سندباکسینگ ماژول WebAssembly: پیاده‌سازی امنیت از طریق جداسازی

وب‌اسمبلی (Wasm) به عنوان یک فناوری قدرتمند برای ساخت اپلیکیشن‌های با کارایی بالا، قابل حمل و امن ظهور کرده است. توانایی آن در اجرا با سرعتی نزدیک به سرعت بومی در یک محیط سندباکس شده، آن را برای طیف وسیعی از موارد استفاده، از مرورگرهای وب گرفته تا اپلیکیشن‌های سمت سرور و سیستم‌های نهفته، ایده‌آل می‌سازد. این مقاله به مفهوم حیاتی سندباکسینگ ماژول WebAssembly می‌پردازد و اهمیت، تکنیک‌های پیاده‌سازی و مزایای آن را برای ایجاد اپلیکیشن‌های امن و قوی بررسی می‌کند.

سندباکسینگ WebAssembly چیست؟

سندباکسینگ WebAssembly به مکانیزم امنیتی اطلاق می‌شود که ماژول‌های Wasm را از محیط میزبان و سایر ماژول‌ها جدا می‌کند. این جداسازی از کد مخرب یا دارای باگ در یک ماژول Wasm جلوگیری می‌کند تا یکپارچگی سیستم را به خطر نیندازد یا به داده‌های حساس بدون اجازه صریح دسترسی پیدا نکند. آن را مانند یک «جعبه شنی» مجازی در نظر بگیرید که کد Wasm می‌تواند بدون تأثیرگذاری بر دنیای خارج در آن بازی کند.

اصول کلیدی سندباکسینگ WebAssembly عبارتند از:

• جداسازی حافظه: ماژول‌های Wasm در فضای حافظه خطی خود عمل می‌کنند و از دسترسی مستقیم به حافظه سیستم میزبان یا حافظه ماژول‌های دیگر جلوگیری می‌شود.
• محدودیت‌های جریان کنترل: رانتایم Wasm جریان کنترل سخت‌گیرانه‌ای را اعمال می‌کند و از پرش‌ها یا فراخوانی‌های غیرمجاز به آدرس‌های کد دلخواه جلوگیری می‌کند.
• رهگیری فراخوانی‌های سیستمی: تمام تعاملات بین ماژول Wasm و محیط میزبان باید از طریق یک رابط کاملاً تعریف‌شده انجام شود، که به رانتایم اجازه می‌دهد دسترسی به منابع سیستم را میانجی‌گری کرده و سیاست‌های امنیتی را اعمال کند.
• امنیت مبتنی بر قابلیت: ماژول‌های Wasm تنها به منابعی دسترسی دارند که به صراحت از طریق قابلیت‌ها به آنها اعطا شده است، که پتانسیل افزایش سطح دسترسی را به حداقل می‌رساند.

چرا سندباکسینگ WebAssembly مهم است؟

سندباکسینگ به دلایل زیر برای WebAssembly از اهمیت بالایی برخوردار است:

• امنیت: از سیستم میزبان و سایر اپلیکیشن‌ها در برابر کد Wasm مخرب یا دارای باگ محافظت می‌کند. اگر یک ماژول Wasm حاوی یک آسیب‌پذیری باشد یا عمداً به صورت مخرب طراحی شده باشد، سندباکس از آسیب رساندن آن فراتر از محیط ایزوله خود جلوگیری می‌کند. این امر برای اجرای کدهای غیرقابل اعتماد، مانند کتابخانه‌های شخص ثالث یا محتوای ارسالی توسط کاربر، به صورت امن بسیار حیاتی است.
• قابلیت حمل: سندباکس تضمین می‌کند که ماژول‌های Wasm در پلتفرم‌ها و معماری‌های مختلف به طور یکسان رفتار می‌کنند. از آنجا که ماژول ایزوله است، به وابستگی‌ها یا رفتارهای خاص سیستم متکی نیست، که آن را بسیار قابل حمل می‌کند. یک ماژول Wasm را در نظر بگیرید که برای یک مرورگر در اروپا توسعه یافته است؛ سندباکسینگ تضمین می‌کند که این ماژول بر روی یک سرور در آسیا یا یک دستگاه نهفته در آمریکای جنوبی به طور قابل پیش‌بینی عمل می‌کند.
• قابلیت اطمینان: با جداسازی ماژول‌های Wasm، سندباکسینگ قابلیت اطمینان کلی سیستم را افزایش می‌دهد. یک کرش یا خطا در یک ماژول Wasm کمتر احتمال دارد که کل اپلیکیشن یا سیستم عامل را از کار بیندازد.
• کارایی: اگرچه امنیت تمرکز اصلی است، سندباکسینگ می‌تواند به کارایی نیز کمک کند. با حذف نیاز به بررسی‌های امنیتی گسترده در هر دستورالعمل، رانتایم می‌تواند اجرا را بهینه کرده و به کارایی نزدیک به بومی دست یابد.

تکنیک‌های پیاده‌سازی برای سندباکسینگ WebAssembly

سندباکسینگ WebAssembly از طریق ترکیبی از تکنیک‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری پیاده‌سازی می‌شود. این تکنیک‌ها با هم کار می‌کنند تا یک محیط جداسازی امن و کارآمد ایجاد کنند.

۱. معماری ماشین مجازی (VM)

ماژول‌های WebAssembly معمولاً در یک محیط ماشین مجازی (VM) اجرا می‌شوند. VM یک لایه انتزاعی بین کد Wasm و سخت‌افزار زیرین فراهم می‌کند و به رانتایم اجازه می‌دهد اجرای ماژول را کنترل و نظارت کند. VM جداسازی حافظه، محدودیت‌های جریان کنترل و رهگیری فراخوانی‌های سیستمی را اعمال می‌کند. نمونه‌هایی از VMهای Wasm عبارتند از:

• مرورگرها (مانند Chrome، Firefox، Safari): مرورگرها دارای VMهای Wasm داخلی هستند که ماژول‌های Wasm را در چارچوب امنیتی مرورگر اجرا می‌کنند.
• رانتایم‌های مستقل (مانند Wasmer، Wasmtime): رانتایم‌های مستقل یک رابط خط فرمان و API برای اجرای ماژول‌های Wasm خارج از مرورگر فراهم می‌کنند.

۲. جداسازی حافظه

جداسازی حافظه با دادن یک فضای حافظه خطی مجزا به هر ماژول Wasm به دست می‌آید. این فضای حافظه یک بلوک پیوسته از حافظه است که ماژول می‌تواند از آن بخواند و در آن بنویسد. ماژول نمی‌تواند مستقیماً به حافظه خارج از فضای حافظه خطی خود دسترسی پیدا کند. رانتایم این جداسازی را با استفاده از مکانیزم‌های حفاظت از حافظه ارائه شده توسط سیستم عامل اعمال می‌کند، مانند:

• جداسازی فضای آدرس: به هر ماژول Wasm یک فضای آدرس منحصر به فرد اختصاص داده می‌شود، که از دسترسی آن به حافظه متعلق به ماژول‌های دیگر یا سیستم میزبان جلوگیری می‌کند.
• پرچم‌های حفاظت از حافظه: رانتایم پرچم‌های حفاظت از حافظه را برای کنترل دسترسی به مناطق مختلف حافظه خطی تنظیم می‌کند. به عنوان مثال، مناطق خاصی ممکن است به عنوان فقط-خواندنی یا فقط-اجرایی علامت‌گذاری شوند.

مثال: دو ماژول Wasm، ماژول A و ماژول B را در نظر بگیرید. حافظه خطی ماژول A ممکن است در آدرس 0x1000 قرار داشته باشد، در حالی که حافظه خطی ماژول B ممکن است در آدرس 0x2000 قرار داشته باشد. اگر ماژول A تلاش کند در آدرس 0x2000 بنویسد، رانتایم این تخلف را شناسایی کرده و یک استثنا ایجاد می‌کند.

۳. یکپارچگی جریان کنترل (CFI)

یکپارچگی جریان کنترل (CFI) یک مکانیزم امنیتی است که تضمین می‌کند اجرای برنامه از جریان کنترل مورد نظر پیروی می‌کند. CFI از مهاجمان جلوگیری می‌کند تا جریان کنترل را ربوده و کد دلخواه را اجرا کنند. رانتایم‌های WebAssembly معمولاً CFI را با تأیید اعتبار فراخوانی‌های تابع و پرش‌ها پیاده‌سازی می‌کنند. به طور خاص:

• بررسی امضای تابع: رانتایم تأیید می‌کند که تابع فراخوانی شده دارای امضای صحیح است (یعنی تعداد و نوع صحیح آرگومان‌ها و مقادیر بازگشتی).
• اعتبارسنجی فراخوانی غیرمستقیم: برای فراخوانی‌های غیرمستقیم (فراخوانی از طریق اشاره‌گرهای تابع)، رانتایم تأیید می‌کند که تابع هدف یک هدف معتبر برای فراخوانی است. این کار از تزریق اشاره‌گرهای تابع مخرب و ربودن جریان کنترل توسط مهاجمان جلوگیری می‌کند.
• مدیریت پشته فراخوانی: رانتایم پشته فراخوانی را برای جلوگیری از سرریز پشته و سایر حملات مبتنی بر پشته مدیریت می‌کند.

۴. رهگیری فراخوانی‌های سیستمی

ماژول‌های WebAssembly نمی‌توانند مستقیماً فراخوانی‌های سیستمی را به سیستم عامل انجام دهند. در عوض، آنها باید از طریق یک رابط کاملاً تعریف‌شده که توسط رانتایم ارائه می‌شود، عمل کنند. این رابط به رانتایم اجازه می‌دهد تا دسترسی به منابع سیستم را میانجی‌گری کرده و سیاست‌های امنیتی را اعمال کند. این کار معمولاً از طریق رابط سیستمی WebAssembly (WASI) پیاده‌سازی می‌شود.

رابط سیستمی WebAssembly (WASI)

WASI یک رابط سیستمی ماژولار برای WebAssembly است. این رابط یک روش استاندارد برای تعامل ماژول‌های Wasm با سیستم عامل فراهم می‌کند. WASI مجموعه‌ای از فراخوانی‌های سیستمی را تعریف می‌کند که ماژول‌های Wasm می‌توانند برای انجام وظایفی مانند خواندن و نوشتن فایل‌ها، دسترسی به شبکه و تعامل با کنسول از آنها استفاده کنند. هدف WASI ارائه یک روش امن و قابل حمل برای دسترسی ماژول‌های Wasm به منابع سیستم است. ویژگی‌های کلیدی WASI عبارتند از:

• امنیت مبتنی بر قابلیت: WASI از امنیت مبتنی بر قابلیت استفاده می‌کند، به این معنی که ماژول‌های Wasm فقط به منابعی دسترسی دارند که به صراحت به آنها اعطا شده است. به عنوان مثال، به یک ماژول ممکن است قابلیت خواندن یک فایل خاص داده شود اما قابلیت نوشتن در آن داده نشود.
• طراحی ماژولار: WASI به گونه‌ای طراحی شده که ماژولار باشد، به این معنی که می‌توان آن را به راحتی با فراخوانی‌های سیستمی و ویژگی‌های جدید گسترش داد. این امر به WASI اجازه می‌دهد تا با نیازهای محیط‌ها و اپلیکیشن‌های مختلف سازگار شود.
• قابلیت حمل: WASI به گونه‌ای طراحی شده که در سیستم عامل‌ها و معماری‌های مختلف قابل حمل باشد. این امر تضمین می‌کند که ماژول‌های Wasm که از WASI استفاده می‌کنند در پلتفرم‌های مختلف به طور یکسان رفتار خواهند کرد.

مثال: یک ماژول Wasm ممکن است از فراخوانی سیستمی `wasi_fd_read` برای خواندن داده از یک فایل استفاده کند. قبل از اجازه دادن به ماژول برای خواندن فایل، رانتایم بررسی می‌کند که آیا ماژول قابلیت لازم برای دسترسی به فایل را دارد یا خیر. اگر ماژول این قابلیت را نداشته باشد، رانتایم درخواست را رد می‌کند.

۵. امنیت کامپایل درجا (JIT)

بسیاری از رانتایم‌های WebAssembly از کامپایل درجا (JIT) برای ترجمه بایت‌کد Wasm به کد ماشین بومی استفاده می‌کنند. کامپایل JIT می‌تواند به طور قابل توجهی کارایی را بهبود بخشد، اما خطرات امنیتی بالقوه‌ای را نیز به همراه دارد. برای کاهش این خطرات، کامپایلرهای JIT باید چندین اقدام امنیتی را پیاده‌سازی کنند:

• امنیت تولید کد: کامپایلر JIT باید کد ماشینی تولید کند که ایمن باشد و آسیب‌پذیری ایجاد نکند. این شامل اجتناب از سرریز بافر، سرریز عدد صحیح و سایر خطاهای برنامه‌نویسی رایج است.
• حفاظت از حافظه: کامپایلر JIT باید اطمینان حاصل کند که کد ماشین تولید شده در برابر تغییر توسط کد مخرب محافظت می‌شود. این کار را می‌توان با استفاده از مکانیزم‌های حفاظت از حافظه ارائه شده توسط سیستم عامل، مانند علامت‌گذاری کد تولید شده به عنوان فقط-خواندنی، انجام داد.
• سندباکسینگ کامپایلر JIT: خود کامپایلر JIT باید سندباکس شود تا از مورد سوءاستفاده قرار گرفتن توسط مهاجمان جلوگیری شود. این کار را می‌توان با اجرای کامپایلر JIT در یک فرآیند جداگانه یا استفاده از یک زبان برنامه‌نویسی امن انجام داد.

نمونه‌های عملی سندباکسینگ WebAssembly

در اینجا چند نمونه عملی از نحوه استفاده از سندباکسینگ WebAssembly در اپلیکیشن‌های دنیای واقعی آورده شده است:

• مرورگرهای وب: مرورگرهای وب از سندباکسینگ WebAssembly برای اجرای امن کدهای غیرقابل اعتماد از وب‌سایت‌ها استفاده می‌کنند. این به وب‌سایت‌ها اجازه می‌دهد تا تجربیات غنی و تعاملی را بدون به خطر انداختن امنیت رایانه کاربر ارائه دهند. به عنوان مثال، بازی‌های آنلاین، ویرایشگرهای اسناد مشارکتی و اپلیکیشن‌های وب پیشرفته اغلب از Wasm برای انجام وظایف محاسباتی سنگین در یک محیط امن استفاده می‌کنند.
• رایانش بدون سرور: پلتفرم‌های رایانش بدون سرور از سندباکسینگ WebAssembly برای جداسازی توابع بدون سرور از یکدیگر و از زیرساخت زیرین استفاده می‌کنند. این امر تضمین می‌کند که توابع بدون سرور امن و قابل اعتماد هستند. شرکت‌هایی مانند Fastly و Cloudflare از Wasm برای اجرای منطق تعریف‌شده توسط کاربر در لبه شبکه‌های خود استفاده می‌کنند و اجرای با تأخیر کم و امن را فراهم می‌کنند.
• سیستم‌های نهفته: سندباکسینگ WebAssembly می‌تواند برای جداسازی اجزای مختلف یک سیستم نهفته از یکدیگر استفاده شود. این می‌تواند قابلیت اطمینان و امنیت سیستم را بهبود بخشد. به عنوان مثال، در سیستم‌های خودرو، Wasm می‌تواند برای جداسازی سیستم سرگرمی از سیستم‌های کنترل حیاتی استفاده شود و از تأثیرگذاری یک سیستم سرگرمی به خطر افتاده بر ایمنی خودرو جلوگیری کند.
• بلاک‌چین: قراردادهای هوشمند در برخی از پلتفرم‌های بلاک‌چین در یک سندباکس WebAssembly برای امنیت و قطعیت بیشتر اجرا می‌شوند. این امر برای اطمینان از اینکه قراردادهای هوشمند به طور قابل پیش‌بینی و بدون آسیب‌پذیری اجرا می‌شوند و یکپارچگی بلاک‌چین را حفظ می‌کنند، بسیار حیاتی است.

مزایای سندباکسینگ WebAssembly

مزایای سندباکسینگ WebAssembly متعدد و گسترده است:

• امنیت تقویت‌شده: سندباکسینگ در برابر کد مخرب یا دارای باگ محافظت می‌کند و از به خطر افتادن یکپارچگی سیستم جلوگیری می‌کند.
• قابلیت حمل بهبودیافته: سندباکسینگ تضمین می‌کند که ماژول‌های Wasm در پلتفرم‌های مختلف به طور یکسان رفتار می‌کنند.
• افزایش قابلیت اطمینان: سندباکسینگ ماژول‌های Wasm را جدا می‌کند و خطر کرش و خطا را کاهش می‌دهد.
• کارایی نزدیک به بومی: طراحی WebAssembly امکان اجرای کارآمد در سندباکس را فراهم می‌کند و به کارایی نزدیک به بومی دست می‌یابد.
• توسعه ساده‌تر: توسعه‌دهندگان می‌توانند بر روی نوشتن کد تمرکز کنند بدون اینکه نگران پیامدهای امنیتی زیرین باشند. سندباکس به طور پیش‌فرض یک محیط امن فراهم می‌کند.
• امکان‌پذیر ساختن موارد استفاده جدید: سندباکسینگ امکان اجرای امن کدهای غیرقابل اعتماد را در محیط‌های مختلف فراهم می‌کند و امکانات جدیدی را برای اپلیکیشن‌های وب، رایانش بدون سرور و سیستم‌های نهفته باز می‌کند.

چالش‌ها و ملاحظات

در حالی که سندباکسینگ WebAssembly یک مدل امنیتی قوی ارائه می‌دهد، هنوز چالش‌ها و ملاحظاتی وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند:

• حملات کانال جانبی: حملات کانال جانبی از آسیب‌پذیری‌ها در پیاده‌سازی سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری سندباکس برای استخراج اطلاعات حساس سوءاستفاده می‌کنند. تشخیص و جلوگیری از این حملات می‌تواند دشوار باشد. نمونه‌ها شامل حملات زمانی، حملات تحلیل توان و حملات کش هستند. استراتژی‌های کاهش شامل استفاده از الگوریتم‌های زمان-ثابت، افزودن نویز به اجرا و تحلیل دقیق پیامدهای امنیتی کامپایلر JIT است.
• امنیت API: امنیت APIهای ارائه شده توسط رانتایم برای امنیت کلی سندباکس بسیار حیاتی است. آسیب‌پذیری‌ها در این APIها می‌تواند به مهاجمان اجازه دهد تا سندباکس را دور زده و سیستم را به خطر بیندازند. طراحی و پیاده‌سازی دقیق این APIها و ممیزی منظم آنها برای آسیب‌پذیری‌های امنیتی ضروری است.
• محدودیت‌های منابع: تعیین محدودیت‌های منابع مناسب برای ماژول‌های Wasm برای جلوگیری از مصرف بیش از حد منابع و ایجاد حملات انکار سرویس (denial-of-service) مهم است. محدودیت‌های منابع می‌تواند شامل محدودیت‌های حافظه، محدودیت‌های زمان CPU و محدودیت‌های ورودی/خروجی باشد. رانتایم باید این محدودیت‌ها را اعمال کرده و ماژول‌هایی که از آنها فراتر می‌روند را خاتمه دهد.
• سازگاری: اکوسیستم WebAssembly به طور مداوم در حال تحول است و ویژگی‌ها و افزونه‌های جدیدی به آن اضافه می‌شود. مهم است که اطمینان حاصل شود رانتایم‌های مختلف WebAssembly با یکدیگر سازگار هستند و از آخرین ویژگی‌ها پشتیبانی می‌کنند.
• تأیید رسمی: از تکنیک‌های تأیید رسمی می‌توان برای اثبات رسمی صحت و امنیت رانتایم‌ها و ماژول‌های WebAssembly استفاده کرد. این می‌تواند به شناسایی و جلوگیری از آسیب‌پذیری‌هایی که ممکن است در غیر این صورت نادیده گرفته شوند، کمک کند. با این حال، تأیید رسمی می‌تواند یک فرآیند پیچیده و زمان‌بر باشد.

آینده سندباکسینگ WebAssembly

آینده سندباکسینگ WebAssembly امیدوارکننده به نظر می‌رسد. تلاش‌های تحقیق و توسعه مداوم بر بهبود امنیت، کارایی و عملکرد رانتایم‌های WebAssembly متمرکز است. برخی از زمینه‌های کلیدی توسعه عبارتند از:

• حفاظت از حافظه تقویت‌شده: مکانیزم‌های جدید حفاظت از حافظه برای جداسازی بیشتر ماژول‌های Wasm و جلوگیری از حملات مرتبط با حافظه در حال توسعه هستند.
• یکپارچگی جریان کنترل بهبودیافته: تکنیک‌های CFI پیچیده‌تری برای ارائه حفاظت قوی‌تر در برابر ربودن جریان کنترل در حال توسعه هستند.
• قابلیت‌های با جزئیات دقیق‌تر: قابلیت‌های با جزئیات دقیق‌تر برای کنترل دقیق‌تر بر منابعی که ماژول‌های Wasm می‌توانند به آنها دسترسی داشته باشند، در حال معرفی هستند.
• تأیید رسمی: تکنیک‌های تأیید رسمی به طور فزاینده‌ای برای تأیید صحت و امنیت رانتایم‌ها و ماژول‌های WebAssembly استفاده می‌شوند.
• تکامل WASI: استاندارد WASI به تکامل خود ادامه می‌دهد و فراخوانی‌های سیستمی و ویژگی‌های جدیدی را برای پشتیبانی از طیف وسیع‌تری از اپلیکیشن‌ها اضافه می‌کند. تلاش‌هایی برای اصلاح بیشتر مدل امنیتی مبتنی بر قابلیت و بهبود قابلیت حمل اپلیکیشن‌های WASI در حال انجام است.
• امنیت مبتنی بر سخت‌افزار: ادغام با ویژگی‌های امنیتی سخت‌افزاری، مانند Intel SGX و AMD SEV، برای ارائه جداسازی و حفاظت قوی‌تر برای ماژول‌های WebAssembly در حال بررسی است.

نتیجه‌گیری

سندباکسینگ WebAssembly یک فناوری حیاتی برای ساخت اپلیکیشن‌های امن، قابل حمل و قابل اعتماد است. با جداسازی ماژول‌های Wasm از محیط میزبان و سایر ماژول‌ها، سندباکسینگ از کد مخرب یا دارای باگ جلوگیری می‌کند تا یکپارچگی سیستم را به خطر نیندازد. با ادامه محبوبیت WebAssembly، اهمیت سندباکسینگ تنها افزایش خواهد یافت. با درک اصول و تکنیک‌های پیاده‌سازی سندباکسینگ WebAssembly، توسعه‌دهندگان می‌توانند اپلیکیشن‌هایی بسازند که هم امن و هم کارآمد باشند. با بلوغ اکوسیستم، انتظار می‌رود پیشرفت‌های بیشتری در اقدامات امنیتی مشاهده شود که به پذیرش Wasm در طیف وسیع‌تری از پلتفرم‌ها و اپلیکیشن‌ها در سطح جهانی منجر خواهد شد.