Turvallisen koodin suorituksen avaaminen: Syväsukellus WebAssemblyn WASI-kyvykkyyksien myöntämiseen

Ohjelmistokehityksen kenttä kehittyy jatkuvasti, ajureinaan tarve turvallisemmille, siirrettävämmille ja suorituskykyisemmille ratkaisuille. WebAssembly (Wasm) on noussut keskeiseksi teknologiaksi, joka lupaa lähes natiivia suorituskykyä ja turvallisen suoritusympäristön koodille, joka toimii eri alustoilla. Jotta Wasm voisi kuitenkin todella täyttää potentiaalinsa, erityisesti vuorovaikutuksessa alla olevan järjestelmän ja ulkoisten resurssien kanssa, tarvitaan vankka ja hienojakoinen käyttöoikeusjärjestelmä. Tässä WebAssembly System Interface (WASI) -kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmä astuu kuvaan, tarjoten uudenlaisen ja tehokkaan lähestymistavan sen hallintaan, mitä Wasm-moduulit voivat ja eivät voi tehdä.

WebAssemblyn evoluutio ja järjestelmävuorovaikutuksen tarve

Alun perin verkkoselaimien kääntämisen kohteeksi suunnitellun WebAssemblyn tavoitteet laajenivat nopeasti selaimen hiekkalaatikon ulkopuolelle, mahdollistaen C++:n, Rustin ja Gon kaltaisten kielten tehokkaan suorittamisen verkossa. Mahdollisuus ajaa Wasm-moduuleja palvelimilla, pilviympäristöissä ja jopa reunalaitteissa avaa valtavasti mahdollisuuksia. Tämä laajentuminen edellyttää kuitenkin turvallista tapaa, jolla Wasm-moduulit voivat olla vuorovaikutuksessa isäntäjärjestelmän kanssa – päästäkseen käsiksi tiedostoihin, tehdäkseen verkkopyyntöjä, ollakseen vuorovaikutuksessa käyttöjärjestelmän kanssa ja hyödyntääkseen muita järjestelmäresursseja. Tämä on juuri se ongelma, jonka WASI pyrkii ratkaisemaan.

Mikä on WASI?

WASI on kehittyvä standardi, joka määrittelee modulaarisen järjestelmärajapinnan WebAssemblylle. Sen ensisijainen tavoite on mahdollistaa Wasm-moduulien vuorovaikutus isäntäympäristön kanssa standardoidulla ja turvallisella tavalla, riippumatta alla olevasta käyttöjärjestelmästä tai laitteistosta. Ajattele WASIa joukkona API-kutsuja, joita Wasm-moduulit voivat käyttää suorittaakseen järjestelmätason toimintoja, pitkälti kuten perinteiset järjestelmäkutsut. Nämä API-kutsut on suunniteltu siirrettäviksi ja yhdenmukaisiksi eri Wasm-ajoympäristöissä.

Järjestelmävuorovaikutuksen haasteet

Wasm-moduulien suora integrointi järjestelmäresursseihin aiheuttaa merkittävän tietoturvahaasteen. Ilman asianmukaista valvontaa Wasm-moduuli voisi mahdollisesti:

• Päästä käsiksi arkaluontoisiin tiedostoihin isäntäjärjestelmässä.
• Tehdä mielivaltaisia verkkopyyntöjä, jotka voivat johtaa palvelunestohyökkäyksiin tai tietojen vuotamiseen.
• Muokata järjestelmän asetuksia tai suorittaa haitallista koodia.
• Kuluttaa liikaa resursseja, mikä vaikuttaa isännän vakauteen.

Perinteiset hiekkalaatikointimekanismit perustuvat usein prosessien eristämiseen tai käyttöjärjestelmätason oikeuksiin. Vaikka ne ovat tehokkaita, ne voivat olla raskaita eivätkä välttämättä tarjoa sitä hienojakoista hallintaa, jota vaaditaan nykyaikaisissa, hajautetuissa ja modulaarisissa sovelluksissa, joissa komponentteja voidaan ladata ja suorittaa dynaamisesti.

Esittelyssä WASI-kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmä

WASI-kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmä edustaa paradigmanmuutosta siinä, miten WebAssembly-moduulien käyttöoikeuksia hallitaan. Laajan pääsyoikeuden myöntämisen tai "kaikki kielletty" -lähestymistavan sijaan se toimii periaatteella, jossa Wasm-moduuleille myönnetään erityisiä, hienojakoisia kyvykkyyksiä. Tämä lähestymistapa on saanut inspiraationsa kyvykkyyspohjaisista turvallisuusmalleista, jotka on jo pitkään tunnustettu niiden potentiaalista parantaa järjestelmän turvallisuutta tekemällä pääsynvalvonnasta selkeämpää ja todennettavampaa.

Kyvykkyyksien myöntämisen peruskäsitteet

Pohjimmiltaan kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmässä on kyse:

• Selkeät oikeudet: Oletusoikeuksien sijaan Wasm-moduuleille on nimenomaisesti myönnettävä kyvykkyydet, joita ne tarvitsevat tiettyjen toimintojen suorittamiseen.
• Vähimpien oikeuksien periaate: Järjestelmä noudattaa vähimpien oikeuksien periaatetta, mikä tarkoittaa, että Wasm-moduulille tulisi myöntää vain sen aiottuun toimintaan tarvittavat vähimmäisoikeudet.
• Väärentämättömät kyvykkyydet: Kyvykkyyksiä käsitellään väärentämättöminä tunnisteina. Kun kyvykkyys on myönnetty, Wasm-moduuli voi käyttää sitä, mutta se ei voi luoda uusia kyvykkyyksiä tai siirtää niitä eteenpäin muille moduuleille ilman nimenomaista valtuutusta. Tämä estää oikeuksien laajentamisen.
• Modulaarinen ja yhdisteltävä: Järjestelmä on suunniteltu modulaariseksi, mikä mahdollistaa eri kyvykkyyksien myöntämisen itsenäisesti, johtaen erittäin hyvin yhdisteltävään turvallisuusmalliin.

Miten se toimii: Yksinkertaistettu vertauskuva

Kuvittele, että Wasm-moduuli on kuin vierailija turvallisessa laitoksessa. Sen sijaan, että sille annettaisiin yleisavain (mikä olisi laaja oikeus), sille annetaan erityiset avainkortit jokaista aluetta varten, johon sen on päästävä. Vierailija voi esimerkiksi saada avainkortin kokoushuoneeseen (tiedoston lukuoikeus), toisen ruokalaan (verkkoyhteys tiettyyn palvelimeen) ja kolmannen toimistotarvikekaappiin (pääsy tiettyyn asetustiedostoon). Se ei voi käyttää näitä kortteja päästäkseen rajoitettuihin laboratorioihin tai muihin luvattomiin tiloihin. Lisäksi se ei voi luoda kopioita näistä avainkorteista tai lainata niitä kenellekään muulle.

Tekniset toteutustiedot

WASI-kontekstissa kyvykkyydet esitetään usein läpinäkymättöminä kahvoina (handles) tai tunnisteina, jotka Wasm-moduuli vastaanottaa. Kun Wasm-moduuli haluaa suorittaa operaation, joka vaatii järjestelmäpääsyä, se ei kutsu suoraan järjestelmäfunktiota. Sen sijaan se kutsuu WASI-funktiota ja välittää sille asiaankuuluvan kyvykkyyden. Wasm-ajoympäristö (isäntäympäristö) tarkistaa sitten, että moduulilla on tarvittava kyvykkyys, ennen kuin se sallii operaation jatkumisen.

Esimerkiksi, jos Wasm-moduulin täytyy lukea tiedosto nimeltä /data/config.json, se ei käyttäisi suoraan järjestelmäkutsua kuten open(). Sen sijaan se saattaisi kutsua WASI-funktiota kuten fd_read(), mutta tämä kutsu vaatisi ennalta myönnetyn tiedostokahva-kyvykkyyden kyseiselle tiedostolle tai hakemistolle. Isäntä olisi aiemmin luonut tämän kyvykkyyden, ehkä yhdistämällä isännän tiedostokahvan Wasmille näkyvään tiedostokahvaan ja välittämällä sen moduulille.

Keskeiset mukana olevat WASI-rajapinnat

Useat WASI-rajapinnat on suunniteltu toimimaan kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmän kanssa, mukaan lukien:

• wasi-filesystem: Tämä rajapinta tarjoaa kyvykkyyksiä tiedostojärjestelmän kanssa toimimiseen. Sen sijaan, että myönnettäisiin pääsy koko tiedostojärjestelmään, voidaan asettaa saataville tietyt hakemistot tai tiedostot.
• wasi-sockets: Tämä rajapinta sallii Wasm-moduulien suorittaa verkko-operaatioita. Kyvykkyydet voivat olla hienojakoisia, määritellen mihin verkkoliitäntöihin, portteihin tai jopa etäisäntiin moduuli saa muodostaa yhteyden.
• wasi-clocks: Ajan ja ajastimien käyttöön.
• wasi-random: Satunnaislukujen generointiin.

Myöntämisjärjestelmä varmistaa, että edes näitä peruskyvykkyyksiä ei myönnetä oletusarvoisesti. Isäntäympäristö vastaa sopivien kyvykkyyksien määrittämisestä ja syöttämisestä Wasm-moduulin ympäristöön ajon aikana.

WASI-kyvykkyyksien myöntämisen edut

Kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmän käyttöönotto WASIssa tarjoaa lukuisia etuja:

Parannettu tietoturva

Tämä on merkittävin etu. Noudattamalla vähimpien oikeuksien periaatetta ja tekemällä oikeuksista nimenomaisia, hyökkäyspinta-ala pienenee dramaattisesti. Kompromettoitunut Wasm-moduuli voi tehdä vain sen, mihin sille on nimenomaisesti annettu lupa, mikä rajoittaa potentiaalista vahinkoa. Tämä on ratkaisevan tärkeää, kun ajetaan epäluotettavaa koodia arkaluontoisissa ympäristöissä.

Parempi modulaarisuus ja uudelleenkäytettävyys

Wasm-moduulit voidaan suunnitella erittäin modulaarisiksi, ja niiden riippuvuudet järjestelmäresursseista on selkeästi määritelty niiden vaatimien kyvykkyyksien kautta. Tämä tekee niistä helpommin ymmärrettäviä, testattavia ja uudelleenkäytettäviä eri sovelluksissa ja ympäristöissä. Moduuli, joka tarvitsee vain lukuoikeuden tiettyyn asetustiedostoon, voidaan turvallisesti ottaa käyttöön eri yhteyksissä ilman pelkoa tahattomasta järjestelmäpääsystä.

Lisääntynyt siirrettävyys

WASI tähtää alustariippumattomuuteen. Abstrahoimalla järjestelmävuorovaikutukset kyvykkyyksien kautta, Wasm-moduulit voivat toimia millä tahansa isännällä, joka toteuttaa asiaankuuluvat WASI-rajapinnat, riippumatta alla olevasta käyttöjärjestelmästä. Isäntäympäristö hoitaa yleisten kyvykkyyksien yhdistämisen käyttöjärjestelmätason oikeuksiin.

Hienojakoinen hallinta

Kyvykkyysmalli mahdollistaa äärimmäisen hienojakoisen hallinnan siitä, mitä Wasm-moduuli voi tehdä. Esimerkiksi sen sijaan, että myönnettäisiin verkkoyhteys kaikkiin isäntiin, moduulille voidaan myöntää lupa muodostaa yhteys vain tiettyyn API-päätepisteeseen tietyssä verkkotunnuksessa ja portissa. Tämän tason hallintaa on usein vaikea saavuttaa perinteisillä käyttöjärjestelmän oikeuksilla.

Tuki monipuolisille suoritusympäristöille

Kyvykkyyksien myöntämisen joustavuus tekee Wasmista sopivan monenlaisiin ympäristöihin:

• Pilvilaskenta: Kolmannen osapuolen koodin, mikropalvelujen ja palvelimettomien funktioiden turvallinen suorittaminen.
• Reunalaskenta: Sovellusten käyttöönotto resurssirajoitteisilla ja mahdollisesti vähemmän luotettavilla reunalaitteilla.
• Lohkoketju ja älysopimukset: Turvallisen ja deterministisen suoritusympäristön tarjoaminen älysopimuksille, varmistaen, että ne eivät voi häiritä lohkoketjuverkkoa tai isäntää.
• Työpöytäsovellukset: Sovellusten liitännäisten tai laajennusten turvallisemman suorittamisen mahdollistaminen.

WASI-kyvykkyyksien myöntämisen toteuttaminen käytännössä

WASI-kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmän toteuttaminen edellyttää koordinointia Wasm-moduulikehittäjän, Wasm-ajoympäristön ja mahdollisesti orkestrointi- tai käyttöönottovälineistön välillä.

Wasm-moduulien kehittäjille

Wasm-moduuleja kirjoittavien kehittäjien tulisi:

• Tunnistaa riippuvuudet: Ymmärtää, mitä järjestelmäresursseja moduulisi tarvitsee (tiedostot, verkko jne.).
• Käyttää WASI API -kutsuja: Hyödyntää WASI-rajapintoja järjestelmävuorovaikutuksissa.
• Suunnitella vähimpien oikeuksien periaatteella: Tavoitella vain välttämättömien kyvykkyyksien vaatimista. Jos moduulisi tarvitsee vain lukea yhden asetustiedoston, suunnittele se hyväksymään kyvykkyys kyseiselle tiedostolle sen sijaan, että odottaisit täyttä tiedostojärjestelmän käyttöoikeutta.
• Viestiä vaatimuksista: Dokumentoida selkeästi, mitä kyvykkyyksiä moduulisi odottaa saavansa.

Wasm-ajoympäristöjen isännille ja orkestroijille

Isäntäympäristöllä on kriittinen rooli kyvykkyyksien myöntämisessä:

• Ympäristön määritys: Isännän on määritettävä Wasm-ajoympäristöön ne erityiset kyvykkyydet, jotka syötetään moduulin ympäristöön. Tämä määritys voidaan tehdä dynaamisesti sovelluksen tarpeiden mukaan tai staattisesti käännösvaiheessa.
• Kyvykkyyksien yhdistäminen: Isäntä vastaa abstraktien WASI-kyvykkyyksien yhdistämisestä konkreettisiin järjestelmäresursseihin. Esimerkiksi Wasm-tiedostokahvan yhdistäminen tiettyyn isännän tiedostopolkuun tai verkon päätepisteeseen.
• Ajon aikainen valvonta: Wasm-ajoympäristö valvoo, että Wasm-moduulit voivat käyttää vain niille myönnettyjä kyvykkyyksiä.

Esimerkki: Tiedostopääsyn myöntäminen pilviympäristössä

Tarkastellaan palvelimetonta funktiota, joka on kirjoitettu Rustilla ja käännetty Wasmiksi. Sen tehtävänä on lukea käyttäjätietoja tietystä S3-säiliöstä ja käsitellä niitä. Sen sijaan, että Wasm-moduulille myönnettäisiin laajat verkko- ja tiedostojärjestelmäoikeudet, pilvipalveluntarjoajan Wasm-ajoympäristö voisi:

1. Syöttää verkkokyvykkyyden: Myöntää luvan muodostaa yhteys S3-palvelun päätepisteeseen (esim. s3.amazonaws.com portissa 443).
2. Syöttää tiedostonlukukyvykkyyden: Mahdollisesti yhdistää tietyn S3-objektin (kun se on haettu) väliaikaiseen tiedostokahvaan tai muistipuskuriin, jota Wasm-moduuli voi lukea, antamatta sille yleistä tiedostojärjestelmän kirjoitusoikeutta.
3. Tai käyttää WASI-FS:ää ennalta avattujen hakemistojen kanssa: Isäntä voisi ennalta avata tietyn hakemiston, joka sisältää Wasm-moduulin tarvitsemia asetuksia tai dataa, ja välittää sille tiedostokahvan. Tällöin Wasm-moduuli voisi käyttää vain tiedostoja kyseisessä ennalta avatussa hakemistossa.

Tämä lähestymistapa eristää Wasm-funktion, estäen sitä pääsemästä muihin pilviresursseihin tai tekemästä tahattomia verkkokutsuja.

Esimerkki: Älysopimusten turvaaminen lohkoketjussa

Lohkoketjualalla Wasmia käytetään yhä enemmän älysopimuksissa. Kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmä on tässä elintärkeä estämään älysopimuksia:

• Häiritsemästä konsensusmekanismia.
• Pääsemästä käsiksi arkaluontoiseen ketjun ulkopuoliseen dataan ilman nimenomaista valtuutusta.
• Aiheuttamasta palvelunestohyökkäyksiä lohkoketjuverkkoon.

Älysopimukselle voidaan myöntää kyvykkyyksiä:

• Lukea tiettyjä tilamuuttujia lohkoketjusta.
• Lähettää tapahtumia (emit events).
• Suorittaa kryptografisia operaatioita.
• Tehdä kutsuja muihin ennalta hyväksyttyihin älysopimuksiin.

Kaikki yritykset käyttää luvattomia resursseja estettäisiin ajonaikaisesti valvotuilla rajoitetuilla kyvykkyyksillä.

Haasteet ja tulevaisuuden suuntaukset

Vaikka WASI-kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmä on tehokas, siinä on edelleen haasteita ja kehitysalueita:

• Standardointi ja yhteentoimivuus: On ratkaisevan tärkeää varmistaa, että kyvykkyyksien myöntämismekanismit toteutetaan johdonmukaisesti eri Wasm-ajoympäristöissä ja isäntäympäristöissä todellisen siirrettävyyden saavuttamiseksi.
• Kehittäjäkokemus: Tehdä kehittäjille helpommaksi ymmärtää, määritellä ja hallita moduuliensa vaatimia kyvykkyyksiä. Tämän prosessin yksinkertaistamiseen tarvitaan työkaluja ja abstraktioita.
• Dynaaminen kyvykkyyksien hallinta: Monimutkaisempia skenaarioita varten voisi olla hyödyllistä tutkia mekanismeja kyvykkyyksien dynaamiseen peruuttamiseen tai muuttamiseen ajon aikana.
• Resurssirajoitukset: Vaikka kyvykkyydet hallitsevat, mihin resursseihin pääsee, resurssirajojen (suoritin, muisti, verkkokaista) valvonta on myös kriittistä palvelunestohyökkäysten estämiseksi. Tätä käsitellään usein kyvykkyyksien myöntämisen rinnalla.

WASI-työryhmä käsittelee aktiivisesti näitä haasteita ja kehittää jatkuvasti WASI-määrityksiä ja niihin liittyviä rajapintoja.

Turvallisen WebAssembly-suorituksen globaali vaikutus

WASI:n kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmällä on syvällisiä vaikutuksia maailmanlaajuiseen ohjelmistoekosysteemiin:

• Turvallisen laskennan demokratisointi: Se madaltaa kynnystä kehittää ja ottaa käyttöön turvallisia sovelluksia, tuoden edistyneet tietoturvaparadigmat laajemman kehittäjä- ja organisaatiojoukon ulottuville maailmanlaajuisesti.
• Innovaatioiden edistäminen: Tarjoamalla turvallisen ympäristön monimuotoisen koodin suorittamiselle se kannustaa kokeiluihin ja innovaatioihin eri toimialoilla, rahoituksesta ja terveydenhuollosta viihteeseen ja logistiikkaan.
• Uusien arkkitehtuurien mahdollistaminen: Se tasoittaa tietä uusille sovellusarkkitehtuureille, kuten erittäin hajautetuille järjestelmille, federoidulle oppimiselle ja turvalliselle monen osapuolen laskennalle, joissa komponenttien on kommunikoitava ja toimittava turvallisesti ilman implisiittistä luottamusta.
• Sääntelyvaatimusten täyttäminen: Organisaatioille, jotka toimivat tiukkojen tietosuojasäännösten (kuten GDPR tai CCPA) alaisuudessa, kyvykkyyksien myöntämisen tarjoama hienojakoinen hallinta voi olla avainasemassa vaatimustenmukaisuuden osoittamisessa ja arkaluonteisten tietojen suojaamisessa.

Universaali alusta luotettavalle koodille

WebAssembly, jota WASI ja sen kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmä vahvistavat, on nopeasti tulossa universaaliksi alustaksi luotettavan koodin suorittamiselle. Se kuromaa umpeen kuilun korkean tason ohjelmointikielten ja matalan tason järjestelmäresurssien välillä, säilyttäen samalla vahvan tietoturvan.

Olitpa rakentamassa seuraavan sukupolven pilvipalveluita, ottamassa käyttöön sovelluksia reunalla tai turvaamassa lohkoketjuinfrastruktuuria, WASI-kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmän ymmärtäminen ja hyödyntäminen tulee olemaan yhä tärkeämpää. Se edustaa merkittävää edistysaskelta kohti turvallisempaa, siirrettävämpää ja yhteentoimivampaa laskennan tulevaisuutta kaikille, kaikkialla.

Yhteenveto

WASI-kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmä on kulmakivi WebAssemblyn kehityksessä kohti todella universaalia ajoympäristöä. Siirtymällä laajoista oikeuksista nimenomaisiin, väärentämättömiin ja vähimpien oikeuksien periaatteen mukaisiin kyvykkyyksiin se ratkaisee kriittisiä tietoturvahuolia, jotka syntyvät, kun WebAssembly siirtyy selaimen ulkopuolelle. Tämä vankka käyttöoikeusmalli avaa uusia mahdollisuuksia epäluotettavan tai monimutkaisen koodin suorittamiseen monenlaisissa ympäristöissä, arkaluontoisista pilvikäyttöönotoista hajautettuihin lohkoketjuverkkoihin. WASIn kypsyessä kyvykkyyksien myöntämisjärjestelmällä tulee epäilemättä olemaan yhä kasvava rooli turvallisen ja siirrettävän ohjelmistosuorituksen tulevaisuuden muovaamisessa maailmanlaajuisesti.