Système de fichiers WASI WebAssembly : Analyse approfondie de l'implémentation d'un système de fichiers virtuel

WebAssembly (Wasm) a révolutionné le paysage du développement d'applications en offrant un environnement d'exécution portable, efficace et sécurisé. Cependant, WebAssembly, de par sa conception, est isolé et n'a pas d'accès direct aux ressources du système. C'est là que l'interface système WebAssembly (WASI) entre en jeu. WASI fournit une interface standardisée permettant aux modules WebAssembly d'interagir avec le système d'exploitation, et une partie cruciale de WASI est son implémentation de système de fichiers virtuel.

Qu'est-ce que WASI ?

WASI (WebAssembly System Interface) est une interface système modulaire pour WebAssembly. Il vise à fournir un moyen sûr et portable pour les modules WebAssembly d'accéder aux ressources du système d'exploitation telles que le système de fichiers, le réseau et l'horloge. Les approches traditionnelles d'exécution de WebAssembly en dehors des navigateurs Web reposaient sur des API spécifiques au navigateur ou sur des liaisons ad hoc spécifiques à la plate-forme. WASI standardise cela, permettant aux modules WebAssembly de s'exécuter dans divers environnements, des systèmes embarqués aux serveurs cloud, sans recompilation.

La nécessité d'un système de fichiers virtuel

L'accès direct au système de fichiers hôte poserait des risques de sécurité importants. Un module WebAssembly malveillant ou compromis pourrait potentiellement lire, écrire ou supprimer des données sensibles. Pour atténuer ces risques, WASI implémente un système de fichiers virtuel. Ce système de fichiers virtuel agit comme une couche intermédiaire entre le module WebAssembly et le système de fichiers hôte. Il permet au module WebAssembly d'interagir avec les fichiers et les répertoires de manière contrôlée et sécurisée.

Principaux avantages d'un système de fichiers virtuel :

• Sécurité : Le système de fichiers virtuel restreint l'accès du module WebAssembly aux seuls répertoires et fichiers explicitement accordés par l'environnement hôte. Ce mécanisme de sandboxing empêche l'accès non autorisé aux données sensibles.
• Portabilité : Le module WebAssembly interagit avec une interface de système de fichiers virtuel cohérente, quel que soit le système d'exploitation hôte sous-jacent. Cela garantit que le module se comporte de manière prévisible sur différentes plateformes.
• Reproductibilité : En contrôlant le contenu et la structure du système de fichiers virtuel, l'environnement hôte peut garantir que l'exécution du module WebAssembly est reproductible. Ceci est crucial pour les applications qui nécessitent un comportement déterministe.
• Testabilité : Le système de fichiers virtuel permet aux développeurs de créer facilement des environnements de test isolés pour les modules WebAssembly. Cela simplifie le processus de vérification de l'exactitude et de la robustesse du code.

Comment fonctionne le système de fichiers WASI

Le système de fichiers WASI fournit une API de type POSIX (par exemple, `open`, `read`, `write`, `mkdir`, `rmdir`) pour les modules WebAssembly. Cependant, ces appels d'API ne sont pas directement mappés au système de fichiers du système d'exploitation hôte. Au lieu de cela, ils sont gérés par l'environnement d'exécution WASI, qui traduit les opérations du système de fichiers virtuel en actions appropriées sur le système de fichiers hôte, sous réserve des restrictions d'accès définies.

Composants clés :

• Descripteurs de fichiers : WASI utilise des descripteurs de fichiers pour représenter les fichiers et répertoires ouverts. Ces descripteurs de fichiers sont des entiers opaques qui sont gérés par l'environnement d'exécution WASI. Le module WebAssembly interagit avec les fichiers et les répertoires via ces descripteurs de fichiers.
• Répertoires pré-ouverts : L'environnement hôte peut pré-ouvrir des répertoires et leur attribuer des descripteurs de fichiers. Ces répertoires pré-ouverts servent de répertoires racines pour l'accès au système de fichiers du module WebAssembly. Le module WebAssembly peut ensuite naviguer dans ces répertoires pré-ouverts pour accéder aux fichiers et sous-répertoires.
• Capacités : WASI utilise un modèle de sécurité basé sur les capacités. Lorsqu'un répertoire est pré-ouvert, l'environnement hôte peut accorder des capacités spécifiques au module WebAssembly, telles que l'accès en lecture, l'accès en écriture ou la possibilité de créer de nouveaux fichiers et répertoires.
• Résolution de chemin : Lorsque le module WebAssembly tente d'accéder à un fichier ou un répertoire à l'aide d'un chemin, l'environnement d'exécution WASI résout le chemin par rapport aux répertoires pré-ouverts. Ce processus implique de vérifier les capacités associées à chaque répertoire du chemin pour s'assurer que le module WebAssembly dispose des autorisations nécessaires.

Exemple : Accès à un fichier dans WASI

Supposons que l'environnement hôte pré-ouvre un répertoire nommé `/data` et lui attribue le descripteur de fichier 3. Le module WebAssembly peut alors ouvrir un fichier nommé `input.txt` à l'intérieur du répertoire `/data` en utilisant le code suivant (pseudocode) :

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

            

              
                Copy
              
            
          

La fonction `wasi_open` prend le descripteur de fichier du répertoire pré-ouvert (3) et le chemin relatif vers le fichier (`input.txt`) comme arguments. L'environnement d'exécution WASI vérifiera ensuite si le module WebAssembly dispose des autorisations nécessaires pour ouvrir le fichier. Si les autorisations sont accordées, l'environnement d'exécution WASI renverra un nouveau descripteur de fichier représentant le fichier ouvert.

Applications concrètes

• Informatique sans serveur : WASI peut être utilisé pour exécuter des fonctions WebAssembly dans des environnements sans serveur. Le système de fichiers virtuel permet à ces fonctions d'accéder aux données et aux fichiers de configuration de manière sécurisée et efficace.
• Informatique en périphérie : WASI est bien adapté aux scénarios d'informatique en périphérie, où les applications doivent s'exécuter sur des appareils aux ressources limitées. Le système de fichiers WASI fournit un moyen léger et portable de gérer les données et la configuration sur ces appareils. Par exemple, les capteurs industriels pourraient utiliser WASI pour traiter les données localement avant de les envoyer au cloud.
• Systèmes embarqués : WASI peut être utilisé pour développer des applications pour les systèmes embarqués, tels que les microcontrôleurs et les appareils IoT. Le système de fichiers virtuel permet à ces applications d'accéder aux ressources matérielles et de communiquer avec d'autres appareils de manière contrôlée.
• Outils de ligne de commande : WASI permet de créer des outils de ligne de commande portables qui peuvent s'exécuter sur n'importe quel système d'exploitation. Par exemple, un développeur pourrait créer un outil de traitement d'image basé sur WASI qui fonctionne de manière transparente sur Linux, macOS et Windows.
• Systèmes de base de données : Plusieurs systèmes de base de données expérimentent avec WASI pour permettre l'exécution de la logique de base de données (par exemple, les procédures stockées ou les fonctions définies par l'utilisateur) de manière sûre et portable à l'intérieur des environnements d'exécution WebAssembly. Cela permet une plus grande isolation et sécurité, empêchant le code malveillant d'affecter directement le serveur de base de données.

Considérations de sécurité

Bien que WASI offre une amélioration significative de la sécurité par rapport à l'accès direct au système de fichiers hôte, il est essentiel de comprendre les considérations de sécurité impliquées. La sécurité du système de fichiers WASI repose sur l'implémentation correcte de l'environnement d'exécution WASI et sur la configuration minutieuse de l'environnement hôte.

Risques de sécurité potentiels :

• Bugs dans l'environnement d'exécution WASI : Les bugs dans l'environnement d'exécution WASI pourraient potentiellement permettre aux modules WebAssembly de contourner les restrictions de sécurité et d'obtenir un accès non autorisé au système de fichiers hôte.
• Mauvaise configuration des répertoires pré-ouverts : Si l'environnement hôte configure incorrectement les répertoires pré-ouverts ou accorde des capacités excessives au module WebAssembly, il pourrait exposer des données ou des fonctionnalités sensibles.
• Attaques de la chaîne d'approvisionnement : Si le module WebAssembly dépend de bibliothèques tierces non fiables, il pourrait être vulnérable aux attaques de la chaîne d'approvisionnement. Une bibliothèque compromise pourrait potentiellement accéder au système de fichiers virtuel et voler des données sensibles.
• Attaques par déni de service : Un module WebAssembly malveillant pourrait potentiellement lancer des attaques par déni de service en consommant des ressources excessives, telles que le temps CPU ou la mémoire.

Meilleures pratiques pour la sécurité :

• Utiliser un environnement d'exécution WASI réputé : Choisir un environnement d'exécution WASI qui est activement maintenu et qui a de bons antécédents en matière de sécurité.
• Configurer soigneusement les répertoires pré-ouverts : N'accorder que les capacités nécessaires au module WebAssembly. Éviter de pré-ouvrir les répertoires qui contiennent des données sensibles.
• Utiliser l'analyse statique et le fuzzing : Employer des outils d'analyse statique et de fuzzing pour identifier les vulnérabilités de sécurité potentielles dans le module WebAssembly et l'environnement d'exécution WASI.
• Surveiller l'utilisation des ressources : Surveiller l'utilisation des ressources du module WebAssembly pour détecter les potentielles attaques par déni de service.
• Implémenter le sandboxing : Utiliser des techniques de sandboxing supplémentaires, telles que seccomp, pour restreindre davantage l'accès du module WebAssembly aux ressources du système.
• Audits de sécurité réguliers : Effectuer des audits de sécurité réguliers de l'environnement d'exécution WASI et des modules WebAssembly pour identifier et corriger les vulnérabilités potentielles.

L'avenir des systèmes de fichiers WASI

• Format de système de fichiers virtuel standardisé : La définition d'un format standardisé pour représenter les systèmes de fichiers virtuels pourrait faciliter le partage et la distribution des applications basées sur WASI. Cela pourrait impliquer l'utilisation d'un format de type conteneur pour empaqueter le module WebAssembly et son système de fichiers virtuel associé.
• Amélioration des performances : L'optimisation des performances de l'environnement d'exécution WASI et de l'implémentation du système de fichiers virtuel est cruciale pour permettre les applications à haute performance. Cela pourrait impliquer l'utilisation de techniques telles que la mise en cache et les E/S asynchrones.
• Sécurité renforcée : Le renforcement de la sécurité du système de fichiers WASI est un effort continu. Cela pourrait impliquer la mise en œuvre de mécanismes de contrôle d'accès plus précis et l'amélioration de la robustesse de l'environnement d'exécution WASI.
• Intégration avec les services cloud : L'intégration du système de fichiers WASI avec les services de stockage cloud pourrait permettre aux modules WebAssembly d'accéder aux données stockées dans le cloud de manière sécurisée et portable.
• Prise en charge de nouvelles fonctionnalités du système de fichiers : L'ajout de la prise en charge de nouvelles fonctionnalités du système de fichiers, telles que les liens symboliques et les liens physiques, pourrait étendre les capacités du système de fichiers WASI et permettre un plus large éventail d'applications.

Exemples du monde entier

• Europe : Plusieurs institutions de recherche en Europe explorent l'utilisation de WASI pour l'exécution sécurisée et portable de simulations scientifiques. Le système de fichiers WASI permet à ces simulations d'accéder aux données et aux fichiers de configuration de manière contrôlée, garantissant la reproductibilité et la sécurité.
• Amérique du Nord : Les principaux fournisseurs de services cloud en Amérique du Nord proposent des plateformes d'informatique sans serveur basées sur WASI. Ces plateformes permettent aux développeurs d'exécuter des fonctions WebAssembly dans le cloud sans avoir à gérer l'infrastructure sous-jacente. Le système de fichiers WASI fournit un moyen sûr et efficace d'accéder aux données et aux fichiers de configuration.
• Asie : Les entreprises en Asie utilisent WASI pour développer des systèmes embarqués et des appareils IoT. Le système de fichiers WASI fournit un moyen léger et portable de gérer les données et la configuration sur ces appareils.
• Afrique : Les développeurs en Afrique explorent l'utilisation de WASI pour créer des applications web « hors ligne d'abord ». Le système de fichiers WASI permet à ces applications de stocker des données localement et de les synchroniser avec le cloud lorsqu'une connexion réseau est disponible.
• Amérique du Sud : Les universités d'Amérique du Sud intègrent WASI dans leurs programmes d'informatique. Cela contribue à former la prochaine génération de développeurs à l'utilisation de WebAssembly et de WASI.

Conseils pratiques pour les développeurs

Si vous êtes un développeur intéressé par l'utilisation de WASI et de son système de fichiers virtuel, voici quelques conseils pratiques :

• Commencer par des exemples simples : Commencer par expérimenter avec des exemples simples pour comprendre les bases de WASI et du système de fichiers WASI. Il existe de nombreux tutoriels et exemples disponibles en ligne.
• Utiliser un SDK WASI : Utiliser un SDK WASI (Software Development Kit) pour simplifier le processus de développement de modules WebAssembly pour WASI. Ces SDK fournissent des outils et des bibliothèques qui facilitent la compilation et la liaison de votre code.
• Choisir le bon langage de programmation : WASI prend en charge une variété de langages de programmation, notamment C, C++, Rust et Go. Choisir le langage de programmation le mieux adapté à votre projet.
• Tester minutieusement : Tester minutieusement vos modules WebAssembly pour vous assurer qu'ils sont sécurisés et fiables. Utiliser des outils de fuzzing et d'analyse statique pour identifier les vulnérabilités potentielles.
• Se tenir au courant : WASI est une technologie en évolution rapide, alors restez au courant des derniers développements. Suivez les normes WASI et participez à la communauté WASI.

Conclusion

Ressources supplémentaires :

• Site officiel de WASI
• Répertoire GitHub de WASI