گشایش آینده‌های امن: قدرت تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده در WebAssembly WASI

در دنیای دیجیتال ما که به طور فزاینده‌ای به هم متصل است، نیاز به امنیت قوی امری حیاتی است. از حفاظت از تراکنش‌های مالی در سراسر قاره‌ها گرفته تا تضمین عدالت در بازی‌های آنلاین و محافظت از داده‌های شخصی، سازوکارهای زیربنایی باید بی‌نقص باشند. یکی از این سازوکارهای بنیادی که اغلب نادیده گرفته می‌شود اما برای امنیت سایبری مدرن حیاتی است، تولید اعداد واقعاً تصادفی است. وقتی در یک زمینه محاسباتی، به ویژه برای برنامه‌های حساس به امنیت، از «تصادفی بودن» صحبت می‌کنیم، منظور ما صرفاً غیرقابل پیش‌بینی بودن نیست. ما به تصادفی بودن امن از نظر رمزنگاری اشاره داریم.

این راهنمای جامع به حوزه شگفت‌انگیز و حیاتی تولید اعداد تصادفی رمزنگاری‌شده، به طور خاص در اکوسیستم نوآورانه WebAssembly (Wasm) و رابط سیستمی WebAssembly (WASI) می‌پردازد. ما بررسی خواهیم کرد که چرا تصادفی‌سازی امن یک نیاز غیرقابل انکار برای برنامه‌های جهانی است، چگونه Wasm و WASI به این چالش پاسخ می‌دهند، و پیامدهای عمیق آن برای ساختن آینده دیجیتالی امن‌تر و قابل اعتمادتر در صنایع و مرزهای جغرافیایی مختلف چیست.

نیاز جهانی به تصادفی‌سازی: فراتر از شانس

دنیای دیجیتالی را تصور کنید که در آن هر کلید رمزنگاری قابل حدس زدن باشد، هر شماره قرعه‌کشی قابل پیش‌بینی باشد، یا هر اتصال امنی به خطر بیفتد. این واقعیتی است که اگر تولید اعداد تصادفی ما واقعاً امن نباشد با آن روبرو می‌شویم. تصادفی‌سازی سنگ بنایی است که بسیاری از اصول اولیه رمزنگاری بر روی آن ساخته شده‌اند. بدون آن، قوی‌ترین الگوریتم‌ها نیز می‌توانند بی‌فایده شوند.

تصادفی‌سازی چیست و چرا اینقدر اهمیت دارد؟

در هسته خود، تصادفی‌سازی به عدم وجود الگو یا قابلیت پیش‌بینی اشاره دارد. با این حال، برای اهداف رمزنگاری، این تعریف ارتقا می‌یابد. یک مولد اعداد تصادفی امن از نظر رمزنگاری (CSPRNG) باید اعدادی تولید کند که نه تنها برای یک ناظر، حتی با دانش کامل از خروجی‌های قبلی، غیرقابل پیش‌بینی باشند، بلکه در برابر تلاش‌ها برای تعیین «هسته» اولیه که اعداد از آن مشتق شده‌اند نیز مقاوم باشند.

اهمیت این موضوع را نمی‌توان نادیده گرفت. این سناریوها را در نظر بگیرید:

• کلیدهای رمزنگاری: هنگامی که یک اتصال امن برقرار می‌کنید (مثلاً HTTPS برای بانکداری یا پیام‌رسانی امن)، کلیدهای نشست منحصر به فردی تولید می‌شوند. اگر این کلیدها قابل پیش‌بینی باشند، یک مهاجم می‌تواند ارتباطات خصوصی شما را رهگیری و رمزگشایی کند.
• امضاهای دیجیتال: امضاهای رمزنگاری‌شده هویت‌ها را تأیید و یکپارچگی داده‌ها را بررسی می‌کنند. امنیت آنها به پارامترهای تصادفی برای جلوگیری از جعل متکی است.
• فناوری‌های بلاک‌چین: از تولید آدرس‌های کیف پول گرفته تا انتخاب پیشنهاددهندگان بلاک در برخی سازوکارهای اجماع، بلاک‌چین به شدت به اعداد تصادفی غیرقابل پیش‌بینی برای تضمین عدالت و امنیت در یک شبکه غیرمتمرکز و جهانی متکی است.
• تولید توکن: رمزهای عبور یک‌بار مصرف (OTP)، توکن‌های احراز هویت و شناسه‌های منحصر به فرد (UUID) اغلب برای جلوگیری از حملات brute-force یا تداخل به تصادفی‌سازی قوی نیاز دارند.
• نمونه‌گیری آماری و شبیه‌سازی‌ها: اگرچه همیشه از نظر امنیتی حیاتی نیستند، شبیه‌سازی‌های علمی دقیق و نمونه‌گیری آماری منصفانه برای پروژه‌های تحقیقاتی جهانی نیز از تصادفی‌سازی با کیفیت بالا بهره‌مند می‌شوند.

در هر یک از این موارد و موارد بی‌شمار دیگر، یک مولد اعداد تصادفی ضعیف یا به خطر افتاده یک آسیب‌پذیری حیاتی است که کاربران و سیستم‌ها را در سراسر جهان در معرض خطرات قابل توجهی قرار می‌دهد.

چالش جهانی: تولید اعداد واقعاً تصادفی

کامپیوترها ماشین‌های قطعی هستند. آنها دستورالعمل‌ها را دقیقاً دنبال می‌کنند. این قطعیت ذاتی، تولید تصادفی‌سازی واقعی را به یک چالش اساسی تبدیل می‌کند. مولدهای اعداد شبه تصادفی سنتی (PRNG) دنباله‌هایی تولید می‌کنند که به نظر تصادفی می‌آیند اما اگر هسته اولیه و الگوریتم را بدانید کاملاً قابل پیش‌بینی هستند. این برای کارهای غیر حساس به امنیت مانند بر زدن یک لیست پخش کاملاً قابل قبول است، اما برای رمزنگاری فاجعه‌بار است.

برای دستیابی به تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده، سیستم‌ها معمولاً به منابع خارجی «آنتروپی» متکی هستند - پدیده‌های فیزیکی غیرقابل پیش‌بینی که می‌توانند به بیت‌های تصادفی تبدیل شوند. این منابع می‌توانند شامل نویز محیطی، زمان‌بندی ورودی کاربر (حرکات ماوس، ضربه‌های صفحه کلید)، زمان‌های جستجوی هارد دیسک یا حتی پدیده‌های کوانتومی باشند. چالش این است که اطمینان حاصل شود این منابع آنتروپی واقعاً تصادفی هستند، به طور کارآمد جمع‌آوری می‌شوند و به طور مداوم در محیط‌های محاسباتی متنوع، از دستگاه‌های تعبیه‌شده کوچک گرفته تا سرورهای ابری عظیم، قابل دسترسی هستند.

نگاهی عمیق به WebAssembly (Wasm) و WASI

قبل از اینکه بررسی کنیم چگونه WebAssembly با مشکل تصادفی‌سازی مقابله می‌کند، بیایید به طور خلاصه مرور کنیم که Wasm و WASI چه هستند و چرا در حال ایجاد انقلابی در توسعه نرم‌افزار در سطح جهانی هستند.

WebAssembly: فرمت باینری جهانی برای وب و فراتر از آن

WebAssembly که اغلب به اختصار Wasm نامیده می‌شود، یک فرمت دستورالعمل باینری سطح پایین برای یک ماشین مجازی مبتنی بر پشته است. این به عنوان یک هدف کامپایل قابل حمل برای زبان‌های سطح بالا مانند C/C++، Rust، Go و بسیاری دیگر طراحی شده است که امکان استقرار در وب برای برنامه‌های سمت کلاینت و روی سرورها، دستگاه‌های IoT و حتی ران‌تایم‌های بلاک‌چین را فراهم می‌کند. ویژگی‌های کلیدی آن عبارتند از:

• عملکرد: سرعت اجرایی نزدیک به بومی.
• قابلیت حمل: به طور مداوم در سخت‌افزارها و سیستم‌عامل‌های مختلف اجرا می‌شود.
• امنیت: در یک محیط سندباکس اجرا می‌شود و از دسترسی مستقیم به سیستم میزبان جلوگیری می‌کند.
• فشردگی: اندازه‌های باینری کوچک، بارگذاری سریع.

Wasm فراتر از مرورگرها رفته و در محاسبات بدون سرور، محاسبات لبه و به عنوان یک ران‌تایم جهانی برای برنامه‌های غیرمتمرکز (Web3) جایگاه قابل توجهی پیدا کرده است. وعده آن یعنی «یک بار بنویس، همه جا اجرا کن» با عملکرد بالا، واقعاً یک پیشنهاد جهانی است.

WASI: پر کردن شکاف برای دسترسی به منابع سیستم

در حالی که Wasm یک محیط اجرایی قدرتمند فراهم می‌کند، سندباکس ذاتی آن به این معنی است که نمی‌تواند مستقیماً با سیستم عامل زیربنایی برای کارهایی مانند خواندن فایل‌ها، دسترسی به سوکت‌های شبکه یا به طور حیاتی، درخواست اعداد تصادفی تعامل داشته باشد. اینجاست که رابط سیستمی WebAssembly (WASI) وارد عمل می‌شود.

WASI یک رابط سیستمی ماژولار برای WebAssembly است. این رابط مجموعه‌ای از APIهای استاندارد شده را تعریف می‌کند که به ماژول‌های Wasm اجازه می‌دهد به طور ایمن و به روشی مستقل از پلتفرم به منابع سیستم میزبان دسترسی پیدا کنند. WASI را به عنوان یک رابط شبیه به POSIX برای Wasm در نظر بگیرید. این به برنامه‌های Wasm اجازه می‌دهد یک بار کامپایل شده و سپس روی هر سیستم عاملی که یک ران‌تایم WASI فراهم می‌کند (مانند Node.js، Wasmtime، Wasmer) اجرا شوند و به آنها دسترسی کنترل‌شده به قابلیت‌هایی را می‌دهد که معمولاً برای برنامه‌های بومی رزرو شده‌اند.

فلسفه طراحی پشت WASI امنیت را در اولویت قرار می‌دهد. به جای اعطای دسترسی کلی، WASI از یک مدل امنیتی مبتنی بر قابلیت استفاده می‌کند، که در آن ماژول‌ها باید به صراحت مجوزهایی برای منابع خاص (مانند دسترسی به سیستم فایل برای یک دایرکتوری خاص، یا توانایی تولید اعداد تصادفی) دریافت کنند. این کنترل دقیق برای حفظ تضمین‌های امنیتی سندباکس Wasm در حین گسترش کاربرد آن حیاتی است.

نقطه تلاقی حیاتی: تصادفی‌سازی در WebAssembly و WASI

با توجه به ماهیت سندباکس Wasm و نقش روزافزون آن در برنامه‌های حساس به امنیت در سطح جهانی، فراهم کردن یک منبع قابل اعتماد و امن از نظر رمزنگاری برای تصادفی‌سازی کاملاً ضروری می‌شود. این دقیقاً جایی است که WASI نقشی محوری ایفا می‌کند.

مشکل: قطعیت در مقابل عدم قطعیت در محیط‌های Wasm

یک ماژول Wasm خالص، به طور طراحی، قطعی است. با ورودی‌های یکسان، همیشه خروجی‌های یکسانی تولید می‌کند. این قطعیت یک ویژگی قدرتمند برای تکرارپذیری و تأیید است، به ویژه در سناریوهایی مانند قراردادهای هوشمند روی یک بلاک‌چین که در آن هر گره باید به حالت یکسانی برسد. با این حال، عملیات رمزنگاری اساساً به عدم قطعیت متکی است - توانایی تولید خروجی‌هایی که قابل پیش‌بینی نیستند.

اگر یک ماژول Wasm که در یک محیط ایزوله اجرا می‌شود، سعی کند بدون کمک خارجی اعداد تصادفی تولید کند، یا دنباله‌های قابل پیش‌بینی تولید می‌کند (اگر از یک PRNG ساده با یک مقدار ثابت استفاده کند) یا کاملاً قادر به تولید هیچ تصادفی‌سازی نخواهد بود. هیچ یک از این سناریوها برای امنیت قابل قبول نیست. یک ماژول Wasm که در مرورگر شما، یک تابع ابری یا یک اعتبارسنج بلاک‌چین اجرا می‌شود، به داده‌های تصادفی قوی و غیرقابل پیش‌بینی نیاز دارد.

راه حل: نقش WASI در فراهم کردن تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده

WASI با فراهم کردن یک API استاندارد برای دسترسی به اعداد تصادفی امن از نظر رمزنگاری از محیط میزبان، به این مشکل پاسخ می‌دهد. این بدان معناست که به جای تلاش برای تولید تصادفی‌سازی در داخل سندباکس قطعی Wasm، ماژول Wasm این وظیفه حیاتی را به میزبان مورد اعتماد واگذار می‌کند. سیستم عامل میزبان (لینوکس، ویندوز، macOS و غیره) مسئول نگهداری یک استخر از آنتروپی با کیفیت بالا و فراهم کردن بایت‌های تصادفی امن است.

این رویکرد چندین مزیت قابل توجه دارد:

• بهره‌گیری از امنیت میزبان: CSPRNG موجود و به خوبی بررسی شده سیستم عامل میزبان (مانند /dev/urandom در لینوکس، CryptGenRandom در ویندوز) معمولاً بسیار بهینه و قوی است و از منابع آنتروپی متنوع و با کیفیت بالا استفاده می‌کند.
• استانداردسازی: توسعه‌دهندگان می‌توانند کد Wasm بنویسند که با استفاده از یک API WASI واحد و قابل حمل، اعداد تصادفی را درخواست می‌کند، صرف نظر از میزبان زیربنایی. این امر قابلیت همکاری را تقویت کرده و کد مخصوص پلتفرم را کاهش می‌دهد.
• یکپارچگی سندباکس: ماژول Wasm در سندباکس باقی می‌ماند. نیازی به درک پیچیدگی‌های جمع‌آوری آنتروپی ندارد؛ فقط یک درخواست می‌دهد و میزبان آن را به طور ایمن برآورده می‌کند.

چگونه WASI 'random_get' کار می‌کند: یک رویکرد امن

تابع اصلی WASI برای به دست آوردن بایت‌های تصادفی امن از نظر رمزنگاری random_get است. این بخشی از API wasi_snapshot_preview1 است که به طور گسترده پیاده‌سازی شده است.

امضای random_get (به طور مفهومی، همانطور که توسط یک ماژول Wasm دیده می‌شود) معمولاً چیزی شبیه به این است:

random_get(buffer_pointer: u32, buffer_len: u32) -> error_code

• buffer_pointer: یک اشاره‌گر به منطقه‌ای از حافظه در حافظه خطی ماژول Wasm که بایت‌های تصادفی باید در آن نوشته شوند.
• buffer_len: تعداد بایت‌های تصادفی درخواستی.
• error_code: یک مقدار بازگشتی که موفقیت یا شکست را نشان می‌دهد (مثلاً مجوزهای ناکافی، خطای میزبان).

هنگامی که یک ماژول Wasm تابع random_get را فراخوانی می‌کند، ران‌تایم WASI (که توسط میزبان فراهم شده) این فراخوانی را رهگیری می‌کند. سپس این درخواست را به یک فراخوانی سیستمی به CSPRNG زیربنایی میزبان ترجمه می‌کند. سیستم عامل میزبان تعداد درخواستی بایت‌های تصادفی امن از نظر رمزنگاری را تولید کرده و آنها را در منطقه حافظه مشخص شده ماژول Wasm می‌نویسد. سپس ماژول Wasm می‌تواند از این بایت‌ها برای عملیات رمزنگاری خود استفاده کند.

این انتزاع قدرتمند است. یک برنامه Rust که به Wasm کامپایل شده است می‌تواند از rand::thread_rng() استفاده کند، که در زیرساخت، هنگام کامپایل برای WASI، در نهایت یک فراخوانی به random_get انجام می‌دهد. به طور مشابه، برنامه‌های C/C++ ممکن است از توابع کتابخانه استاندارد مانند getrandom() یا CryptGenRandom() (یا wrapperهای آنها) استفاده کنند، که ران‌تایم WASI آنها را به طور مناسب نگاشت می‌کند.

درک مولدهای اعداد شبه تصادفی امن از نظر رمزنگاری (CSPRNGs)

از آنجایی که WASI به CSPRNG میزبان متکی است، برای توسعه‌دهندگان و معماران بسیار مهم است که بفهمند چه چیزی این مولدها را امن می‌کند و چگونه با همتایان ساده‌تر خود تفاوت دارند.

چه چیزی یک CSPRNG را «امن» می‌کند؟

یک CSPRNG برای برآورده کردن الزامات سختگیرانه‌ای طراحی شده است که تضمین می‌کند خروجی آن برای استفاده رمزنگاری مناسب است. ویژگی‌های کلیدی عبارتند از:

• غیرقابل پیش‌بینی بودن: یک مهاجم نمی‌تواند خروجی‌های آینده را پیش‌بینی کند حتی اگر تمام خروجی‌های گذشته را بداند.
• عدم قابلیت بازسازی: یک مهاجم نمی‌تواند حالت داخلی یا هسته مولد را تعیین کند، حتی اگر تمام خروجی‌های گذشته و آینده را بداند.
• مقاومت در برابر به خطر افتادن هسته: اگر حالت داخلی (هسته) مولد در نقطه‌ای به خطر بیفتد، خروجی‌های بعدی باید از خروجی‌های قبلی غیرقابل پیش‌بینی باقی بمانند. این امر اغلب از طریق فرآیندی به نام باز-هسته‌دهی یا محرمانگی پیشرو به دست می‌آید، که در آن حالت داخلی به طور منظم با آنتروپی جدید به‌روز می‌شود.
• خروجی با آنتروپی بالا: خروجی باید از نظر آماری از اعداد واقعاً تصادفی غیرقابل تشخیص باشد.

این ویژگی‌ها CSPRNGها را برای تولید کلیدهای بلندمدت، کلیدهای نشست، نانس‌ها (اعداد یک‌بار مصرف)، نمک‌ها برای هش کردن رمز عبور و سایر پارامترهای امنیتی حیاتی مناسب می‌سازد.

منابع آنتروپی: خون حیات تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده

کیفیت یک CSPRNG مستقیماً به کیفیت و کمیت آنتروپی که می‌تواند جمع‌آوری کند، بستگی دارد. آنتروپی اساساً تصادفی‌سازی واقعی است که از فرآیندهای فیزیکی گرفته شده است. منابع رایج آنتروپی عبارتند از:

• مولدهای اعداد تصادفی سخت‌افزاری (HRNGs): قطعات سخت‌افزاری اختصاصی (که اغلب در CPUها یا تراشه‌های تخصصی یافت می‌شوند) که از پدیده‌های کوانتومی مانند نویز حرارتی، نویز جوی یا نویز نیمه‌هادی بهره‌برداری می‌کنند. اینها به طور کلی به عنوان منابع با بالاترین کیفیت در نظر گرفته می‌شوند.
• رویدادهای سیستم: زمان‌بندی وقفه‌ها، تأخیر هارد دیسک، زمان رسیدن بسته‌های شبکه، شناسه‌های فرآیند، استفاده از حافظه و سایر رویدادهای سطح سیستم عامل می‌توانند به یک استخر آنتروپی کمک کنند.
• ورودی کاربر: حرکات ماوس، زمان‌بندی صفحه کلید و سایر تعاملات کاربر، اگرچه محدود هستند، اما می‌توانند مقداری آنتروپی در محیط‌های دسکتاپ فراهم کنند.

سیستم‌عامل‌ها یک «استخر آنتروپی» را نگهداری می‌کنند که به طور مداوم بیت‌ها را از این منابع جمع‌آوری می‌کند. هنگامی که یک CSPRNG نیاز به هسته‌دهی یا باز-هسته‌دهی دارد، از این استخر استفاده می‌کند. استحکام CSPRNG یک میزبان به شدت به توانایی آن در جمع‌آوری آنتروپی متنوع و با کیفیت بالا بستگی دارد.

تمایز CSPRNGها از PRNGها

درک تفاوت بین یک مولد اعداد شبه تصادفی ساده (PRNG) و یک مولد اعداد شبه تصادفی امن از نظر رمزنگاری (CSPRNG) حیاتی است. استفاده از یک PRNG برای اهداف امنیتی یکی از رایج‌ترین و خطرناک‌ترین اشتباهات رمزنگاری است.

• PRNGها (مانند rand() در C، java.util.Random):
  • عمدتاً برای کارهای غیر امنیتی (شبیه‌سازی‌ها، بازی‌هایی که عدالت در آنها حیاتی نیست، بر زدن).
  • تولید سریع.
  • قابل پیش‌بینی: اگر هسته مشخص باشد، کل دنباله قابل بازتولید است.
  • از نظر آماری خوب اما از نظر رمزنگاری ضعیف.
• CSPRNGها (مانند /dev/urandom، CryptGenRandom، java.security.SecureRandom):
  • برای تمام کارهای حساس به امنیت (تولید کلید، نانس، نمک) ضروری است.
  • کندتر از PRNGها به دلیل جمع‌آوری آنتروپی و الگوریتم‌های پیچیده‌تر.
  • غیرقابل پیش‌بینی: حتی با دانش کامل از خروجی‌های گذشته، خروجی‌های آینده قابل حدس نیستند.
  • مقاوم در برابر حملات برای کشف هسته یا حالت داخلی.
  • به آنتروپی با کیفیت بالا از محیط متکی است.

تابع random_get در WASI به طور خاص دسترسی به CSPRNG میزبان را فراهم می‌کند و اطمینان می‌دهد که برنامه‌های Wasm می‌توانند سطح تصادفی‌سازی مورد نیاز برای عملیات امنیتی حیاتی را به دست آورند.

کاربردهای عملی و موارد استفاده در صنایع مختلف

توانایی تولید امن اعداد تصادفی در محیط‌های Wasm/WASI، مجموعه‌ای گسترده از امکانات را باز می‌کند و امنیت و کارایی را در صنایع متعدد جهانی افزایش می‌دهد.

بلاک‌چین و ارزهای دیجیتال: تضمین یکپارچگی تراکنش‌ها

فناوری بلاک‌چین، به دلیل ماهیت غیرمتمرکز خود، نیازمند امنیت و عدالت قوی است. Wasm به دلیل عملکرد، قابلیت حمل و سندباکس خود، به طور فزاینده‌ای به یک ران‌تایم ترجیحی برای قراردادهای هوشمند و کلاینت‌های بلاک‌چین تبدیل می‌شود. تصادفی‌سازی امن از نظر رمزنگاری در اینجا ضروری است:

• تولید آدرس کیف پول: کلیدهای خصوصی، که کلیدهای عمومی و آدرس‌های کیف پول از آنها مشتق می‌شوند، باید با تصادفی‌سازی قوی تولید شوند تا از تداخل جلوگیری کرده و منحصر به فرد بودن و امنیت وجوه را تضمین کنند.
• برنامه‌های غیرمتمرکز (dApps): بسیاری از dAppها، به ویژه در امور مالی غیرمتمرکز (DeFi) و بازی (GameFi)، برای ویژگی‌هایی مانند قرعه‌کشی‌های منصفانه، مینت کردن NFTهای منحصر به فرد، یا انتخاب اعتبارسنج‌ها در برخی سازوکارهای اجماع اثبات سهام، به تصادفی‌سازی نیاز دارند.
• فانوس‌های تصادفی (Randomness Beacons): برخی از پروتکل‌های بلاک‌چین به دنبال اعداد تصادفی خارجی و قابل تأیید برای عملیات مختلف هستند. Wasm/WASI می‌تواند کلاینت‌های امن را برای مصرف این فانوس‌ها فعال کند.

تأثیر جهانی آن قابل توجه است: برنامه‌های بلاک‌چین امن مجهز به WASI به معنای سیستم‌های مالی قابل اعتمادتر، دارایی‌های دیجیتال قابل تأیید و اکوسیستم‌های غیرمتمرکز منصفانه برای کاربران در سراسر جهان است.

ارتباطات امن و رمزنگاری: حفاظت از داده‌های جهانی

هر کانال ارتباطی امن، از ایمیل رمزگذاری شده گرفته تا پیام‌رسانی فوری و VPNها، برای تولید کلید و برقراری نشست به اعداد تصادفی متکی است. Wasm می‌تواند در این موارد نقش ایفا کند:

• رمزنگاری امن سمت کلاینت: ماژول‌های Wasm می‌توانند عملیات رمزنگاری را مستقیماً در مرورگر یا در لبه انجام دهند و کلیدهایی برای ارتباطات رمزگذاری شده سرتاسری بدون اتکا به یک سرور متمرکز تولید کنند.
• امنیت دستگاه‌های IoT: دستگاه‌های IoT با منابع محدود اغلب نیاز به تولید شناسه‌های دستگاه منحصر به فرد یا کلیدهای رمزنگاری دارند. Wasm/WASI می‌تواند یک ران‌تایم امن و قابل حمل برای این عملیات فراهم کند و یکپارچگی دستگاه را در یک شبکه جهانی وسیع از حسگرها و عملگرها تضمین کند.
• کلاینت‌های VPN و پراکسی‌ها: Wasm می‌تواند اجزای با کارایی بالا و امن را در کلاینت‌های VPN تقویت کند و دست‌دهی‌های رمزنگاری و برقراری تونل را با تصادفی‌سازی قوی مدیریت کند.

این امر استاندارد بالاتری از حریم خصوصی و امنیت داده‌ها را برای افراد و سازمان‌هایی که در سراسر مرزها ارتباط برقرار می‌کنند، امکان‌پذیر می‌سازد و از اطلاعات حساس در برابر رهگیری و دستکاری محافظت می‌کند.

بازی و شبیه‌سازی: عدالت و غیرقابل پیش‌بینی بودن

اگرچه همیشه «رمزنگاری» در نظر گرفته نمی‌شود، عدالت در بازی و دقت آماری در شبیه‌سازی‌ها نیازمند تصادفی‌سازی با کیفیت بالا است. دسترسی CSPRNG در WASI تضمین می‌کند:

• بازی آنلاین منصفانه: برای ویژگی‌هایی مانند دراپ‌های لوت باکس، بر زدن کارت‌ها در پوکر، پرتاب تاس، یا محاسبات ضربات حیاتی در بازی‌های نقش‌آفرینی آنلاین، تصادفی‌سازی امن از نظر رمزنگاری می‌تواند تضمین کند که نتایج واقعاً غیرقابل پیش‌بینی هستند و نمی‌توانند توسط بازیکنان یا اپراتورها دستکاری شوند. این امر اعتماد را در جوامع بازی جهانی ایجاد می‌کند.
• شبیه‌سازی‌های علمی: مدل‌های علمی در مقیاس بزرگ (مانند تغییرات آب و هوا، دینامیک مولکولی، ژنتیک جمعیت) اغلب برای شبیه‌سازی‌های مونت کارلو به مقادیر زیادی از اعداد تصادفی با کیفیت بالا نیاز دارند. Wasm/WASI می‌تواند یک پلتفرم قابل حمل و با کارایی بالا برای این محاسبات فراهم کند و یکپارچگی تحقیقات انجام شده توسط مؤسسات در سراسر جهان را تضمین کند.

تحقیقات علمی و ناشناس‌سازی داده‌ها: حفظ حریم خصوصی و دقت

در تحقیقاتی که شامل داده‌های حساس است، تصادفی‌سازی برای ناشناس‌سازی و یکپارچگی آماری حیاتی است:

• حریم خصوصی تفاضلی: افزودن نویز تصادفی با دقت کالیبره شده به مجموعه‌های داده، تکنیکی است که برای دستیابی به حریم خصوصی تفاضلی استفاده می‌شود و امکان تحلیل آماری را بدون افشای نقاط داده فردی فراهم می‌کند. Wasm/WASI می‌تواند ماژول‌های تحلیل داده با حفظ حریم خصوصی را تقویت کند.
• آزمایش‌های کنترل‌شده تصادفی (RCTs): در تحقیقات پزشکی یا علوم اجتماعی، تخصیص تصادفی شرکت‌کنندگان به گروه‌های کنترل و درمان ضروری است. تصادفی‌سازی امن نتایج بی‌طرفانه را تضمین می‌کند که در گروه‌های جمعیتی و جغرافیایی متنوع قابل اعمال است.

سیستم‌های توزیع‌شده و توازن بار جهانی

معماری‌های ابری مدرن و سیستم‌های توزیع‌شده که اغلب چندین مرکز داده در سراسر جهان را در بر می‌گیرند، از تصادفی‌سازی غیرقابل پیش‌بینی برای موارد زیر بهره می‌برند:

• اجماع توزیع‌شده: برخی الگوریتم‌های توزیع‌شده، مانند انتخاب رهبر در برخی پروتکل‌های اجماع، می‌توانند از تصادفی‌سازی برای شکستن تساوی یا تضمین عدالت استفاده کنند.
• تولید شناسه منحصر به فرد: تولید شناسه‌های منحصر به فرد جهانی (UUID) در سرویس‌های توزیع‌شده بدون تداخل، نیازمند تصادفی‌سازی قوی است که برای ردیابی درخواست‌ها و منابع در معماری‌های میکروسرویس پیچیده جهانی حیاتی است.
• تخصیص منابع پویا: تصادفی‌سازی می‌تواند در برخی استراتژی‌های توازن بار یا الگوریتم‌های تخصیص منابع برای توزیع عادلانه بار کاری و جلوگیری از نقاط داغ استفاده شود.

پیاده‌سازی تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده در برنامه‌های Wasm/WASI

برای توسعه‌دهندگانی که علاقه‌مند به بهره‌گیری از تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده WASI هستند، درک جزئیات پیاده‌سازی و بهترین شیوه‌ها بسیار مهم است.

بهره‌گیری از random_get WASI در زبان‌های مختلف

زیبایی WASI در این است که سیستم عامل زیربنایی را انتزاع می‌کند. توسعه‌دهندگان کد خود را در زبان مورد علاقه خود به Wasm کامپایل می‌کنند و ران‌تایم زبان یا کتابخانه استاندارد فراخوانی‌های WASI را مدیریت می‌کند.

• Rust: کریت محبوب rand در Rust به خوبی با WASI یکپارچه شده است. هنگام کامپایل یک برنامه Rust به Wasm با هدف WASI (مانند wasm32-wasi)، فراخوانی‌های rand::thread_rng() یا rand::rngs::OsRng به طور خودکار توسط کتابخانه استاندارد Rust به random_get WASI نگاشت می‌شوند. این یک رابط آشنا و امن برای توسعه‌دهندگان Rust در سراسر جهان فراهم می‌کند.

          
          use rand::Rng;
  
          fn main() {
              let mut rng = rand::thread_rng();
              let random_byte: u8 = rng.gen();
              println!("Random byte: {}", random_byte);
  
              let mut buffer = [0u8; 32];
              rng.fill(&mut buffer[..]);
              println!("32 random bytes: {:?}", buffer);
          }
          
          

• C/C++: برای برنامه‌های C/C++ که به WASI کامپایل می‌شوند، توابع کتابخانه استاندارد که معمولاً برای تصادفی‌سازی امن استفاده می‌شوند (مانند arc4random_buf() یا به طور بالقوه wrapperهای سفارشی اطراف قابلیت‌های شبیه به /dev/urandom) توسط پیاده‌سازی libc WASI به random_get WASI نگاشت می‌شوند. توسعه‌دهندگان باید از rand() و srand() برای زمینه‌های حساس به امنیت خودداری کنند.

          
          // مثال (مفهومی، پیاده‌سازی واقعی به libc WASI بستگی دارد)
          #include <stdio.h>
          #include <stdint.h>
          #include <stdlib.h> // برای arc4random_buf یا مشابه
  
          // در یک محیط WASI، arc4random_buf ممکن است به random_get نگاشت شود
          extern void arc4random_buf(void *buf, size_t nbytes);
  
          int main() {
              uint8_t buffer[32];
              arc4random_buf(buffer, sizeof(buffer));
  
              printf("32 random bytes: ");
              for (size_t i = 0; i < sizeof(buffer); ++i) {
                  printf("%02x", buffer[i]);
              }
              printf("\n");
              return 0;
          }
          
          

• Go: با پشتیبانی آزمایشی Go از WASI، انتظار می‌رود بسته‌هایی مانند crypto/rand به درستی به random_get WASI نگاشت شوند و تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده لازم را فراهم کنند.

          
          package main
  
          import (
              "crypto/rand"
              "fmt"
              "log"
          )
  
          func main() {
              b := make([]byte, 32)
              _, err := rand.Read(b)
              if err != nil {
                  log.Fatal(err)
              }
              fmt.Printf("32 random bytes: %x\n", b)
          }
          
          

• AssemblyScript: به عنوان یک کامپایلر TypeScript به WebAssembly، AssemblyScript اغلب برای عملیات سطح سیستم به توابع میزبان متکی است. برای تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده، معمولاً یک تابع میزبان را وارد می‌کند که به نوبه خود random_get WASI را فراخوانی می‌کند.

          
          // در AssemblyScript
          // با فرض اینکه یک تابع میزبان 'randomGet' وارد شده و فراخوانی WASI را مدیریت می‌کند
          @external("env", "randomGet")
          declare function randomGet(ptr: usize, len: usize): void;
  
          export function generateRandomBytes(len: i32): Uint8Array {
              let buffer = new Uint8Array(len);
              randomGet(buffer.dataStart, buffer.byteLength);
              return buffer;
          }
  
          // سمت میزبان (مثلاً در Node.js با یک ران‌تایم WASI)
          // const instance = await WebAssembly.instantiate(..., {
          //     env: {
          //         randomGet: (ptr, len) => {
          //             // از crypto.randomFillSync در node یا مشابه استفاده کنید
          //             const randomBytes = crypto.randomBytes(len);
          //             // در حافظه Wasm در 'ptr' بنویسید
          //         }
          //     }
          // });
          
          

بهترین شیوه‌ها برای تولید امن اعداد تصادفی

حتی با فراهم بودن دسترسی به CSPRNG توسط WASI، توسعه‌دهندگان باید از بهترین شیوه‌ها پیروی کنند تا امنیت برنامه‌های خود را تضمین کنند:

• همیشه از CSPRNGها برای امنیت استفاده کنید: هرگز از PRNGهای ساده (مانند آنهایی که بر اساس time() به عنوان هسته هستند) برای هیچ هدف حساس به امنیتی استفاده نکنید. همیشه گزینه‌های امن از نظر رمزنگاری ارائه شده توسط کتابخانه‌های استاندارد زبان (که به random_get WASI واگذار می‌شوند) را انتخاب کنید.
• آنتروپی کافی درخواست کنید: اطمینان حاصل کنید که بایت‌های تصادفی کافی برای نیازهای رمزنگاری خاص خود درخواست می‌کنید. به عنوان مثال، 256 بیت (32 بایت) یک توصیه رایج برای کلیدهای رمزنگاری قوی است.
• خطاها را با ظرافت مدیریت کنید: تابع random_get (یا wrapperهای زبان آن) به طور بالقوه می‌تواند با شکست مواجه شود (مثلاً اگر آنتروپی میزبان تمام شود یا یک سیاست امنیتی از دسترسی جلوگیری کند). برنامه شما باید این خطاها را به طور قوی مدیریت کند، شاید با شکست امن یا هشدار به مدیران، به جای ادامه دادن با مقادیر ضعیف یا قابل پیش‌بینی.
• باز-هسته‌دهی منظم (مسئولیت میزبان): در حالی که WASI این را به میزبان واگذار می‌کند، خوب است بدانید که یک پیاده‌سازی قوی CSPRNG روی میزبان به طور مداوم آنتروپی جدید جمع‌آوری کرده و خود را برای حفظ محرمانگی پیشرو باز-هسته‌دهی می‌کند.
• ممیزی و بررسی: به طور منظم کد و وابستگی‌های آن را ممیزی کنید تا اطمینان حاصل شود که تمام الزامات تصادفی‌سازی به طور ایمن برآورده می‌شوند. از هرگونه آسیب‌پذیری یافت شده در پیاده‌سازی‌های CSPRNG زیربنایی یا ران‌تایم‌های WASI مطلع باشید.

دام‌هایی که باید از آنها اجتناب کرد: اشتباهات رایج در پیاده‌سازی تصادفی‌سازی

حتی با دسترسی به CSPRNGها، اشتباهات می‌توانند امنیت را به خطر بیندازند. توسعه‌دهندگان، به ویژه آنهایی که تازه وارد برنامه‌نویسی رمزنگاری شده‌اند، باید از این دام‌های رایج آگاه باشند:

• استفاده از هسته‌های ضعیف: هسته‌دهی یک PRNG با مقادیر قابل پیش‌بینی (مانند زمان فعلی یا شناسه فرآیند) آن را کاملاً ناامن می‌کند. این مشکل با دسترسی مستقیم WASI به CSPRNGها کمتر است، اما هنوز یک اصل کلی است.
• درخواست نکردن تصادفی‌سازی کافی: استفاده از بیت‌های تصادفی بسیار کم (مانند کلیدهای 64 بیتی در حالی که 256 بیت مورد نیاز است) امنیت را به طور قابل توجهی تضعیف می‌کند.
• کوتاه کردن تصادفی‌سازی: گرفتن تنها بخشی از خروجی یک CSPRNG بدون در نظر گرفتن دقیق، گاهی اوقات می‌تواند باعث ایجاد سوگیری یا کاهش آنتروپی شود.
• استفاده مجدد از نانس‌ها یا کلیدها: استفاده از یک نانس (عدد یک‌بار مصرف) یا کلید رمزنگاری برای چندین عملیات می‌تواند به آسیب‌پذیری‌های امنیتی شدید منجر شود و حملات بازپخش یا بازیابی کلید را امکان‌پذیر کند.
• ساخت مولدهای تصادفی سفارشی: مگر اینکه شما یک رمزنگار باتجربه با بررسی همتایان گسترده باشید، هرگز سعی نکنید CSPRNG خود را پیاده‌سازی کنید. همیشه به پیاده‌سازی‌های کتابخانه استاندارد و به خوبی بررسی شده که از امکانات قوی سیستم عامل بهره می‌برند، تکیه کنید.
• نادیده گرفتن محیط میزبان: در حالی که WASI میزبان را انتزاع می‌کند، امنیت CSPRNG زیربنایی میزبان بسیار مهم است. یک محیط میزبان ناامن یا به خطر افتاده همچنان می‌تواند امنیت ماژول Wasm را تضعیف کند، که بر نیاز به شیوه‌های استقرار امن در سطح جهانی تأکید می‌کند.

تأثیر جهانی و آینده تصادفی‌سازی امن در اکوسیستم Wasm

استانداردسازی تصادفی‌سازی رمزنگاری‌شده از طریق WASI یک گام مهم رو به جلو برای کل اکوسیستم WebAssembly است. پیامدهای آن در ابعاد مختلف توسعه نرم‌افزار جهانی و امنیت سایبری طنین‌انداز است.

افزایش اعتماد و امنیت در محاسبات توزیع‌شده

همانطور که Wasm به گسترش ردپای خود از مرورگر به سرور، دستگاه‌های لبه و شبکه‌های غیرمتمرکز ادامه می‌دهد، توانایی به دست آوردن اعداد تصادفی با کیفیت بالا و امن از نظر رمزنگاری به طور مداوم، امری اساسی است. این بدان معناست که برنامه‌های ساخته شده بر روی Wasm/WASI اکنون می‌توانند با اطمینان داده‌های حساس را مدیریت کنند، کلیدهای امن تولید کنند و در پروتکل‌های رمزنگاری پیچیده شرکت کنند، صرف نظر از اینکه در کجای جهان مستقر شده‌اند.

این امر درجه بیشتری از اعتماد را در سیستم‌های توزیع‌شده تقویت می‌کند. به عنوان مثال، یک ماژول Wasm که روی یک دستگاه IoT در یک مکان دورافتاده اجرا می‌شود، می‌تواند اعتبارنامه‌های منحصر به فرد و امنی تولید کند، با این آگاهی که منبع تصادفی‌سازی به لطف WASI به اندازه یک سرور در یک مرکز داده بزرگ قابل اعتماد است. این یکنواختی اصول اولیه امنیتی، یک توانمندساز قدرتمند برای نوآوری جهانی است.

تلاش‌های استانداردسازی و مشارکت‌های جامعه

مشخصات WASI یک استاندارد باز است که توسط یک جامعه همکاری‌محور هدایت می‌شود. این مدل توسعه باز برای امنیت بسیار مهم است، زیرا امکان بررسی گسترده توسط همتایان، شناسایی سریع مسائل بالقوه و بهبود مستمر را فراهم می‌کند. همانطور که چالش‌های رمزنگاری جدید پدیدار می‌شوند و منابع آنتروپی جدید در دسترس قرار می‌گیرند، مشخصات WASI می‌تواند برای گنجاندن آنها تکامل یابد و ارتباط و استحکام خود را حفظ کند.

مشارکت‌های جامعه، از پیشنهادها برای APIهای جدید WASI گرفته تا پیاده‌سازی‌ها در زبان‌ها و ران‌تایم‌های مختلف، حیاتی هستند. این همکاری جهانی تضمین می‌کند که اکوسیستم WASI پیشرفته باقی بماند و به نیازهای متنوع توسعه‌دهندگان و شرکت‌ها در سراسر جهان پاسخ دهد.

نگاه به آینده: تکامل WASI و اصول اولیه پیشرفته

سفر WASI هنوز به پایان نرسیده است. تکرارهای آینده WASI ممکن است شامل اصول اولیه رمزنگاری پیشرفته‌تری باشند، که به طور بالقوه دسترسی مستقیم به ماژول‌های امنیتی سخت‌افزاری (HSM) یا محیط‌های اجرایی قابل اعتماد (TEE) را در صورت موجود بودن روی میزبان ارائه می‌دهند. این می‌تواند وضعیت امنیتی برنامه‌های Wasm را بیشتر تقویت کند، به ویژه در حوزه‌های بسیار حساس مانند امور مالی، امنیت ملی و زیرساخت‌های حیاتی.

علاوه بر این، با پیشرفت تحقیقات جدید در رمزنگاری پساکوانتومی، WASI می‌تواند سازوکارهایی را برای ماژول‌های Wasm فراهم کند تا به مولدهای اعداد تصادفی یا الگوریتم‌های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم دسترسی پیدا کنند و اکوسیستم را برای چشم‌اندازهای امنیتی آینده آماده کنند. ماهیت ماژولار WASI آن را برای چنین الزامات آینده‌ای فوق‌العاده سازگار می‌کند و نقش آن را به عنوان پایه‌ای برای محاسبات امن در سطح جهانی تثبیت می‌کند.

نتیجه‌گیری: ساختن آینده‌ای دیجیتالی امن‌تر و قابل پیش‌بینی‌تر

تولید اعداد تصادفی امن از نظر رمزنگاری یک قهرمان خاموش عصر دیجیتال است، یک بلوک ساختمانی اساسی که بسیاری از زیرساخت‌های امنیتی مدرن ما بر روی آن استوار است. با ظهور WebAssembly و WASI، این قابلیت حیاتی اکنون به طور قابل اعتماد و قابل حمل در دسترس نسل جدیدی از برنامه‌های با کارایی بالا و سندباکس قرار گرفته است.

خلاصه‌ای از نکات کلیدی

• تصادفی‌سازی حیاتی است: برای همه برنامه‌های حساس به امنیت، تصادفی‌سازی امن از نظر رمزنگاری برای تولید کلید، نانس‌ها و یکپارچگی کلی سیستم غیرقابل انکار است.
• قطعیت Wasm به کمک خارجی نیاز دارد: به دلیل ماهیت سندباکس و قطعی آن، Wasm به یک راه امن برای دسترسی به آنتروپی غیرقطعی نیاز دارد.
• WASI راه حل را فراهم می‌کند: رابط سیستمی WebAssembly (WASI) دسترسی به CSPRNG سیستم عامل میزبان را از طریق توابعی مانند random_get استانداردسازی می‌کند و تصادفی‌سازی با کیفیت بالا را تضمین می‌کند.
• CSPRNGها متفاوت هستند: همیشه بین PRNGهای ساده و CSPRNGها تمایز قائل شوید و از دومی برای همه زمینه‌های امنیتی استفاده کنید. CSPRNGها به منابع آنتروپی با کیفیت بالا متکی هستند.
• تأثیر جهانی: این قابلیت، برنامه‌های امن را در بلاک‌چین، ارتباطات امن، بازی، تحقیقات علمی و سیستم‌های توزیع‌شده در سراسر جهان توانمند می‌سازد.
• بهترین شیوه‌ها ضروری هستند: حتی با WASI، توسعه‌دهندگان باید از بهترین شیوه‌ها پیروی کنند، از دام‌های رایج اجتناب کنند و از APIهای اعداد تصادفی امن بومی زبان بهره‌برداری کنند.

فراخوانی برای توسعه‌دهندگان و معماران

به عنوان توسعه‌دهندگان و معماران، پذیرش WebAssembly و WASI به معنای ساختن آینده‌ای است که در آن برنامه‌ها نه تنها کارآمد و قابل حمل، بلکه ذاتاً امن‌تر نیز هستند. با درک و استفاده صحیح از مولد اعداد تصادفی رمزنگاری‌شده WASI، شما به یک اکوسیستم دیجیتالی قابل اعتمادتر کمک می‌کنید که به نفع کاربران و سازمان‌ها در هر گوشه از جهان است.

ما شما را تشویق می‌کنیم که مشخصات WASI را کاوش کنید، کامپایل کردن کد خود به Wasm/WASI را آزمایش کنید و این اصول اولیه امنیتی قدرتمند را در نسل بعدی برنامه‌های خود ادغام کنید. آینده محاسبات امن و توزیع‌شده امروز در حال ساخت است و تصادفی‌سازی امن از نظر رمزنگاری در WebAssembly WASI سنگ بنای این بنیاد است.