فایل سیستم WebAssembly WASI: بررسی عمیق پیاده‌سازی یک فایل سیستم مجازی

WebAssembly (Wasm) با ارائه یک محیط اجرای قابل حمل، کارآمد و امن، چشم انداز توسعه برنامه های کاربردی را متحول کرده است. با این حال، WebAssembly، طبق طراحی، ایزوله شده است و دسترسی مستقیمی به منابع سیستم ندارد. اینجاست که WebAssembly System Interface (WASI) وارد عمل می شود. WASI یک رابط استاندارد برای ماژول های WebAssembly فراهم می کند تا با سیستم عامل تعامل داشته باشند، و بخش مهمی از WASI پیاده سازی فایل سیستم مجازی آن است.

WASI چیست؟

WASI (WebAssembly System Interface) یک رابط سیستم ماژولار برای WebAssembly است. هدف آن ارائه راهی امن و قابل حمل برای ماژول های WebAssembly برای دسترسی به منابع سیستم عامل مانند فایل سیستم، شبکه و ساعت است. رویکردهای سنتی برای اجرای WebAssembly خارج از مرورگرهای وب متکی به APIهای خاص مرورگر یا اتصالات ویژه پلتفرم بودند. WASI این را استاندارد می‌کند و ماژول‌های WebAssembly را قادر می‌سازد تا در محیط‌های مختلف، از سیستم‌های جاسازی شده تا سرورهای ابری، بدون کامپایل مجدد اجرا شوند.

نیاز به یک فایل سیستم مجازی

دسترسی مستقیم به فایل سیستم هاست خطرات امنیتی قابل توجهی را به همراه خواهد داشت. یک ماژول WebAssembly مخرب یا در معرض خطر می تواند به طور بالقوه داده های حساس را بخواند، بنویسد یا حذف کند. برای کاهش این خطرات، WASI یک فایل سیستم مجازی را پیاده سازی می کند. این فایل سیستم مجازی به عنوان یک لایه واسطه بین ماژول WebAssembly و فایل سیستم هاست عمل می کند. این امکان را به ماژول WebAssembly می دهد تا به شیوه ای کنترل شده و ایمن با فایل ها و دایرکتوری ها تعامل داشته باشد.

مزایای کلیدی یک فایل سیستم مجازی:

• امنیت: فایل سیستم مجازی دسترسی ماژول WebAssembly را فقط به دایرکتوری ها و فایل هایی که به صراحت توسط محیط هاست اعطا شده اند، محدود می کند. این مکانیسم سندباکس از دسترسی غیرمجاز به داده های حساس جلوگیری می کند.
• قابلیت حمل: ماژول WebAssembly با یک رابط فایل سیستم مجازی سازگار، صرف نظر از سیستم عامل هاست زیربنایی، تعامل دارد. این تضمین می کند که ماژول به طور قابل پیش بینی در سراسر پلتفرم های مختلف رفتار می کند.
• قابلیت بازتولید: با کنترل محتویات و ساختار فایل سیستم مجازی، محیط هاست می تواند اطمینان حاصل کند که اجرای ماژول WebAssembly قابل بازتولید است. این برای برنامه هایی که نیاز به رفتار قطعی دارند بسیار مهم است.
• قابلیت آزمایش: فایل سیستم مجازی به توسعه دهندگان اجازه می دهد تا به راحتی محیط های آزمایشی جدا شده را برای ماژول های WebAssembly ایجاد کنند. این امر فرآیند تأیید صحت و استحکام کد را ساده می کند.

نحوه عملکرد فایل سیستم WASI

فایل سیستم WASI یک API شبیه POSIX (به عنوان مثال، `open`, `read`, `write`, `mkdir`, `rmdir`) را برای ماژول های WebAssembly ارائه می دهد. با این حال، این فراخوانی های API مستقیماً به فایل سیستم سیستم عامل هاست نگاشت نمی شوند. در عوض، آنها توسط زمان اجرای WASI میانجیگری می شوند، که عملیات فایل سیستم مجازی را به اقدامات مناسب در فایل سیستم هاست ترجمه می کند، مشروط به محدودیت های دسترسی تعریف شده.

اجزای کلیدی:

• توصیف کننده های فایل: WASI از توصیف کننده های فایل برای نشان دادن فایل ها و دایرکتوری های باز استفاده می کند. این توصیف کننده های فایل اعداد صحیح مبهمی هستند که توسط زمان اجرای WASI مدیریت می شوند. ماژول WebAssembly از طریق این توصیف کننده های فایل با فایل ها و دایرکتوری ها تعامل دارد.
• دایرکتوری های از پیش باز شده: محیط هاست می تواند دایرکتوری ها را از قبل باز کند و به آنها توصیف کننده های فایل اختصاص دهد. این دایرکتوری های از پیش باز شده به عنوان دایرکتوری های ریشه برای دسترسی فایل سیستم ماژول WebAssembly عمل می کنند. سپس ماژول WebAssembly می تواند در این دایرکتوری های از پیش باز شده حرکت کند تا به فایل ها و زیرشاخه ها دسترسی پیدا کند.
• قابلیت ها: WASI از یک مدل امنیتی مبتنی بر قابلیت استفاده می کند. هنگامی که یک دایرکتوری از قبل باز می شود، محیط هاست می تواند قابلیت های خاصی را به ماژول WebAssembly اعطا کند، مانند دسترسی خواندن، دسترسی نوشتن یا توانایی ایجاد فایل ها و دایرکتوری های جدید.
• وضوح مسیر: هنگامی که ماژول WebAssembly سعی می کند با استفاده از یک مسیر به یک فایل یا دایرکتوری دسترسی پیدا کند، زمان اجرای WASI مسیر را نسبت به دایرکتوری های از پیش باز شده حل می کند. این فرآیند شامل بررسی قابلیت های مرتبط با هر دایرکتوری در مسیر برای اطمینان از اینکه ماژول WebAssembly دارای مجوزهای لازم است، می شود.

مثال: دسترسی به یک فایل در WASI

فرض کنید محیط هاست یک دایرکتوری به نام `/data` را از قبل باز می کند و به آن توصیف کننده فایل 3 را اختصاص می دهد. سپس ماژول WebAssembly می تواند یک فایل به نام `input.txt` را در داخل دایرکتوری `/data` با استفاده از کد زیر باز کند (شبه کد):

            
file_descriptor = wasi_open(3, "input.txt", ...);

            

              
                Copy
              
            
          

تابع `wasi_open` توصیف کننده فایل دایرکتوری از پیش باز شده (3) و مسیر نسبی به فایل (`input.txt`) را به عنوان آرگومان می گیرد. سپس زمان اجرای WASI بررسی می کند که آیا ماژول WebAssembly مجوزهای لازم برای باز کردن فایل را دارد یا خیر. اگر مجوزها اعطا شوند، زمان اجرای WASI یک توصیف کننده فایل جدید را برمی گرداند که نشان دهنده فایل باز شده است.

برنامه های کاربردی واقعی

• محاسبات بدون سرور: WASI می تواند برای اجرای توابع WebAssembly در محیط های بدون سرور استفاده شود. فایل سیستم مجازی به این توابع اجازه می دهد تا به طور ایمن و کارآمد به داده ها و فایل های پیکربندی دسترسی پیدا کنند.
• محاسبات Edge: WASI برای سناریوهای محاسباتی لبه، که در آن برنامه ها باید روی دستگاه های دارای محدودیت منابع اجرا شوند، مناسب است. فایل سیستم WASI راهی سبک و قابل حمل برای مدیریت داده ها و پیکربندی در این دستگاه ها فراهم می کند. برای مثال، حسگرهای صنعتی می توانند از WASI برای پردازش داده ها به صورت محلی قبل از ارسال آن به ابر استفاده کنند.
• سیستم های جاسازی شده: WASI می تواند برای توسعه برنامه های کاربردی برای سیستم های جاسازی شده، مانند میکروکنترلرها و دستگاه های IoT استفاده شود. فایل سیستم مجازی به این برنامه ها اجازه می دهد تا به منابع سخت افزاری دسترسی داشته باشند و به شیوه ای کنترل شده با سایر دستگاه ها ارتباط برقرار کنند.
• ابزارهای خط فرمان: WASI امکان ساخت ابزارهای خط فرمان قابل حمل را فراهم می کند که می توانند روی هر سیستم عاملی اجرا شوند. به عنوان مثال، یک توسعه دهنده می تواند یک ابزار پردازش تصویر مبتنی بر WASI ایجاد کند که به طور یکپارچه در Linux، macOS و Windows کار می کند.
• سیستم های پایگاه داده: چندین سیستم پایگاه داده در حال آزمایش با WASI هستند تا امکان اجرای منطق پایگاه داده (به عنوان مثال، رویه های ذخیره شده یا توابع تعریف شده توسط کاربر) را به روشی ایمن و قابل حمل در زمان های اجرای WebAssembly فراهم کنند. این امر امکان انزوا و امنیت بیشتر را فراهم می کند و از تأثیر مستقیم کد سرکش بر سرور پایگاه داده جلوگیری می کند.

ملاحظات امنیتی

در حالی که WASI در مقایسه با دسترسی مستقیم به فایل سیستم هاست، بهبود قابل توجهی در امنیت ایجاد می کند، درک ملاحظات امنیتی درگیر ضروری است. امنیت فایل سیستم WASI به اجرای صحیح زمان اجرای WASI و پیکربندی دقیق محیط هاست بستگی دارد.

خطرات امنیتی احتمالی:

• اشکالات در زمان اجرای WASI: اشکالات در زمان اجرای WASI می تواند به طور بالقوه به ماژول های WebAssembly اجازه دهد تا از محدودیت های امنیتی عبور کنند و دسترسی غیرمجاز به فایل سیستم هاست به دست آورند.
• پیکربندی نادرست دایرکتوری های از پیش باز شده: اگر محیط هاست به اشتباه دایرکتوری های از پیش باز شده را پیکربندی کند یا قابلیت های بیش از حد را به ماژول WebAssembly اعطا کند، می تواند داده ها یا عملکردهای حساس را در معرض دید قرار دهد.
• حملات زنجیره تامین: اگر ماژول WebAssembly به کتابخانه های شخص ثالث غیرقابل اعتماد وابسته باشد، می تواند در برابر حملات زنجیره تامین آسیب پذیر باشد. یک کتابخانه در معرض خطر می تواند به طور بالقوه به فایل سیستم مجازی دسترسی پیدا کند و داده های حساس را سرقت کند.
• حملات محروم سازی از سرویس: یک ماژول WebAssembly مخرب می تواند به طور بالقوه حملات محروم سازی از سرویس را با مصرف بیش از حد منابع، مانند زمان CPU یا حافظه، راه اندازی کند.

بهترین شیوه ها برای امنیت:

• از یک زمان اجرای WASI معتبر استفاده کنید: یک زمان اجرای WASI را انتخاب کنید که به طور فعال نگهداری شود و سابقه امنیتی خوبی داشته باشد.
• دایرکتوری های از پیش باز شده را با دقت پیکربندی کنید: فقط قابلیت های لازم را به ماژول WebAssembly اعطا کنید. از پیش باز کردن دایرکتوری هایی که حاوی داده های حساس هستند خودداری کنید.
• از تجزیه و تحلیل استاتیک و فازینگ استفاده کنید: از ابزارهای تجزیه و تحلیل استاتیک و فازینگ برای شناسایی آسیب پذیری های امنیتی احتمالی در ماژول WebAssembly و زمان اجرای WASI استفاده کنید.
• نظارت بر میزان استفاده از منابع: بر میزان استفاده از منابع ماژول WebAssembly نظارت کنید تا حملات احتمالی محروم سازی از سرویس را شناسایی کنید.
• پیاده سازی سندباکس: از تکنیک های سندباکس اضافی، مانند seccomp، برای محدود کردن بیشتر دسترسی ماژول WebAssembly به منابع سیستم استفاده کنید.
• ممیزی های امنیتی منظم: ممیزی های امنیتی منظم را برای زمان اجرای WASI و ماژول های WebAssembly انجام دهید تا آسیب پذیری های احتمالی را شناسایی و برطرف کنید.

آینده فایل سیستم های WASI

• فرمت استاندارد فایل سیستم مجازی: تعریف یک فرمت استاندارد برای نمایش فایل سیستم های مجازی می تواند به تسهیل اشتراک گذاری و توزیع برنامه های کاربردی مبتنی بر WASI کمک کند. این می تواند شامل استفاده از یک فرمت شبیه به کانتینر برای بسته بندی ماژول WebAssembly و فایل سیستم مجازی مرتبط با آن باشد.
• بهبود عملکرد: بهینه سازی عملکرد زمان اجرای WASI و پیاده سازی فایل سیستم مجازی برای فعال کردن برنامه های کاربردی با کارایی بالا بسیار مهم است. این می تواند شامل استفاده از تکنیک هایی مانند ذخیره سازی در حافظه پنهان و I/O ناهمزمان باشد.
• امنیت پیشرفته: افزایش بیشتر امنیت فایل سیستم WASI یک تلاش مداوم است. این می تواند شامل پیاده سازی مکانیسم های کنترل دسترسی دقیق تر و بهبود استحکام زمان اجرای WASI باشد.
• ادغام با خدمات ابری: ادغام فایل سیستم WASI با خدمات ذخیره سازی ابری می تواند ماژول های WebAssembly را قادر سازد تا به داده های ذخیره شده در ابر به روشی ایمن و قابل حمل دسترسی پیدا کنند.
• پشتیبانی از ویژگی های جدید فایل سیستم: افزودن پشتیبانی از ویژگی های جدید فایل سیستم، مانند پیوندهای نمادین و پیوندهای سخت، می تواند قابلیت های فایل سیستم WASI را گسترش دهد و طیف گسترده تری از برنامه های کاربردی را فعال کند.

نمونه هایی از سراسر جهان

• اروپا: چندین موسسه تحقیقاتی در اروپا در حال بررسی استفاده از WASI برای اجرای ایمن و قابل حمل شبیه سازی های علمی هستند. فایل سیستم WASI به این شبیه سازی ها اجازه می دهد تا به روشی کنترل شده به داده ها و فایل های پیکربندی دسترسی داشته باشند و از قابلیت بازتولید و امنیت اطمینان حاصل کنند.
• آمریکای شمالی: ارائه دهندگان اصلی ابر در آمریکای شمالی در حال ارائه پلتفرم های محاسباتی بدون سرور مبتنی بر WASI هستند. این پلتفرم ها به توسعه دهندگان اجازه می دهند تا توابع WebAssembly را در ابر بدون نیاز به مدیریت زیرساخت زیربنایی اجرا کنند. فایل سیستم WASI راهی امن و کارآمد برای دسترسی به داده ها و فایل های پیکربندی فراهم می کند.
• آسیا: شرکت ها در آسیا از WASI برای توسعه سیستم های جاسازی شده و دستگاه های IoT استفاده می کنند. فایل سیستم WASI راهی سبک و قابل حمل برای مدیریت داده ها و پیکربندی در این دستگاه ها فراهم می کند.
• آفریقا: توسعه دهندگان در آفریقا در حال بررسی استفاده از WASI برای ساخت برنامه های کاربردی وب آفلاین هستند. فایل سیستم WASI به این برنامه ها اجازه می دهد تا داده ها را به صورت محلی ذخیره کنند و هنگام در دسترس بودن اتصال شبکه، آن را با ابر همگام کنند.
• آمریکای جنوبی: دانشگاه ها در آمریکای جنوبی WASI را در برنامه های درسی علوم کامپیوتر خود گنجانده اند. این به آموزش نسل بعدی توسعه دهندگان در استفاده از WebAssembly و WASI کمک می کند.

بینش های عملی برای توسعه دهندگان

اگر شما یک توسعه دهنده هستید که علاقه مند به استفاده از WASI و فایل سیستم مجازی آن هستید، در اینجا چند بینش عملی آورده شده است:

• با مثال های ساده شروع کنید: با آزمایش با مثال های ساده شروع کنید تا اصول WASI و فایل سیستم WASI را درک کنید. آموزش ها و مثال های زیادی به صورت آنلاین در دسترس هستند.
• از یک SDK WASI استفاده کنید: از یک SDK WASI (کیت توسعه نرم افزار) برای ساده کردن فرآیند توسعه ماژول های WebAssembly برای WASI استفاده کنید. این SDK ها ابزارها و کتابخانه هایی را ارائه می دهند که کامپایل و پیوند کد شما را آسان تر می کنند.
• زبان برنامه نویسی مناسب را انتخاب کنید: WASI از انواع زبان های برنامه نویسی، از جمله C، C++، Rust و Go پشتیبانی می کند. زبان برنامه نویسی را انتخاب کنید که برای پروژه شما مناسب تر است.
• به طور کامل آزمایش کنید: ماژول های WebAssembly خود را به طور کامل آزمایش کنید تا اطمینان حاصل کنید که ایمن و قابل اعتماد هستند. از ابزارهای فازینگ و تجزیه و تحلیل استاتیک برای شناسایی آسیب پذیری های احتمالی استفاده کنید.
• به روز باشید: WASI یک فناوری به سرعت در حال تکامل است، بنابراین با آخرین تحولات به روز باشید. از استانداردهای WASI پیروی کنید و در انجمن WASI شرکت کنید.

نتیجه گیری

منابع بیشتر:

• وب سایت رسمی WASI
• مخزن GitHub WASI