باز کردن قفل اجرای امن کد: نگاهی عمیق به اعطای قابلیت در WebAssembly WASI

چشم‌انداز توسعه نرم‌افزار دائماً در حال تحول است و این تحول ناشی از نیاز به راه‌حل‌های امن‌تر، قابل حمل‌تر و با عملکرد بالاتر است. وب‌اسمبلی (Wasm) به عنوان یک فناوری محوری ظهور کرده است که وعده عملکردی نزدیک به بومی و یک محیط اجرای امن برای کدهایی که بر روی پلتفرم‌های مختلف اجرا می‌شوند را می‌دهد. با این حال، برای اینکه Wasm به طور کامل به پتانسیل خود برسد، به ویژه هنگام تعامل با سیستم زیربنایی و منابع خارجی، یک سیستم مجوزدهی قوی و دقیق ضروری است. اینجاست که سیستم اعطای قابلیت رابط سیستمی وب‌اسمبلی (WASI) وارد عمل می‌شود و رویکردی نوین و قدرتمند برای مدیریت کارهایی که ماژول‌های Wasm می‌توانند و نمی‌توانند انجام دهند، ارائه می‌دهد.

تکامل وب‌اسمبلی و نیاز به تعامل با سیستم

وب‌اسمبلی که در ابتدا به عنوان یک هدف کامپایل برای مرورگرهای وب طراحی شده بود تا زبان‌هایی مانند C++، Rust و Go بتوانند به طور کارآمد در وب اجرا شوند، به سرعت اهداف خود را فراتر از سندباکس مرورگر گسترش داد. قابلیت اجرای ماژول‌های Wasm بر روی سرورها، در محیط‌های ابری و حتی بر روی دستگاه‌های لبه‌ای، دنیایی از امکانات را باز می‌کند. با این حال، این گسترش نیازمند راهی امن برای تعامل ماژول‌های Wasm با سیستم میزبان است – برای دسترسی به فایل‌ها، ارسال درخواست‌های شبکه، تعامل با سیستم عامل و استفاده از سایر منابع سیستمی. این دقیقاً مشکلی است که WASI قصد حل آن را دارد.

WASI چیست؟

WASI یک استاندارد در حال تکامل است که یک رابط سیستمی ماژولار برای وب‌اسمبلی تعریف می‌کند. هدف اصلی آن این است که ماژول‌های Wasm بتوانند با محیط میزبان به روشی استاندارد و امن تعامل داشته باشند، صرف نظر از سیستم عامل یا سخت‌افزار زیربنایی. WASI را می‌توان مجموعه‌ای از APIها در نظر گرفت که ماژول‌های Wasm می‌توانند برای انجام عملیات در سطح سیستم، بسیار شبیه به فراخوانی‌های سیستمی سنتی، از آن‌ها استفاده کنند. این APIها طوری طراحی شده‌اند که قابل حمل و سازگار در میان زمان‌های اجرای مختلف Wasm باشند.

چالش‌ها در تعامل با سیستم

ادغام مستقیم ماژول‌های Wasm با منابع سیستمی، یک چالش امنیتی قابل توجه ایجاد می‌کند. بدون کنترل‌های مناسب، یک ماژول Wasm به طور بالقوه می‌تواند:

• به فایل‌های حساس در سیستم میزبان دسترسی پیدا کند.
• درخواست‌های شبکه دلخواه ارسال کند که به طور بالقوه منجر به حملات انکار سرویس یا استخراج داده می‌شود.
• تنظیمات سیستم را دستکاری کرده یا کد مخرب اجرا کند.
• منابع بیش از حد مصرف کند و بر پایداری میزبان تأثیر بگذارد.

مکانیسم‌های سندباکسینگ سنتی اغلب به جداسازی فرآیندها یا مجوزهای سطح سیستم عامل متکی هستند. این روش‌ها با وجود مؤثر بودن، می‌توانند سنگین باشند و ممکن است کنترل دقیق مورد نیاز برای برنامه‌های مدرن، توزیع‌شده و ماژولار را که در آن اجزا ممکن است به صورت پویا بارگیری و اجرا شوند، ارائه ندهند.

معرفی سیستم اعطای قابلیت WASI

سیستم اعطای قابلیت WASI نمایانگر یک تغییر پارادایم در نحوه مدیریت مجوزها برای ماژول‌های وب‌اسمبلی است. به جای اعطای دسترسی گسترده یا رویکرد انکار کامل، این سیستم بر اساس اصل اعطای قابلیت‌های خاص و دقیق به ماژول‌های Wasm عمل می‌کند. این رویکرد از مدل‌های امنیتی مبتنی بر قابلیت الهام گرفته است که از دیرباز به دلیل پتانسیل خود در افزایش امنیت سیستم از طریق صریح‌تر و قابل تأیید کردن کنترل دسترسی، شناخته شده‌اند.

مفاهیم اصلی اعطای قابلیت

در قلب خود، سیستم اعطای قابلیت درباره موارد زیر است:

• مجوزهای صریح: به جای دسترسی ضمنی، ماژول‌های Wasm باید به صراحت قابلیت‌هایی را که برای انجام عملیات خاص نیاز دارند، دریافت کنند.
• حداقل امتیاز: این سیستم اصل حداقل امتیاز را اجرا می‌کند، به این معنی که یک ماژول Wasm فقط باید حداقل مجموعه مجوزهای لازم برای عملکرد مورد نظر خود را دریافت کند.
• قابلیت‌های غیرقابل جعل: قابلیت‌ها به عنوان توکن‌های غیرقابل جعل در نظر گرفته می‌شوند. پس از اعطا، یک ماژول Wasm می‌تواند از آن‌ها استفاده کند، اما نمی‌تواند قابلیت‌های جدیدی ایجاد کند یا آن‌ها را بدون مجوز صریح به ماژول‌های دیگر منتقل کند. این کار از افزایش امتیاز جلوگیری می‌کند.
• ماژولار و قابل ترکیب: این سیستم به گونه‌ای طراحی شده است که ماژولار باشد و به قابلیت‌های مختلف اجازه می‌دهد به طور مستقل اعطا شوند، که منجر به یک مدل امنیتی بسیار قابل ترکیب می‌شود.

چگونه کار می‌کند: یک تشبیه ساده

تصور کنید یک ماژول Wasm مانند یک بازدیدکننده است که وارد یک مرکز امنیتی می‌شود. به جای دادن یک کلید اصلی به آن‌ها (که یک اعطای گسترده خواهد بود)، به آن‌ها کارت‌های کلیدی خاص برای هر منطقه‌ای که نیاز به دسترسی دارند، داده می‌شود. به عنوان مثال، یک بازدیدکننده ممکن است یک کارت کلید برای ورود به اتاق جلسه (دسترسی خواندن فایل)، دیگری برای کافه تریا (دسترسی شبکه به یک سرور خاص) و دیگری برای کمد لوازم التحریر (دسترسی به یک فایل پیکربندی خاص) دریافت کند. آن‌ها نمی‌توانند از این کارت‌ها برای ورود به آزمایشگاه‌های محدود یا سایر مناطق غیرمجاز استفاده کنند. علاوه بر این، آن‌ها نمی‌توانند از این کارت‌های کلیدی کپی تهیه کنند یا آن‌ها را به شخص دیگری قرض دهند.

جزئیات پیاده‌سازی فنی

در زمینه WASI، قابلیت‌ها اغلب به صورت دستگیره‌ها یا توکن‌های مات (opaque) نمایش داده می‌شوند که ماژول Wasm آن‌ها را دریافت می‌کند. هنگامی که یک ماژول Wasm می‌خواهد عملیاتی را انجام دهد که نیاز به دسترسی به سیستم دارد، مستقیماً یک تابع سیستمی را فراخوانی نمی‌کند. در عوض، یک تابع WASI را فراخوانی می‌کند و قابلیت مربوطه را به آن ارسال می‌کند. سپس زمان اجرای Wasm (محیط میزبان) قبل از اجازه دادن به انجام عملیات، تأیید می‌کند که ماژول دارای قابلیت لازم است.

به عنوان مثال، اگر یک ماژول Wasm نیاز به خواندن فایلی به نام /data/config.json داشته باشد، مستقیماً از یک فراخوانی سیستمی مانند open() استفاده نمی‌کند. در عوض، ممکن است یک تابع WASI مانند fd_read() را فراخوانی کند، اما این فراخوانی به یک قابلیت توصیف‌گر فایل (file descriptor) از پیش اعطا شده برای آن فایل یا دایرکتوری خاص نیاز دارد. میزبان قبلاً این قابلیت را ایجاد کرده است، شاید با نگاشت یک توصیف‌گر فایل میزبان به یک توصیف‌گر فایل قابل مشاهده برای Wasm و ارسال آن به ماژول.

رابط‌های کلیدی WASI درگیر

چندین رابط WASI برای کار با سیستم اعطای قابلیت طراحی شده‌اند، از جمله:

• wasi-filesystem: این رابط قابلیت‌هایی را برای تعامل با سیستم فایل فراهم می‌کند. به جای اعطای دسترسی به کل سیستم فایل، می‌توان دایرکتوری‌ها یا فایل‌های خاص را قابل دسترسی کرد.
• wasi-sockets: این رابط به ماژول‌های Wasm اجازه می‌دهد تا عملیات شبکه را انجام دهند. قابلیت‌ها در اینجا می‌توانند دقیق باشند و مشخص کنند که یک ماژول مجاز به اتصال به کدام رابط‌های شبکه، پورت‌ها یا حتی میزبان‌های راه دور است.
• wasi-clocks: برای دسترسی به زمان و تایمرها.
• wasi-random: برای تولید اعداد تصادفی.

سیستم اعطا تضمین می‌کند که حتی این قابلیت‌های اساسی نیز به طور پیش‌فرض اعطا نمی‌شوند. محیط میزبان مسئول تعیین و تزریق قابلیت‌های مناسب به محیط ماژول Wasm در زمان اجرا است.

مزایای اعطای قابلیت WASI

اتخاذ یک سیستم اعطای قابلیت برای WASI مزایای متعددی را ارائه می‌دهد:

امنیت پیشرفته

این مهم‌ترین مزیت است. با اجرای اصل حداقل امتیاز و صریح کردن مجوزها، سطح حمله به شدت کاهش می‌یابد. یک ماژول Wasm به خطر افتاده فقط می‌تواند کاری را انجام دهد که به صراحت به آن اجازه داده شده است و این امر آسیب احتمالی را محدود می‌کند. این برای اجرای کدهای غیرقابل اعتماد در محیط‌های حساس حیاتی است.

بهبود ماژولار بودن و قابلیت استفاده مجدد

ماژول‌های Wasm می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که بسیار ماژولار باشند و وابستگی‌های آن‌ها به منابع سیستم به وضوح توسط قابلیت‌هایی که نیاز دارند، تعریف شود. این باعث می‌شود که استدلال در مورد آن‌ها، آزمایش آن‌ها و استفاده مجدد از آن‌ها در برنامه‌ها و محیط‌های مختلف آسان‌تر شود. ماژولی که فقط به دسترسی خواندن به یک فایل پیکربندی خاص نیاز دارد، می‌تواند با خیال راحت در زمینه‌های مختلف بدون ترس از دسترسی ناخواسته به سیستم مستقر شود.

افزایش قابلیت حمل

هدف WASI استقلال از پلتفرم است. با انتزاعی کردن تعاملات سیستم از طریق قابلیت‌ها، ماژول‌های Wasm می‌توانند بر روی هر میزبانی که رابط‌های WASI مربوطه را پیاده‌سازی می‌کند، اجرا شوند، صرف نظر از سیستم عامل زیربنایی. محیط میزبان مسئول نگاشت قابلیت‌های عمومی به مجوزهای خاص سطح سیستم عامل است.

کنترل دقیق

مدل قابلیت امکان کنترل بسیار دقیق بر روی کارهایی که یک ماژول Wasm می‌تواند انجام دهد را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، به جای اعطای دسترسی شبکه به همه میزبان‌ها، می‌توان به یک ماژول اجازه داد که فقط به یک نقطه پایانی API خاص در یک دامنه و پورت مشخص متصل شود. دستیابی به این سطح از کنترل با مجوزهای سیستم عامل سنتی اغلب دشوار است.

پشتیبانی از محیط‌های اجرایی متنوع

انعطاف‌پذیری اعطای قابلیت، Wasm را برای طیف گسترده‌ای از محیط‌ها مناسب می‌سازد:

• رایانش ابری: اجرای امن کدهای شخص ثالث، میکروسرویس‌ها و توابع بدون سرور.
• رایانش لبه‌ای: استقرار برنامه‌ها بر روی دستگاه‌های لبه‌ای با منابع محدود و بالقوه کمتر قابل اعتماد.
• بلاکچین و قراردادهای هوشمند: فراهم کردن یک محیط اجرای امن و قطعی برای قراردادهای هوشمند، و اطمینان از اینکه آن‌ها نمی‌توانند با شبکه بلاکچین یا میزبان تداخل داشته باشند.
• برنامه‌های دسکتاپ: امکان اجرای امن‌تر افزونه‌ها یا اکستنشن‌ها برای برنامه‌ها.

پیاده‌سازی اعطای قابلیت WASI در عمل

پیاده‌سازی سیستم اعطای قابلیت WASI شامل هماهنگی بین توسعه‌دهنده ماژول Wasm، زمان اجرای Wasm و به طور بالقوه ارکستریتور یا محیط استقرار است.

برای توسعه‌دهندگان ماژول Wasm

توسعه‌دهندگانی که ماژول‌های Wasm می‌نویسند باید:

• از وابستگی‌ها آگاه باشند: درک کنند که ماژول شما به چه منابع سیستمی (فایل‌ها، شبکه و غیره) نیاز دارد.
• از APIهای WASI استفاده کنند: از رابط‌های WASI برای تعاملات سیستمی بهره ببرند.
• برای حداقل امتیاز طراحی کنند: هدفشان نیاز به حداقل قابلیت‌های ضروری باشد. اگر ماژول شما فقط نیاز به خواندن یک فایل پیکربندی واحد دارد، آن را طوری طراحی کنید که قابلیتی برای آن فایل بپذیرد، به جای اینکه انتظار دسترسی کامل به سیستم فایل را داشته باشد.
• نیازمندی‌ها را اعلام کنند: به وضوح قابلیت‌هایی را که ماژول شما انتظار دریافت آن‌ها را دارد، مستند کنند.

برای میزبان‌ها و ارکستریتورهای زمان اجرای Wasm

محیط میزبان نقش حیاتی در اعطای قابلیت‌ها ایفا می‌کند:

• پیکربندی محیط: میزبان باید زمان اجرای Wasm را با قابلیت‌های خاصی که باید به محیط ماژول تزریق شوند، پیکربندی کند. این پیکربندی می‌تواند به صورت پویا بر اساس نیازهای برنامه یا به صورت ایستا در زمان ساخت انجام شود.
• نگاشت قابلیت‌ها: میزبان مسئول نگاشت قابلیت‌های انتزاعی WASI به منابع سیستمی مشخص است. به عنوان مثال، نگاشت یک توصیف‌گر فایل Wasm به یک مسیر فایل یا نقطه پایانی شبکه خاص در میزبان.
• اجرای در زمان اجرا: زمان اجرای Wasm اطمینان می‌دهد که ماژول‌های Wasm فقط می‌توانند از قابلیت‌هایی که به آن‌ها اعطا شده است، استفاده کنند.

مثال: اعطای دسترسی به فایل در یک محیط ابری

یک تابع بدون سرور را در نظر بگیرید که به زبان Rust نوشته شده و به Wasm کامپایل شده است و برای خواندن داده‌های کاربر از یک سطل S3 خاص و پردازش آن طراحی شده است. به جای اعطای دسترسی گسترده شبکه و دسترسی به سیستم فایل به ماژول Wasm، زمان اجرای Wasm ارائه‌دهنده ابر می‌تواند:

1. تزریق یک قابلیت شبکه: اجازه اتصال به نقطه پایانی سرویس S3 (به عنوان مثال، s3.amazonaws.com بر روی پورت 443) را اعطا کند.
2. تزریق یک قابلیت خواندن فایل: به طور بالقوه یک شیء S3 خاص (پس از دریافت) را به یک توصیف‌گر فایل موقت یا بافر حافظه نگاشت کند که ماژول Wasm می‌تواند آن را بخواند، بدون اینکه به آن دسترسی کلی نوشتن به سیستم فایل بدهد.
3. یا، استفاده از WASI-FS با دایرکتوری‌های از پیش باز شده: میزبان می‌تواند یک دایرکتوری خاص حاوی پیکربندی یا داده‌های مورد نیاز ماژول Wasm را از پیش باز کند و یک توصیف‌گر فایل را به آن منتقل کند. سپس ماژول Wasm فقط قادر به دسترسی به فایل‌های داخل آن دایرکتوری از پیش باز شده خواهد بود.

این رویکرد تابع Wasm را ایزوله می‌کند و از دسترسی آن به سایر منابع ابری یا برقراری تماس‌های شبکه ناخواسته جلوگیری می‌کند.

مثال: ایمن‌سازی قراردادهای هوشمند در یک بلاکچین

در فضای بلاکچین، Wasm به طور فزاینده‌ای برای قراردادهای هوشمند استفاده می‌شود. سیستم اعطای قابلیت در اینجا برای جلوگیری از اینکه قراردادهای هوشمند:

• با مکانیسم اجماع تداخل داشته باشند.
• بدون مجوز صریح به داده‌های حساس خارج از زنجیره دسترسی پیدا کنند.
• باعث حملات انکار سرویس در شبکه بلاکچین شوند.

به یک قرارداد هوشمند ممکن است قابلیت‌های زیر اعطا شود:

• خواندن متغیرهای حالت خاص در بلاکچین.
• انتشار رویدادها.
• انجام عملیات رمزنگاری.
• برقراری تماس با سایر قراردادهای هوشمند از پیش تأیید شده.

هرگونه تلاش برای دسترسی به منابع غیرمجاز توسط زمان اجرایی که این قابلیت‌های محدود را اعمال می‌کند، مسدود خواهد شد.

چالش‌ها و مسیرهای آینده

در حالی که سیستم اعطای قابلیت WASI قدرتمند است، چالش‌ها و زمینه‌هایی برای توسعه همچنان وجود دارد:

• استانداردسازی و قابلیت همکاری: اطمینان از اینکه مکانیسم‌های اعطای قابلیت به طور مداوم در زمان‌های اجرای مختلف Wasm و محیط‌های میزبان پیاده‌سازی می‌شوند، برای قابلیت حمل واقعی حیاتی است.
• تجربه توسعه‌دهنده: آسان‌تر کردن درک، تعریف و مدیریت قابلیت‌هایی که ماژول‌هایشان نیاز دارند برای توسعه‌دهندگان. ابزارها و انتزاعات برای ساده‌سازی این فرآیند مورد نیاز است.
• مدیریت پویای قابلیت‌ها: برای سناریوهای پیچیده‌تر، کاوش در مکانیسم‌های لغو یا تغییر پویای قابلیت‌ها در زمان اجرا می‌تواند مفید باشد.
• محدودیت‌های منابع: در حالی که قابلیت‌ها کنترل می‌کنند که به چه چیزی می‌توان دسترسی داشت، اعمال محدودیت‌های منابع (CPU، حافظه، پهنای باند شبکه) نیز برای جلوگیری از حملات DoS حیاتی است. این موضوع اغلب در کنار اعطای قابلیت‌ها مدیریت می‌شود.

گروه کاری WASI به طور فعال در حال رسیدگی به این چالش‌ها است و توسعه مداوم بر روی مشخصات WASI و رابط‌های مرتبط ادامه دارد.

تأثیر جهانی اجرای امن وب‌اسمبلی

سیستم اعطای قابلیت برای WASI پیامدهای عمیقی برای اکوسیستم جهانی نرم‌افزار دارد:

• دموکراتیزه کردن رایانش امن: این سیستم مانع ورود را برای توسعه و استقرار برنامه‌های امن کاهش می‌دهد و پارادایم‌های امنیتی پیشرفته را برای طیف وسیع‌تری از توسعه‌دهندگان و سازمان‌ها در سراسر جهان قابل دسترس می‌کند.
• پرورش نوآوری: با فراهم کردن یک محیط امن برای اجرای کدهای متنوع، به تشویق آزمایش و نوآوری در صنایع مختلف، از مالی و بهداشت و درمان گرفته تا سرگرمی و لجستیک، کمک می‌کند.
• امکان‌پذیر ساختن معماری‌های جدید: این سیستم راه را برای معماری‌های جدید برنامه‌ها، مانند سیستم‌های بسیار توزیع‌شده، یادگیری فدرال و محاسبات امن چندجانبه، هموار می‌کند که در آن‌ها اجزا باید بدون اعتماد ضمنی به طور امن با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و عمل کنند.
• پاسخگویی به انطباق با مقررات: برای سازمان‌هایی که تحت مقررات سختگیرانه حریم خصوصی داده‌ها (مانند GDPR یا CCPA) فعالیت می‌کنند، کنترل دقیقی که توسط اعطای قابلیت‌ها ارائه می‌شود، می‌تواند در اثبات انطباق و حفاظت از داده‌های حساس بسیار مؤثر باشد.

یک پلتفرم جهانی برای کدهای قابل اعتماد

وب‌اسمبلی، که توسط WASI و سیستم اعطای قابلیت آن توانمند شده است، به سرعت در حال تبدیل شدن به یک پلتفرم جهانی برای اجرای کدهای قابل اعتماد است. این فناوری شکاف بین زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا و منابع سیستمی سطح پایین را پر می‌کند، در حالی که یک وضعیت امنیتی قوی را حفظ می‌کند.

چه در حال ساخت نسل بعدی خدمات ابری باشید، چه در حال استقرار برنامه‌ها در لبه باشید، یا در حال ایمن‌سازی زیرساخت بلاکچین، درک و بهره‌برداری از سیستم اعطای قابلیت WASI به طور فزاینده‌ای مهم خواهد بود. این یک گام مهم رو به جلو در ایجاد آینده‌ای امن‌تر، قابل حمل‌تر و با قابلیت همکاری بیشتر در محاسبات برای همه، در همه جا است.

نتیجه‌گیری

سیستم اعطای قابلیت WASI سنگ بنای تکامل وب‌اسمبلی به یک زمان اجرای واقعاً جهانی است. با تغییر از مجوزهای گسترده به قابلیت‌های صریح، غیرقابل جعل و با حداقل امتیاز، نگرانی‌های امنیتی حیاتی را که هنگام خروج وب‌اسمبلی از مرورگر به وجود می‌آیند، برطرف می‌کند. این مدل مجوزدهی قوی، امکانات جدیدی را برای اجرای کدهای غیرقابل اعتماد یا پیچیده در محیط‌های مختلف، از استقرارهای حساس ابری گرفته تا شبکه‌های بلاکچین غیرمتمرکز، باز می‌کند. همانطور که WASI به بلوغ خود ادامه می‌دهد، سیستم اعطای قابلیت بدون شک نقش فزاینده‌ای در شکل‌دهی به آینده اجرای نرم‌افزار امن و قابل حمل در مقیاس جهانی ایفا خواهد کرد.