محافظت از بخش حافظه خطی WebAssembly: نگاهی عمیق به کنترل دسترسی به حافظه

وب‌اسمبلی (Wasm) به عنوان یک فناوری قدرتمند برای ساخت برنامه‌های کاربردی با کارایی بالا، قابل حمل و امن ظهور کرده است که می‌توانند در محیط‌های مختلف، از مرورگرهای وب گرفته تا سیستم‌های تعبیه‌شده و برنامه‌های سمت سرور اجرا شوند. یک جزء اصلی مدل امنیتی وب‌اسمبلی، حافظه خطی آن است که یک بلوک پیوسته از حافظه است که ماژول Wasm می‌تواند به آن دسترسی داشته باشد. محافظت از این حافظه در برابر دسترسی غیرمجاز برای اطمینان از امنیت و یکپارچگی برنامه‌های وب‌اسمبلی حیاتی است. این مقاله به بررسی مکانیسم‌های محافظت از بخش حافظه خطی وب‌اسمبلی، با تمرکز بر کنترل دسترسی به حافظه و پیامدهای آن برای توسعه‌دهندگان در سراسر جهان می‌پردازد.

درک حافظه خطی WebAssembly

قبل از پرداختن به محافظت از بخش حافظه، درک اصول اولیه حافظه خطی وب‌اسمبلی ضروری است:

• فضای آدرس خطی: حافظه خطی Wasm یک بلوک واحد و پیوسته از بایت‌ها است که با استفاده از آدرس‌های خطی ۳۲ بیتی یا ۶۴ بیتی (در آینده) آدرس‌دهی می‌شود. این فضای آدرس از حافظه محیط میزبان جدا است.
• نمونه‌های حافظه: یک ماژول وب‌اسمبلی می‌تواند یک یا چند نمونه حافظه داشته باشد که هر کدام یک فضای حافظه خطی جداگانه را نشان می‌دهند.
• دسترسی به حافظه: دستورالعمل‌های وب‌اسمبلی که حافظه را می‌خوانند یا می‌نویسند (مانند `i32.load`، `i32.store`) در این فضای حافظه خطی عمل می‌کنند.

چالش اصلی این است که اطمینان حاصل شود یک ماژول Wasm فقط به مکان‌هایی از حافظه دسترسی دارد که مجاز به دسترسی به آن‌ها است. بدون محافظت مناسب، یک ماژول مخرب یا دارای باگ می‌تواند به طور بالقوه مکان‌های دلخواه حافظه را بخواند یا بنویسد، که منجر به آسیب‌پذیری‌های امنیتی یا از کار افتادن برنامه می‌شود.

نیاز به محافظت از بخش حافظه

محافظت از بخش حافظه در وب‌اسمبلی با هدف رسیدگی به نگرانی‌های حیاتی زیر در زمینه امنیت و قابلیت اطمینان انجام می‌شود:

• جلوگیری از دسترسی خارج از محدوده: اطمینان از اینکه یک ماژول Wasm نمی‌تواند حافظه‌ای خارج از محدوده فضای حافظه تخصیص‌یافته خود را بخواند یا بنویسد. این یک نیاز اساسی برای ایمنی حافظه است.
• ایزوله‌سازی ماژول‌ها: هنگامی که چندین ماژول Wasm در یک محیط در حال اجرا هستند (مثلاً یک صفحه وب با چندین مؤلفه Wasm یا یک سیستم‌عامل مبتنی بر Wasm)، محافظت از حافظه مانع از تداخل یک ماژول با حافظه ماژول دیگر می‌شود.
• محافظت از محیط میزبان: محافظت از حافظه Wasm باید مانع از دسترسی یا تغییر حافظه محیط میزبان (مثلاً مرورگر یا سیستم‌عامل) توسط یک ماژول Wasm شود. این کار امنیت و پایداری میزبان را تضمین می‌کند.
• کاهش حملات مرتبط با حافظه: مکانیسم‌های محافظت از حافظه می‌توانند به کاهش حملات رایج مرتبط با حافظه مانند سرریز بافر، سرریز هیپ و آسیب‌پذیری‌های استفاده پس از آزادسازی (use-after-free) کمک کنند.

مکانیسم‌های کنترل دسترسی به حافظه در WebAssembly

وب‌اسمبلی چندین مکانیسم را برای اعمال کنترل دسترسی به حافظه و ارائه محافظت از بخش‌ها به کار می‌گیرد:

۱. بررسی محدوده (Bounds Checking)

محیط‌های اجرای وب‌اسمبلی (runtimes) برای هر دستورالعمل دسترسی به حافظه، بررسی محدوده را انجام می‌دهند. قبل از خواندن یا نوشتن حافظه، محیط اجرا تأیید می‌کند که آدرس مؤثر حافظه در محدوده حافظه خطی تخصیص‌یافته قرار دارد. اگر آدرس خارج از محدوده باشد، محیط اجرا یک trap (یک خطای زمان اجرا) ایجاد می‌کند تا از وقوع دسترسی جلوگیری کند.

مثال: یک ماژول Wasm با یک نمونه حافظه ۶۴ کیلوبایتی (۶۵۵۳۶ بایت) را در نظر بگیرید. اگر ماژول سعی کند با استفاده از دستور `i32.store` در مکان حافظه ۶۵۵۳۷ بنویسد، محیط اجرا تشخیص می‌دهد که این آدرس خارج از محدوده است و یک trap ایجاد می‌کند و از انجام عمل نوشتن جلوگیری می‌کند.

بررسی محدوده یک مکانیسم اساسی و ضروری برای ایمنی حافظه در وب‌اسمبلی است. این مفهوم شبیه به بررسی محدوده در زبان‌های دیگر مانند جاوا یا Rust است، اما توسط محیط اجرای وب‌اسمبلی اعمال می‌شود که دور زدن آن را دشوارتر می‌کند.

۲. محدودیت‌های اندازه حافظه

وب‌اسمبلی به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا حداقل و حداکثر اندازه نمونه‌های حافظه خطی را مشخص کنند. حداقل اندازه، مقدار اولیه حافظه تخصیص‌یافته است و حداکثر اندازه، حد بالایی است که حافظه می‌تواند تا آن رشد کند. دستور `memory.grow` به یک ماژول Wasm اجازه می‌دهد تا حافظه بیشتری را تا سقف حداکثر درخواست کند.

مثال: یک ماژول Wasm ممکن است با حداقل اندازه حافظه ۱ صفحه (۶۴ کیلوبایت) و حداکثر اندازه حافظه ۱۶ صفحه (۱ مگابایت) تعریف شود. این کار میزان حافظه‌ای را که ماژول می‌تواند مصرف کند محدود می‌کند و از مصرف بیش از حد منابع سیستم توسط آن جلوگیری می‌کند.

با تنظیم محدودیت‌های مناسب اندازه حافظه، توسعه‌دهندگان می‌توانند مصرف منابع ماژول‌های وب‌اسمبلی را مهار کرده و از مصرف بیش از حد حافظه توسط آنها جلوگیری کنند، که این امر به ویژه در محیط‌های با منابع محدود مانند سیستم‌های تعبیه‌شده یا دستگاه‌های تلفن همراه اهمیت دارد.

۳. بخش‌های حافظه و مقداردهی اولیه

وب‌اسمبلی مکانیزمی برای مقداردهی اولیه حافظه خطی با داده‌ها از بخش‌های داده (data segments) ماژول فراهم می‌کند. بخش‌های داده در داخل ماژول Wasm تعریف شده و حاوی داده‌های ثابتی هستند که می‌توانند در زمان نمونه‌سازی یا بعداً با استفاده از دستور `memory.init` به حافظه خطی کپی شوند.

مثال: یک بخش داده ممکن است حاوی جداول جستجوی از پیش محاسبه‌شده، رشته‌های ثابت یا سایر داده‌های فقط-خواندنی باشد. در زمان نمونه‌سازی ماژول، داده‌های بخش به یک آفست مشخص در حافظه خطی کپی می‌شوند. محیط اجرا اطمینان حاصل می‌کند که عملیات کپی از محدوده حافظه فراتر نمی‌رود.

بخش‌های حافظه راهی برای مقداردهی اولیه حافظه با داده‌های شناخته‌شده و ایمن فراهم می‌کنند و خطر ایجاد آسیب‌پذیری‌ها از طریق حافظه مقداردهی‌نشده را کاهش می‌دهند. دستور `memory.init` همچنین امکان مقداردهی اولیه کنترل‌شده و تأییدشده مناطق حافظه در طول زمان اجرا را فراهم می‌کند.

۴. ایزوله‌سازی بین-مبدأ (برای مرورگرهای وب)

در مرورگرهای وب، ماژول‌های وب‌اسمبلی مشمول سیاست همان-مبدأ (same-origin policy) هستند. با این حال، برای افزایش بیشتر امنیت، مرورگرها به طور فزاینده‌ای ویژگی‌های ایزوله‌سازی بین-مبدأ (Cross-Origin Isolation - COI) را به کار می‌گیرند. COI یک صفحه وب را از سایر مبدأها جدا می‌کند و از دسترسی بین-مبدأ به حافظه آن جلوگیری می‌کند.

مثال: یک صفحه وب که از `example.com` ارائه می‌شود و COI را فعال کرده است، از مبدأهای دیگر مانند `evil.com` ایزوله خواهد شد. این کار مانع از آن می‌شود که `evil.com` از تکنیک‌هایی مانند Spectre یا Meltdown برای خواندن داده‌ها از حافظه وب‌اسمبلی صفحه `example.com` استفاده کند.

ایزوله‌سازی بین-مبدأ نیازمند ارسال هدرهای HTTP خاص توسط وب سرور است (مانند `Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin`، `Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp`) تا ایزوله‌سازی فعال شود. با فعال بودن COI، حافظه خطی وب‌اسمبلی بیشتر در برابر حملات بین-مبدأ محافظت می‌شود و امنیت در محیط‌های وب به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. این کار بهره‌برداری از آسیب‌پذیری‌های اجرای speculative را به طور قابل توجهی دشوارتر می‌کند.

۵. محیط سندباکس (Sandbox)

وب‌اسمبلی برای اجرا در یک محیط سندباکس طراحی شده است. این بدان معناست که یک ماژول Wasm نمی‌تواند مستقیماً به منابع سیستم مانند سیستم فایل، شبکه یا سخت‌افزار دسترسی داشته باشد. در عوض، ماژول باید از طریق مجموعه‌ای از توابع وارداتی (import functions) تعریف‌شده با محیط میزبان تعامل داشته باشد.

مثال: یک ماژول Wasm که نیاز به خواندن یک فایل دارد، نمی‌تواند مستقیماً به سیستم فایل دسترسی پیدا کند. در عوض، باید یک تابع وارداتی ارائه شده توسط محیط میزبان را فراخوانی کند. سپس محیط میزبان دسترسی به فایل را مدیریت کرده و سیاست‌های امنیتی و کنترل‌های دسترسی را اعمال می‌کند.

محیط سندباکس آسیب بالقوه‌ای را که یک ماژول Wasm مخرب می‌تواند ایجاد کند، محدود می‌کند. با محدود کردن دسترسی به منابع سیستم، سندباکس سطح حمله را کاهش داده و از به خطر افتادن سیستم میزبان توسط ماژول جلوگیری می‌کند.

۶. کنترل دسترسی دقیق به حافظه (مسیرهای آینده)

در حالی که مکانیسم‌های توصیف‌شده در بالا یک پایه محکم برای محافظت از حافظه فراهم می‌کنند، تحقیقات برای کاوش در تکنیک‌های کنترل دسترسی دقیق‌تر به حافظه در حال انجام است. این تکنیک‌ها به طور بالقوه می‌توانند به توسعه‌دهندگان اجازه دهند تا مجوزهای دقیق‌تری برای مناطق مختلف حافظه مشخص کنند و امنیت و انعطاف‌پذیری را بیشتر افزایش دهند.

ویژگی‌های بالقوه آینده:

• قابلیت‌های حافظه (Memory Capabilities): قابلیت‌ها توکن‌های غیرقابل جعل هستند که حقوق دسترسی خاصی را به یک منطقه از حافظه اعطا می‌کنند. یک ماژول Wasm برای دسترسی به یک منطقه خاص از حافظه به یک قابلیت معتبر نیاز خواهد داشت.
• برچسب‌گذاری حافظه (Memory Tagging): برچسب‌گذاری حافظه شامل مرتبط کردن فراداده با مناطق حافظه برای نشان دادن هدف یا سطح امنیتی آنها است. سپس محیط اجرا می‌تواند از این فراداده برای اعمال سیاست‌های کنترل دسترسی استفاده کند.
• محافظت از حافظه با کمک سخت‌افزار: بهره‌گیری از ویژگی‌های سخت‌افزاری مانند Intel Memory Protection Extensions (MPX) یا ARM Memory Tagging Extension (MTE) برای ارائه محافظت از حافظه در سطح سخت‌افزار.

این تکنیک‌های پیشرفته هنوز در مرحله تحقیق و توسعه هستند، اما نویدبخش تقویت بیشتر مدل امنیتی حافظه وب‌اسمبلی می‌باشند.

مزایای محافظت از حافظه WebAssembly

مکانیسم‌های محافظت از حافظه وب‌اسمبلی مزایای متعددی را ارائه می‌دهند:

• امنیت تقویت‌شده: محافظت از حافظه از دسترسی غیرمجاز به حافظه جلوگیری می‌کند و خطر آسیب‌پذیری‌ها و حملات امنیتی را کاهش می‌دهد.
• قابلیت اطمینان بهبودیافته: با جلوگیری از دسترسی خارج از محدوده و خرابی حافظه، محافظت از حافظه قابلیت اطمینان و پایداری برنامه‌های وب‌اسمبلی را بهبود می‌بخشد.
• سازگاری بین‌پلتفرمی: مکانیسم‌های محافظت از حافظه وب‌اسمبلی در محیط اجرا پیاده‌سازی می‌شوند و رفتار سازگاری را در پلتفرم‌ها و معماری‌های مختلف تضمین می‌کنند.
• کارایی: در حالی که بررسی محدوده مقداری سربار ایجاد می‌کند، محیط‌های اجرای وب‌اسمبلی برای به حداقل رساندن تأثیر بر عملکرد بهینه‌سازی شده‌اند. در بسیاری از موارد، هزینه عملکرد در مقایسه با مزایای محافظت از حافظه ناچیز است.
• ایزوله‌سازی: اطمینان می‌دهد که ماژول‌های مختلف Wasm و محیط میزبان از فضاهای حافظه یکدیگر جدا هستند و امنیت محیط‌های چند-ماژولی یا چند-مستأجری را افزایش می‌دهد.

پیامدها برای توسعه‌دهندگان

مکانیسم‌های محافظت از حافظه وب‌اسمبلی چندین پیامد برای توسعه‌دهندگان دارند:

• کدنویسی ایمن: توسعه‌دهندگان باید تلاش کنند تا کد ایمنی بنویسند که از خطاهای مرتبط با حافظه مانند سرریز بافر، آسیب‌پذیری‌های استفاده پس از آزادسازی و دسترسی‌های خارج از محدوده جلوگیری کند. استفاده از زبان‌های ایمن از نظر حافظه مانند Rust می‌تواند به جلوگیری از این خطاها کمک کند.
• درک محدودیت‌های حافظه: از محدودیت‌های حافظه اعمال‌شده بر ماژول‌های وب‌اسمبلی آگاه باشید و برنامه‌هایی را طراحی کنید که در این محدودیت‌ها عمل کنند. از `memory.grow` به طور مسئولانه استفاده کنید و از تخصیص بیش از حد حافظه خودداری کنید.
• بهره‌گیری از بخش‌های حافظه: از بخش‌های حافظه برای مقداردهی اولیه حافظه با داده‌های شناخته‌شده و ایمن استفاده کنید و خطر ایجاد آسیب‌پذیری‌ها از طریق حافظه مقداردهی‌نشده را کاهش دهید.
• ایزوله‌سازی بین-مبدأ را در نظر بگیرید: اگر در حال توسعه برنامه‌های وب‌اسمبلی برای مرورگرهای وب هستید، فعال کردن ایزوله‌سازی بین-مبدأ را برای افزایش بیشتر امنیت در نظر بگیرید.
• آزمایش کامل: برنامه‌های وب‌اسمبلی را به طور کامل آزمایش کنید تا خطاهای مرتبط با حافظه را شناسایی و رفع کنید. استفاده از ابزارهایی مانند memory sanitizers را برای شناسایی نشت حافظه، آسیب‌پذیری‌های استفاده پس از آزادسازی و سایر خطاهای حافظه در نظر بگیرید.
• آگاهی از توابع وارداتی: هنگام استفاده از توابع وارداتی، پیامدهای امنیتی را به دقت در نظر بگیرید. اطمینان حاصل کنید که توابع وارداتی مورد اعتماد هستند و دسترسی به حافظه را به طور ایمن مدیریت می‌کنند. هر داده‌ای را که از توابع وارداتی دریافت می‌شود، تأیید کنید تا از آسیب‌پذیری‌هایی مانند حملات تزریق (injection) جلوگیری شود.

نمونه‌های واقعی و مطالعات موردی

در اینجا چند نمونه واقعی و مطالعه موردی وجود دارد که اهمیت محافظت از حافظه وب‌اسمبلی را نشان می‌دهد:

• مرورگرهای وب: مرورگرهای وب به شدت به مکانیسم‌های محافظت از حافظه وب‌اسمبلی برای ایزوله کردن ماژول‌های وب‌اسمبلی از یکدیگر و از خود مرورگر متکی هستند. این کار از به خطر انداختن مرورگر یا سرقت داده‌های کاربر توسط کد مخرب وب‌اسمبلی جلوگیری می‌کند.
• رایانش ابری: پلتفرم‌های رایانش ابری به طور فزاینده‌ای از وب‌اسمبلی برای اجرای کدهای ارائه‌شده توسط کاربر در یک محیط امن و ایزوله استفاده می‌کنند. محافظت از حافظه برای جلوگیری از تداخل مستأجران با بارهای کاری یکدیگر یا دسترسی به داده‌های حساس ضروری است.
• سیستم‌های تعبیه‌شده: وب‌اسمبلی در سیستم‌های تعبیه‌شده برای اجرای برنامه‌های پیچیده بر روی دستگاه‌های با منابع محدود استفاده می‌شود. محافظت از حافظه برای جلوگیری از خرابی حافظه و تضمین پایداری و قابلیت اطمینان این سیستم‌ها حیاتی است.
• بلاک‌چین: برخی از پلتفرم‌های بلاک‌چین از وب‌اسمبلی برای اجرای قراردادهای هوشمند استفاده می‌کنند. محافظت از حافظه برای جلوگیری از دستکاری وضعیت بلاک‌چین یا سرقت وجوه توسط قراردادهای مخرب ضروری است. به عنوان مثال، بلاک‌چین Polkadot از Wasm برای قراردادهای هوشمند خود استفاده می‌کند و به ویژگی‌های امنیتی ذاتی آن متکی است.
• توسعه بازی: وب‌اسمبلی برای توسعه بازی استفاده می‌شود و به بازی‌ها اجازه می‌دهد تا در مرورگرهای وب با عملکردی نزدیک به بومی اجرا شوند. محافظت از حافظه از بهره‌برداری کد مخرب بازی از آسیب‌پذیری‌های مرورگر یا سیستم‌عامل جلوگیری می‌کند.

نتیجه‌گیری

مکانیسم‌های محافظت از بخش حافظه خطی وب‌اسمبلی یک جزء حیاتی از مدل امنیتی آن هستند. با اعمال کنترل دسترسی به حافظه، وب‌اسمبلی به جلوگیری از دسترسی غیرمجاز به حافظه، کاهش خطر آسیب‌پذیری‌های امنیتی و بهبود قابلیت اطمینان و پایداری برنامه‌ها کمک می‌کند. با ادامه تکامل وب‌اسمبلی، تلاش‌های تحقیق و توسعه مستمر بر تقویت بیشتر مدل امنیتی حافظه آن و ارائه کنترل دقیق‌تر بر دسترسی به حافظه به توسعه‌دهندگان متمرکز است.

توسعه‌دهندگان باید اهمیت محافظت از حافظه را درک کرده و تلاش کنند تا کد ایمنی بنویسند که از خطاهای مرتبط با حافظه جلوگیری کند. با پیروی از بهترین شیوه‌ها و بهره‌گیری از مکانیسم‌های محافظت از حافظه موجود، توسعه‌دهندگان می‌توانند برنامه‌های وب‌اسمبلی امن و قابل اعتمادی بسازند که می‌توانند در محیط‌های متنوعی اجرا شوند. با گسترش پذیرش وب‌اسمبلی در صنایع و پلتفرم‌های مختلف، مدل امنیتی قوی حافظه آن همچنان یک عامل کلیدی در موفقیت آن خواهد بود.

علاوه بر این، توسعه و استانداردسازی مداوم ویژگی‌های جدید وب‌اسمبلی مرتبط با مدیریت حافظه و امنیت (مانند برچسب‌گذاری حافظه و محافظت از حافظه با کمک سخت‌افزار) برای مقابله با چالش‌های امنیتی نوظهور و اطمینان از اینکه وب‌اسمبلی یک پلتفرم امن و قابل اعتماد برای ساخت نسل بعدی برنامه‌ها باقی می‌ماند، حیاتی است.

در نهایت، یک رویکرد لایه‌ای به امنیت، که ترکیبی از ویژگی‌های ذاتی وب‌اسمبلی با بهترین شیوه‌ها در توسعه و استقرار نرم‌افزار است، برای تحقق پتانسیل کامل این فناوری تحول‌آفرین ضروری است.