // 3. samm: Tehke skeemipõhine valideerimine try { const parsedMetadata = MyAppSchema.decode(metadataPayload); // Andmed on kehtivad ja neid saab usaldada return { success: true, metadata: parsedMetadata }; } catch (error) { throw new Error("Metaandmed on struktuuriliselt kehtetud: " + error.message); } }

Reaalse maailma kasutusjuhud

Vajadus kohandatud sektsioonide valideerimise järele ei ole teoreetiline. See on praktiline nõue paljudes kaasaegsetes Wasm kasutustsüklites.

• Turvalised nutilepingud plokiahelas: Nutilepingu ABI kirjeldab selle avalikke funktsioone. Kui see ABI on salvestatud kohandatud sektsiooni, peab see olema allkirjastatud. See takistab pahatahtlikel tegijatel kasutaja rahakotti või dApp-i petmast, et nad lepingu korralikult ei suhtleks, esitades pettusliku ABI.
• Kontrollitav tarkvara materjaliloend (SBOM): Tarneahela turvalisuse suurendamiseks võib Wasm moodul manustada oma SBOM kohandatud sektsiooni. Selle sektsiooni allkirjastamine tagab, et sõltuvuste loend on autentne ja seda pole muudetud, et varjata haavatavat või pahatahtlikku komponenti. Mooduli tarbijad saavad seejärel selle sisu enne kasutamist automaatselt kontrollida.
• Turvalised pistikprogrammi süsteemid: Hostrakendus (nagu puhverserver, andmebaas või loominguline tööriist) saab kasutada Wasmit oma pistikprogrammi arhitektuuri jaoks. Enne kolmanda osapoole pistikprogrammi laadimist saab host kontrollida allkirjastatud kohandatud sektsiooni `permissions`. See sektsioon võiks deklareerida pistikprogrammi nõutavad võimalused (nt failisüsteemi juurdepääs, võrgule juurdepääs). Allkiri tagab, et ründaja ei ole pärast avaldamist õigusi suurendanud.
• Sisuadresseeritav levitamine: Räsides kõiki Wasm mooduli sektsioone, sealhulgas metaandmeid, saab luua selle täpse ehituse jaoks ainulaadse identifikaatori. Seda kasutatakse sisuadresseeritavates salvestussüsteemides, nagu IPFS, kus terviklikkus on põhiprintsiip. Kohandatud sektsioonide valideerimine on selle deterministliku identiteedi tagamise oluline osa.

Tulevik: standardimine ja komponendimudel

WebAssembly kogukond mõistab mooduli terviklikkuse tähtsust. Wasm kogukonna grupis toimuvad arutelud mooduli allkirjastamise ja muude turvalisuse primitiivide standardimise üle. Standardiseeritud lähenemine võimaldaks käituskeskkondadel ja tööriistadel valideerimist emakeelselt läbi viia, lihtsustades arendajate jaoks protsessi.

Lisaks sellele on esilekerkiv WebAssembly komponendimudel eesmärk standardiseerida, kuidas Wasm moodulid üksteisega ja hostiga suhtlevad. See määratleb kõrgetasemelised liidesed kohandatud sektsioonis nimega `component-type`. Selle sektsiooni terviklikkus on kogu komponendi ökosüsteemi turvalisuse jaoks ülioluline, muutes siin käsitletud valideerimistehnikad veelgi kriitilisemaks.

Kokkuvõte: usalduselt kontrollimisele

WebAssembly kohandatud sektsioonid pakuvad olulist paindlikkust, võimaldades ökosüsteemil manustada rikkalikke, domeenispetsiifilisi metaandmeid otse moodulitesse. Kuid selle paindlikkusega kaasneb valideerimise vastutus. Wasm käituskeskkondade vaikimisi käitumine – ignoreerida seda, mida nad ei mõista – loob usalduslünga, mida saab ära kasutada.

WebAssembly abil ehitava arendaja või arhitektina peate muutma oma mõtteviisi metaandmete kaudselt usaldamiselt nende selgesõnalisele kontrollimisele. Juurutades kihilist valideerimisstrateegiat, mis kombineerib skeemikontrollid struktuurilise korrektsuse tagamiseks ja digitaalallkirjad terviklikkuse ja autentsuse tagamiseks, saate selle turvalisuse lõhe sulgeda.

Turvalise, tugeva ja usaldusväärse Wasm ökosüsteemi ehitamine nõuab hoolsust igal kihil. Ärge laske oma metaandmetel olla teie turvaahela nõrk lüli. Valideerige oma kohandatud sektsioonid, kaitske oma rakendusi ja ehitage enesekindlalt.