Contraintes de type des tables WebAssembly : Garantir la sécurité des types des tables de fonctions

WebAssembly (Wasm) s'est imposé comme une technologie essentielle pour créer des applications performantes, portables et sécurisées sur diverses plateformes. Un composant clé de l'architecture de WebAssembly est la table, un tableau de taille dynamique d'éléments externref ou funcref. Garantir la sécurité des types au sein de ces tables, en particulier des tables de fonctions, est crucial pour maintenir l'intégrité et la sécurité des modules WebAssembly. Cet article de blog examine en détail les contraintes de type des tables WebAssembly, en se concentrant spécifiquement sur la sécurité des types des tables de fonctions, son importance, ses détails de mise en œuvre et ses avantages.

Comprendre les tables WebAssembly

Les tables WebAssembly sont essentiellement des tableaux dynamiques qui peuvent stocker des références à des fonctions ou à des valeurs externes (opaques). Elles constituent un mécanisme fondamental pour réaliser l'aiguillage dynamique et faciliter l'interaction entre les modules WebAssembly et leurs environnements hôtes. Il existe deux principaux types de tables :

• Tables de fonctions (funcref) : Ces tables stockent des références à des fonctions WebAssembly. Elles sont utilisées pour mettre en œuvre des appels de fonction dynamiques, où la fonction à appeler est déterminée à l'exécution.
• Tables de références externes (externref) : Ces tables contiennent des références opaques à des objets gérés par l'environnement hôte (par exemple, des objets JavaScript dans un navigateur web). Elles permettent aux modules WebAssembly d'interagir avec les API de l'hôte et des données externes.

Les tables sont définies avec un type et une taille. Le type spécifie le genre d'élément qui peut être stocké dans la table (par exemple, funcref ou externref). La taille spécifie le nombre initial et maximal d'éléments que la table peut contenir. La taille peut être fixe ou redimensionnable. Par exemple, une définition de table pourrait ressembler à ceci (en WAT, le format texte de WebAssembly) :

            (table $my_table (ref func) (i32.const 10) (i32.const 20))
            

              
                Copy
              
            
          

Cet exemple définit une table nommée $my_table qui stocke des références de fonctions (ref func), avec une taille initiale de 10 et une taille maximale de 20. La table peut s'agrandir jusqu'à une taille maximale, empêchant ainsi les accès hors limites et l'épuisement des ressources.

L'importance de la sécurité des types des tables de fonctions

Les tables de fonctions jouent un rôle essentiel en permettant des appels de fonctions dynamiques au sein de WebAssembly. Cependant, sans contraintes de type appropriées, elles peuvent devenir une source de vulnérabilités de sécurité. Imaginons un scénario où un module WebAssembly appelle dynamiquement une fonction en se basant sur un index dans une table de fonctions. Si l'entrée de la table à cet index ne contient pas une fonction avec la signature attendue (c'est-à-dire le nombre et les types corrects de paramètres et de valeur de retour), l'appel peut entraîner un comportement non défini, une corruption de la mémoire, voire une exécution de code arbitraire.

La sécurité des types garantit que la fonction appelée via une table de fonctions possède la signature correcte attendue par l'appelant. C'est crucial pour plusieurs raisons :

• Sécurité : Empêche les attaquants d'injecter du code malveillant en écrasant les entrées de la table de fonctions avec des références à des fonctions qui effectuent des actions non autorisées.
• Stabilité : Assure que les appels de fonctions sont prévisibles et ne conduisent pas à des plantages ou des erreurs inattendus.
• Correction : Garantit que la bonne fonction est appelée avec les bons arguments, prévenant ainsi les erreurs logiques dans l'application.
• Performance : Permet des optimisations par l'environnement d'exécution WebAssembly, car il peut se fier aux informations de type pour faire des suppositions sur le comportement des appels de fonctions.

Sans contraintes de type sur les tables, WebAssembly serait vulnérable à diverses attaques, le rendant inapproprié pour les applications sensibles à la sécurité. Par exemple, un acteur malveillant pourrait potentiellement écraser un pointeur de fonction dans la table avec un pointeur vers sa propre fonction malveillante. Lorsque la fonction d'origine est appelée via la table, la fonction de l'attaquant serait exécutée à la place, compromettant le système. Ceci est similaire aux vulnérabilités des pointeurs de fonction observées dans les environnements d'exécution de code natif comme C/C++. Par conséquent, une forte sécurité des types est primordiale.

Système de types et signatures de fonctions en WebAssembly

Pour comprendre comment WebAssembly assure la sécurité des types des tables de fonctions, il est important de saisir le système de types de WebAssembly. WebAssembly prend en charge un ensemble limité de types primitifs, notamment :

• i32 : entier 32 bits
• i64 : entier 64 bits
• f32 : nombre à virgule flottante 32 bits
• f64 : nombre à virgule flottante 64 bits
• v128 : vecteur 128 bits (type SIMD)
• funcref : Référence à une fonction
• externref : Référence à une valeur externe (opaque)

Les fonctions en WebAssembly sont définies avec une signature spécifique, qui inclut les types de leurs paramètres et le type de leur valeur de retour (ou aucune valeur de retour). Par exemple, une fonction qui prend deux paramètres i32 et retourne une valeur i32 aurait la signature suivante (en WAT) :

            (func $add (param i32 i32) (result i32)
  (i32.add (local.get 0) (local.get 1))
)
            

              
                Copy
              
            
          

Cette fonction, nommée $add, prend deux paramètres entiers 32 bits et retourne un résultat entier 32 bits. Le système de types de WebAssembly impose que les appels de fonctions respectent la signature déclarée. Si une fonction est appelée avec des arguments du mauvais type ou tente de retourner une valeur du mauvais type, l'environnement d'exécution WebAssembly lèvera une erreur de type et arrêtera l'exécution. Cela empêche les erreurs liées aux types de se propager et de causer potentiellement des vulnérabilités de sécurité.

Contraintes de type des tables : Assurer la compatibilité des signatures

WebAssembly impose la sécurité des types des tables de fonctions par le biais de contraintes de type des tables. Lorsqu'une fonction est placée dans une table de fonctions, l'environnement d'exécution WebAssembly vérifie que la signature de la fonction est compatible avec le type d'élément de la table. Cette vérification de compatibilité garantit que toute fonction appelée via la table aura la signature attendue, prévenant ainsi les erreurs de type et les vulnérabilités de sécurité.

Plusieurs mécanismes contribuent à garantir cette compatibilité :

1. Annotations de type explicites : WebAssembly impose des annotations de type explicites pour les paramètres de fonction et les valeurs de retour. Cela permet à l'environnement d'exécution de vérifier statiquement que les appels de fonction respectent les signatures déclarées.
2. Définition de la table de fonctions : Lorsqu'une table de fonctions est créée, elle est déclarée pour contenir des références de fonctions (funcref) ou des références externes (externref). Cette déclaration limite les types de valeurs qui peuvent être stockées dans la table. Tenter de stocker une valeur d'un type incompatible entraînera une erreur de type lors de la validation ou de l'instanciation du module.
3. Appels de fonction indirects : Lorsqu'un appel de fonction indirect est effectué via une table de fonctions, l'environnement d'exécution WebAssembly vérifie que la signature de la fonction appelée correspond à la signature attendue spécifiée par l'instruction call_indirect. L'instruction call_indirect nécessite un index de type qui fait référence à une signature de fonction spécifique. L'environnement d'exécution compare cette signature avec celle de la fonction à l'index spécifié dans la table. Si les signatures ne correspondent pas, une erreur de type est levée.

Considérons l'exemple suivant (en WAT) :

            (module
  (type $sig (func (param i32 i32) (result i32)))
  (table $my_table (ref $sig) (i32.const 1))
  (func $add (type $sig) (param i32 i32) (result i32)
    (i32.add (local.get 0) (local.get 1))
  )
  (func $main (export "main") (result i32)
    (call_indirect (type $sig) (i32.const 0))
  )
  (elem (i32.const 0) $add)
)
            

              
                Copy
              
            
          

Dans cet exemple, nous définissons une signature de fonction $sig qui prend deux paramètres i32 et retourne un i32. Nous définissons ensuite une table de fonctions $my_table qui est contrainte de contenir des références de fonctions de type $sig. La fonction $add a également la signature $sig. Le segment elem initialise la table avec la fonction $add. La fonction $main appelle ensuite la fonction à l'index 0 de la table en utilisant call_indirect avec la signature de type $sig. Parce que la fonction à l'index 0 a la bonne signature, l'appel est valide.

Si nous essayions de placer une fonction avec une signature différente dans la table ou d'appeler la fonction avec une signature différente en utilisant call_indirect, l'environnement d'exécution WebAssembly lèverait une erreur de type.

Détails d'implémentation dans les compilateurs et VM WebAssembly

Les compilateurs et les machines virtuelles (VM) WebAssembly jouent un rôle crucial dans l'application des contraintes de type des tables. Les détails d'implémentation peuvent varier en fonction du compilateur et de la VM spécifiques, mais les principes généraux restent les mêmes :

• Analyse statique : Les compilateurs WebAssembly effectuent une analyse statique du code pour vérifier que les accès aux tables et les appels indirects sont sécurisés au niveau des types. Cette analyse consiste à vérifier que les types des arguments passés à la fonction appelée correspondent aux types attendus définis dans la signature de la fonction.
• Vérifications à l'exécution : En plus de l'analyse statique, les VM WebAssembly effectuent des vérifications à l'exécution pour garantir la sécurité des types pendant l'exécution. Ces vérifications sont particulièrement importantes pour les appels indirects, où la fonction cible est déterminée à l'exécution en fonction de l'index de la table. L'environnement d'exécution vérifie que la fonction à l'index spécifié a la bonne signature avant d'exécuter l'appel.
• Protection de la mémoire : Les VM WebAssembly emploient des mécanismes de protection de la mémoire pour empêcher l'accès non autorisé à la mémoire de la table. Cela empêche les attaquants d'écraser les entrées de la table de fonctions avec du code malveillant.

Par exemple, considérons le moteur JavaScript V8, qui inclut une VM WebAssembly. V8 effectue à la fois une analyse statique et des vérifications à l'exécution pour garantir la sécurité des types des tables de fonctions. Pendant la compilation, V8 vérifie que tous les appels indirects sont sécurisés au niveau des types. À l'exécution, V8 effectue des vérifications supplémentaires pour se prémunir contre les vulnérabilités potentielles. De même, d'autres VM WebAssembly, telles que SpiderMonkey (le moteur JavaScript de Firefox) et JavaScriptCore (le moteur JavaScript de Safari), mettent en œuvre des mécanismes similaires pour faire respecter la sécurité des types.

Avantages des contraintes de type des tables

La mise en œuvre des contraintes de type des tables en WebAssembly offre de nombreux avantages :

• Sécurité renforcée : Prévient les vulnérabilités liées aux types qui pourraient conduire à l'injection de code ou à l'exécution de code arbitraire.
• Stabilité améliorée : Réduit la probabilité d'erreurs d'exécution et de plantages dus à des incompatibilités de types.
• Performance accrue : Permet des optimisations par l'environnement d'exécution WebAssembly, car il peut se fier aux informations de type pour faire des suppositions sur le comportement des appels de fonctions.
• Débogage simplifié : Facilite l'identification et la correction des erreurs liées aux types pendant le développement.
• Portabilité accrue : Assure que les modules WebAssembly se comportent de manière cohérente sur différentes plateformes et VM.

Ces avantages contribuent à la robustesse et à la fiabilité globales des applications WebAssembly, ce qui en fait une plateforme appropriée pour créer une large gamme d'applications, des applications web aux systèmes embarqués.

Exemples concrets et cas d'utilisation

Les contraintes de type des tables sont essentielles pour une grande variété d'applications concrètes de WebAssembly :

• Applications web : WebAssembly est de plus en plus utilisé pour créer des applications web haute performance, telles que des jeux, des simulations et des outils de traitement d'images. Les contraintes de type des tables garantissent la sécurité et la stabilité de ces applications, protégeant les utilisateurs contre le code malveillant.
• Systèmes embarqués : WebAssembly est également utilisé dans les systèmes embarqués, tels que les appareils IoT et les systèmes automobiles. Dans ces environnements, la sécurité et la fiabilité sont primordiales. Les contraintes de type des tables aident à garantir que les modules WebAssembly exécutés sur ces appareils ne peuvent pas être compromis.
• Cloud Computing : WebAssembly est exploré comme technologie de sandboxing pour les environnements de cloud computing. Les contraintes de type des tables fournissent un environnement sécurisé et isolé pour l'exécution des modules WebAssembly, les empêchant d'interférer avec d'autres applications ou le système d'exploitation hôte.
• Technologie Blockchain : Certaines plateformes de blockchain utilisent WebAssembly pour l'exécution de contrats intelligents en raison de sa nature déterministe et de ses fonctionnalités de sécurité, y compris la sécurité des types des tables.

Par exemple, considérons une application de traitement d'images basée sur le web et écrite en WebAssembly. L'application pourrait utiliser des tables de fonctions pour sélectionner dynamiquement différents algorithmes de traitement d'images en fonction des entrées de l'utilisateur. Les contraintes de type des tables garantissent que l'application ne peut appeler que des fonctions de traitement d'images valides, empêchant ainsi l'exécution de code malveillant.

Orientations futures et améliorations

La communauté WebAssembly travaille continuellement à l'amélioration de la sécurité et des performances de WebAssembly. Les orientations futures et les améliorations liées aux contraintes de type des tables incluent :

• Sous-typage : Explorer la possibilité de prendre en charge le sous-typage pour les signatures de fonctions, ce qui permettrait une vérification de type plus flexible et autoriserait des modèles de code plus complexes.
• Systèmes de types plus expressifs : Étudier des systèmes de types plus expressifs capables de capturer des relations plus complexes entre les fonctions et les données.
• Vérification formelle : Développer des techniques de vérification formelle pour prouver la correction des modules WebAssembly et s'assurer qu'ils respectent les contraintes de type.

Ces améliorations renforceront davantage la sécurité et la fiabilité de WebAssembly, en en faisant une plateforme encore plus attrayante pour créer des applications performantes, portables et sécurisées.

Meilleures pratiques pour travailler avec les tables WebAssembly

Pour garantir la sécurité et la stabilité de vos applications WebAssembly, suivez ces meilleures pratiques lorsque vous travaillez avec des tables :

• Utilisez toujours des annotations de type explicites : Définissez clairement les types des paramètres de fonction et des valeurs de retour.
• Définissez soigneusement les types des tables de fonctions : Assurez-vous que le type de la table de fonctions reflète précisément les signatures des fonctions qui y seront stockées.
• Validez les tables de fonctions lors de l'instanciation : Vérifiez que la table de fonctions est correctement initialisée avec les fonctions attendues.
• Utilisez des mécanismes de protection de la mémoire : Protégez la mémoire de la table contre les accès non autorisés.
• Restez à jour avec les avis de sécurité de WebAssembly : Soyez conscient de toute vulnérabilité connue et appliquez les correctifs rapidement.
• Utilisez des outils d'analyse statique : Employez des outils conçus pour identifier les erreurs de type potentielles et les vulnérabilités de sécurité dans votre code WebAssembly. De nombreux linters et analyseurs statiques offrent désormais un support pour WebAssembly.
• Testez de manière approfondie : Des tests complets, y compris le fuzzing, peuvent aider à découvrir des comportements inattendus liés aux tables de fonctions.

En suivant ces meilleures pratiques, vous pouvez minimiser le risque d'erreurs liées aux types et de vulnérabilités de sécurité dans vos applications WebAssembly.

Conclusion

Les contraintes de type des tables WebAssembly sont un mécanisme crucial pour garantir la sécurité des types des tables de fonctions. En imposant la compatibilité des signatures et en prévenant les vulnérabilités liées aux types, elles contribuent de manière significative à la sécurité, à la stabilité et à la performance des applications WebAssembly. Alors que WebAssembly continue d'évoluer et de s'étendre à de nouveaux domaines, les contraintes de type des tables resteront un aspect fondamental de son architecture de sécurité. Comprendre et utiliser ces contraintes est essentiel pour créer des applications WebAssembly robustes et fiables. En adhérant aux meilleures pratiques et en restant informé des dernières avancées en matière de sécurité WebAssembly, les développeurs peuvent exploiter tout le potentiel de WebAssembly tout en atténuant les risques potentiels.