Sandboxing de Module WebAssembly : Implémentation de la Sécurité par Isolation

WebAssembly (Wasm) s'est imposé comme une technologie puissante pour créer des applications performantes, portables et sécurisées. Sa capacité à s'exécuter à une vitesse proche de celle du natif dans un environnement sandboxed (isolé) le rend idéal pour un large éventail de cas d'utilisation, des navigateurs web aux applications côté serveur et aux systèmes embarqués. Cet article se penche sur le concept crucial du sandboxing de module WebAssembly, explorant son importance, ses techniques d'implémentation et ses avantages pour la création d'applications sécurisées et robustes.

Qu'est-ce que le Sandboxing WebAssembly ?

Le sandboxing WebAssembly fait référence au mécanisme de sécurité qui isole les modules Wasm de l'environnement hôte et des autres modules. Cette isolation empêche le code malveillant ou bogué au sein d'un module Wasm de compromettre l'intégrité du système ou d'accéder à des données sensibles sans autorisation explicite. Considérez-le comme un « bac à sable » virtuel où le code Wasm peut s'exécuter sans affecter le monde extérieur.

Les principes clés du sandboxing WebAssembly incluent :

• Isolation de la Mémoire : Les modules Wasm fonctionnent dans leur propre espace mémoire linéaire, empêchant l'accès direct à la mémoire du système hôte ou à la mémoire d'autres modules.
• Restrictions du Flux de Contrôle : L'environnement d'exécution Wasm applique un flux de contrôle strict, empêchant les sauts ou les appels non autorisés vers des adresses de code arbitraires.
• Interception des Appels Système : Toutes les interactions entre le module Wasm et l'environnement hôte doivent passer par une interface bien définie, permettant à l'environnement d'exécution de gérer l'accès aux ressources système et d'appliquer les politiques de sécurité.
• Sécurité Basée sur les Capacités : Les modules Wasm n'ont accès qu'aux ressources qui leur sont explicitement accordées par le biais de capacités, minimisant ainsi le potentiel d'escalade de privilèges.

Pourquoi le Sandboxing WebAssembly est-il Important ?

Le sandboxing est primordial pour WebAssembly pour les raisons suivantes :

• Sécurité : Il protège le système hôte et les autres applications contre le code Wasm malveillant ou bogué. Si un module Wasm contient une vulnérabilité ou est intentionnellement conçu pour être malveillant, le sandbox l'empêche de causer des dommages au-delà de son environnement isolé. Ceci est crucial pour exécuter du code non fiable, comme des bibliothèques tierces ou du contenu soumis par les utilisateurs, en toute sécurité.
• Portabilité : Le sandbox garantit que les modules Wasm se comportent de manière cohérente sur différentes plateformes et architectures. Comme le module est isolé, il ne dépend pas de dépendances ou de comportements système spécifiques, ce qui le rend très portable. Prenons l'exemple d'un module Wasm développé pour un navigateur en Europe ; le sandboxing garantit qu'il fonctionnera de manière prévisible sur un serveur en Asie ou sur un appareil embarqué en Amérique du Sud.
• Fiabilité : En isolant les modules Wasm, le sandboxing améliore la fiabilité globale du système. Un plantage ou une erreur au sein d'un module Wasm est moins susceptible de faire tomber l'ensemble de l'application ou du système d'exploitation.
• Performance : Bien que la sécurité soit l'objectif principal, le sandboxing peut également contribuer aux performances. En éliminant le besoin de vérifications de sécurité approfondies à chaque instruction, l'environnement d'exécution peut optimiser l'exécution et atteindre des performances quasi-natives.

Techniques d'Implémentation du Sandboxing WebAssembly

Le sandboxing WebAssembly est mis en œuvre grâce à une combinaison de techniques matérielles et logicielles. Ces techniques fonctionnent ensemble pour créer un environnement d'isolation sécurisé et efficace.

1. Architecture de Machine Virtuelle (VM)

Les modules WebAssembly sont généralement exécutés au sein d'un environnement de machine virtuelle (VM). La VM fournit une couche d'abstraction entre le code Wasm et le matériel sous-jacent, permettant à l'environnement d'exécution de contrôler et de surveiller l'exécution du module. La VM applique l'isolation de la mémoire, les restrictions du flux de contrôle et l'interception des appels système. Voici des exemples de VM Wasm :

• Navigateurs (ex. : Chrome, Firefox, Safari) : Les navigateurs disposent de VM Wasm intégrées qui exécutent les modules Wasm dans le contexte de sécurité du navigateur.
• Environnements d'Exécution Autonomes (ex. : Wasmer, Wasmtime) : Les environnements d'exécution autonomes fournissent une interface de ligne de commande et des API pour exécuter des modules Wasm en dehors du navigateur.

2. Isolation de la Mémoire

L'isolation de la mémoire est obtenue en donnant à chaque module Wasm son propre espace mémoire linéaire. Cet espace mémoire est un bloc contigu de mémoire que le module peut lire et écrire. Le module ne peut pas accéder directement à la mémoire en dehors de son propre espace mémoire linéaire. L'environnement d'exécution applique cette isolation en utilisant des mécanismes de protection de la mémoire fournis par le système d'exploitation, tels que :

• Isolation de l'Espace d'Adressage : Chaque module Wasm se voit attribuer un espace d'adressage unique, l'empêchant d'accéder à la mémoire appartenant à d'autres modules ou au système hôte.
• Drapeaux de Protection de la Mémoire : L'environnement d'exécution définit des drapeaux de protection de la mémoire pour contrôler l'accès aux différentes régions de la mémoire linéaire. Par exemple, certaines régions peuvent être marquées comme étant en lecture seule ou en exécution seule.

Exemple : Considérons deux modules Wasm, le Module A et le Module B. La mémoire linéaire du Module A pourrait être située à l'adresse 0x1000, tandis que celle du Module B pourrait être à l'adresse 0x2000. Si le Module A tente d'écrire à l'adresse 0x2000, l'environnement d'exécution détectera cette violation et lèvera une exception.

3. Intégrité du Flux de Contrôle (CFI)

L'Intégrité du Flux de Contrôle (CFI) est un mécanisme de sécurité qui garantit que l'exécution du programme suit le flux de contrôle prévu. Le CFI empêche les attaquants de détourner le flux de contrôle et d'exécuter du code arbitraire. Les environnements d'exécution WebAssembly implémentent généralement le CFI en vérifiant la validité des appels de fonction et des sauts. Plus précisément :

• Vérification des Signatures de Fonctions : L'environnement d'exécution vérifie que la fonction appelée a la bonne signature (c'est-à-dire le nombre et les types corrects d'arguments et de valeurs de retour).
• Validation des Appels Indirects : Pour les appels indirects (appels via des pointeurs de fonction), l'environnement d'exécution vérifie que la fonction cible est une cible valide pour l'appel. Cela empêche les attaquants d'injecter des pointeurs de fonction malveillants et de détourner le flux de contrôle.
• Gestion de la Pile d'Appels : L'environnement d'exécution gère la pile d'appels pour prévenir les débordements de pile et autres attaques basées sur la pile.

4. Interception des Appels Système

Les modules WebAssembly ne peuvent pas effectuer directement d'appels système au système d'exploitation. Ils doivent plutôt passer par une interface bien définie fournie par l'environnement d'exécution. Cette interface permet à l'environnement d'exécution de gérer l'accès aux ressources système et d'appliquer les politiques de sécurité. Ceci est généralement mis en œuvre via l'Interface Système WebAssembly (WASI).

Interface Système WebAssembly (WASI)

WASI est une interface système modulaire pour WebAssembly. Elle fournit un moyen standardisé pour les modules Wasm d'interagir avec le système d'exploitation. WASI définit un ensemble d'appels système que les modules Wasm peuvent utiliser pour effectuer des tâches telles que la lecture et l'écriture de fichiers, l'accès au réseau et l'interaction avec la console. WASI vise à fournir un moyen sécurisé et portable pour les modules Wasm d'accéder aux ressources système. Les principales caractéristiques de WASI incluent :

• Sécurité Basée sur les Capacités : WASI utilise une sécurité basée sur les capacités, ce qui signifie que les modules Wasm n'ont accès qu'aux ressources qui leur ont été explicitement accordées. Par exemple, un module peut se voir accorder la capacité de lire un fichier spécifique mais pas d'y écrire.
• Conception Modulaire : WASI est conçu pour être modulaire, ce qui signifie qu'il peut être facilement étendu avec de nouveaux appels système et fonctionnalités. Cela permet à WASI de s'adapter aux besoins de différents environnements et applications.
• Portabilité : WASI est conçu pour être portable sur différents systèmes d'exploitation et architectures. Cela garantit que les modules Wasm qui utilisent WASI se comporteront de manière cohérente sur différentes plateformes.

Exemple : Un module Wasm peut utiliser l'appel système `wasi_fd_read` pour lire des données d'un fichier. Avant de permettre au module de lire le fichier, l'environnement d'exécution vérifierait si le module dispose de la capacité nécessaire pour accéder au fichier. Si le module ne possède pas cette capacité, l'environnement d'exécution refuserait la requête.

5. Sécurité de la Compilation Just-In-Time (JIT)

De nombreux environnements d'exécution WebAssembly utilisent la compilation Just-In-Time (JIT) pour traduire le bytecode Wasm en code machine natif. La compilation JIT peut améliorer considérablement les performances, mais elle introduit également des risques de sécurité potentiels. Pour atténuer ces risques, les compilateurs JIT doivent mettre en œuvre plusieurs mesures de sécurité :

• Sécurité de la Génération de Code : Le compilateur JIT doit générer du code machine qui est sûr et n'introduit pas de vulnérabilités. Cela inclut d'éviter les débordements de tampon, les débordements d'entiers et autres erreurs de programmation courantes.
• Protection de la Mémoire : Le compilateur JIT doit s'assurer que le code machine généré est protégé contre la modification par du code malveillant. Cela peut être réalisé en utilisant des mécanismes de protection de la mémoire fournis par le système d'exploitation, comme le marquage du code généré en lecture seule.
• Sandboxing du Compilateur JIT : Le compilateur JIT lui-même devrait être isolé dans un sandbox pour éviter qu'il ne soit exploité par des attaquants. Cela peut être réalisé en exécutant le compilateur JIT dans un processus séparé ou en utilisant un langage de programmation sécurisé.

Exemples Pratiques de Sandboxing WebAssembly

Voici quelques exemples pratiques de la manière dont le sandboxing WebAssembly est utilisé dans des applications du monde réel :

• Navigateurs Web : Les navigateurs web utilisent le sandboxing WebAssembly pour exécuter en toute sécurité du code non fiable provenant de sites web. Cela permet aux sites web d'offrir des expériences riches et interactives sans compromettre la sécurité de l'ordinateur de l'utilisateur. Par exemple, les jeux en ligne, les éditeurs de documents collaboratifs et les applications web avancées utilisent souvent Wasm pour effectuer des tâches de calcul intensives dans un environnement sécurisé.
• Informatique Sans Serveur (Serverless) : Les plateformes d'informatique sans serveur utilisent le sandboxing WebAssembly pour isoler les fonctions sans serveur les unes des autres et de l'infrastructure sous-jacente. Cela garantit que les fonctions sans serveur sont sécurisées et fiables. Des entreprises comme Fastly et Cloudflare utilisent Wasm pour exécuter une logique définie par l'utilisateur à la périphérie de leurs réseaux, offrant une exécution à faible latence et sécurisée.
• Systèmes Embarqués : Le sandboxing WebAssembly peut être utilisé pour isoler différents composants d'un système embarqué les uns des autres. Cela peut améliorer la fiabilité et la sécurité du système. Par exemple, dans les systèmes automobiles, Wasm pourrait être utilisé pour isoler le système d'infodivertissement des systèmes de contrôle critiques, empêchant un système d'infodivertissement compromis d'affecter la sécurité du véhicule.
• Blockchain : Les contrats intelligents sur certaines plateformes de blockchain sont exécutés dans un sandbox WebAssembly pour une sécurité et un déterminisme accrus. Ceci est crucial pour garantir que les contrats intelligents s'exécutent de manière prévisible et sans vulnérabilités, maintenant ainsi l'intégrité de la blockchain.

Avantages du Sandboxing WebAssembly

Les avantages du sandboxing WebAssembly sont nombreux et de grande portée :

• Sécurité Renforcée : Le sandboxing protège contre le code malveillant ou bogué, l'empêchant de compromettre l'intégrité du système.
• Portabilité Améliorée : Le sandboxing garantit que les modules Wasm se comportent de manière cohérente sur différentes plateformes.
• Fiabilité Accrue : Le sandboxing isole les modules Wasm, réduisant le risque de plantages et d'erreurs.
• Performance Quasi-Native : La conception de WebAssembly permet une exécution efficace au sein du sandbox, atteignant des performances quasi-natives.
• Développement Simplifié : Les développeurs peuvent se concentrer sur l'écriture du code sans se soucier des implications de sécurité sous-jacentes. Le sandbox fournit un environnement sécurisé par défaut.
• Permet de Nouveaux Cas d'Usage : Le sandboxing permet d'exécuter en toute sécurité du code non fiable dans une variété d'environnements, ouvrant de nouvelles possibilités pour les applications web, l'informatique sans serveur et les systèmes embarqués.

Défis et Considérations

Bien que le sandboxing WebAssembly offre un modèle de sécurité robuste, il reste des défis et des considérations à garder à l'esprit :

• Attaques par Canal Auxiliaire : Les attaques par canal auxiliaire exploitent les vulnérabilités dans l'implémentation matérielle ou logicielle du sandbox pour extraire des informations sensibles. Ces attaques peuvent être difficiles à détecter et à prévenir. Les exemples incluent les attaques temporelles, les attaques par analyse de puissance et les attaques de cache. Les stratégies d'atténuation incluent l'utilisation d'algorithmes à temps constant, l'ajout de bruit à l'exécution et une analyse minutieuse des implications de sécurité du compilateur JIT.
• Sécurité des API : La sécurité des API fournies par l'environnement d'exécution est cruciale pour la sécurité globale du sandbox. Des vulnérabilités dans ces API pourraient permettre aux attaquants de contourner le sandbox et de compromettre le système. Il est essentiel de concevoir et d'implémenter soigneusement ces API, et de les auditer régulièrement pour détecter les vulnérabilités de sécurité.
• Limites de Ressources : Il est important de définir des limites de ressources appropriées pour les modules Wasm afin de les empêcher de consommer des ressources excessives et de provoquer des attaques par déni de service. Les limites de ressources peuvent inclure des limites de mémoire, des limites de temps CPU et des limites d'E/S. L'environnement d'exécution doit faire respecter ces limites et terminer les modules qui les dépassent.
• Compatibilité : L'écosystème WebAssembly est en constante évolution, et de nouvelles fonctionnalités et extensions sont ajoutées. Il est important de s'assurer que les différents environnements d'exécution WebAssembly sont compatibles entre eux et qu'ils prennent en charge les dernières fonctionnalités.
• Vérification Formelle : Les techniques de vérification formelle peuvent être utilisées pour prouver formellement la correction et la sécurité des environnements d'exécution et des modules WebAssembly. Cela peut aider à identifier et à prévenir les vulnérabilités qui pourraient autrement passer inaperçues. Cependant, la vérification formelle peut être un processus complexe et long.

L'Avenir du Sandboxing WebAssembly

L'avenir du sandboxing WebAssembly s'annonce prometteur. Les efforts de recherche et de développement en cours se concentrent sur l'amélioration de la sécurité, des performances et des fonctionnalités des environnements d'exécution WebAssembly. Certains domaines clés de développement incluent :

• Protection de la Mémoire Améliorée : De nouveaux mécanismes de protection de la mémoire sont en cours de développement pour isoler davantage les modules Wasm et prévenir les attaques liées à la mémoire.
• Intégrité du Flux de Contrôle Améliorée : Des techniques de CFI plus sophistiquées sont en cours de développement pour offrir une protection plus forte contre le détournement du flux de contrôle.
• Capacités à Grain Fin : Des capacités plus fines sont introduites pour permettre un contrôle plus précis sur les ressources auxquelles les modules Wasm peuvent accéder.
• Vérification Formelle : Les techniques de vérification formelle sont de plus en plus utilisées pour vérifier la correction et la sécurité des environnements d'exécution et des modules WebAssembly.
• Évolution de WASI : La norme WASI continue d'évoluer, ajoutant de nouveaux appels système et fonctionnalités pour prendre en charge une plus large gamme d'applications. Des efforts sont en cours pour affiner davantage le modèle de sécurité basé sur les capacités et améliorer la portabilité des applications WASI.
• Sécurité Basée sur le Matériel : L'intégration avec des fonctionnalités de sécurité matérielle, telles que Intel SGX et AMD SEV, est explorée pour fournir une isolation et une protection encore plus fortes pour les modules WebAssembly.

Conclusion

Le sandboxing WebAssembly est une technologie essentielle pour créer des applications sécurisées, portables et fiables. En isolant les modules Wasm de l'environnement hôte et des autres modules, le sandboxing empêche le code malveillant ou bogué de compromettre l'intégrité du système. Alors que WebAssembly continue de gagner en popularité, l'importance du sandboxing ne fera qu'augmenter. En comprenant les principes et les techniques d'implémentation du sandboxing WebAssembly, les développeurs peuvent créer des applications à la fois sécurisées et performantes. À mesure que l'écosystème mûrit, attendez-vous à voir de nouvelles avancées dans les mesures de sécurité, stimulant l'adoption de Wasm sur un éventail plus large de plateformes et d'applications à l'échelle mondiale.