WebAssemblyカスタムセクションの検証：メタデータ整合性の詳細な分析

WebAssembly (Wasm) は、Webアプリケーションのブラウザベースのパフォーマンス向上ツールとしての初期の役割をはるかに超えて進化しました。クラウドネイティブ環境、エッジコンピューティング、IoT、ブロックチェーン、およびプラグインアーキテクチャ向けの、普遍的で移植可能かつ安全なコンパイルターゲットとなっています。そのサンドボックス化された実行モデルは強力なセキュリティ基盤を提供しますが、あらゆる強力なテクノロジーと同様に、細部に注意が必要です。その詳細の一つが、巨大な柔軟性の源泉であり、潜在的なセキュリティ上の盲点でもあるカスタムセクションです。

WebAssemblyランタイムはモジュールのコードセクションとメモリセクションを厳密に検証しますが、認識できないカスタムセクションは完全に無視するように設計されています。この機能により、ツールチェーンと開発者は、デバッグシンボルからスマートコントラクトのABIまで、任意のメタデータを互換性を損なうことなく埋め込むことができます。ただし、この「デフォルトで無視する」という動作は、メタデータの改ざん、サプライチェーン攻撃、およびその他の脆弱性の扉を開くことにもなります。これらのセクション内のデータをどのように信頼できますか？悪意を持って変更されていないことをどのように保証しますか？

この包括的なガイドでは、WebAssemblyカスタムセクション検証の重要な実践について詳しく説明します。このプロセスが安全なシステムを構築するために不可欠である理由を探り、単純なハッシュ化から堅牢なデジタル署名まで、整合性チェックのためのさまざまな手法を分析し、独自のアプリケーションでこれらのチェックを実装するための実用的な洞察を提供します。

WebAssemblyバイナリ形式の理解：簡単な復習

カスタムセクション検証の課題を理解するには、まずWasmバイナリモジュールの基本的な構造を理解することが重要です。`.wasm`ファイルは単なる機械コードの塊ではありません。明確な「セクション」で構成される高度に構造化されたバイナリ形式であり、各セクションには特定の目的があります。

一般的なWasmモジュールは、マジックナンバー (\0asm) とバージョンナンバーで始まり、その後に一連のセクションが続きます。これらのセクションは、次のように分類されます。

• 既知のセクション： これらはWebAssembly仕様によって定義されており、すべての準拠ランタイムによって理解されます。セクションIDはゼロ以外です。例：
  • 型セクション (ID 1)： モジュールで使用される関数シグネチャを定義します。
  • 関数セクション (ID 3)： 各関数を型セクションからのシグネチャに関連付けます。
  • メモリセクション (ID 5)： モジュールのリニアメモリを定義します。
  • エクスポートセクション (ID 7)： 関数、メモリ、またはグローバル変数をホスト環境で使用できるようにします。
  • コードセクション (ID 10)： 各関数の実際の実行可能バイトコードが含まれています。
• カスタムセクション： これは私たちの注力分野です。カスタムセクションはセクションID 0で識別されます。Wasm仕様では、ランタイムとツールは理解できないカスタムセクションを黙って無視する必要があります。

カスタムセクションの構造

カスタムセクションの構造は、最大限の柔軟性を実現するために意図的に汎用的になっています。次の3つの部分で構成されています。

1. セクションID： 常に0。
2. 名前： カスタムセクションの目的を識別する文字列（例：「name」、「dwarf_info」、「component-type」）。この名前により、ツールは関心のあるセクションを見つけて解釈できます。
3. ペイロード： 任意のバイトシーケンス。このペイロードの内容と形式は、それを作成したツールまたはアプリケーションによって完全に異なります。Wasmランタイム自体は、このデータに制約を課しません。

この設計は両刃の剣です。これにより、エコシステムは革新を起こし、Rustのパニック情報、Goランタイムデータ、またはコンポーネントモデルの定義などの豊富なメタデータを埋め込むことができます。しかし、標準のWasmランタイムがこのデータを検証できない理由でもあります。データが本来どうあるべきかを知らないのです。

セキュリティ上の盲点：検証されていないメタデータがリスクとなる理由

中心的なセキュリティの問題は、Wasmモジュールとそのメタデータを消費するツールまたはホストアプリケーションとの間の信頼関係から生じます。Wasmランタイムはコードを安全に実行しますが、システムの他の部分はカスタムセクションのデータを暗黙的に信頼する可能性があります。この信頼は、いくつかの方法で悪用される可能性があります。

カスタムセクションを通じた攻撃ベクトル

• メタデータの改ざん： 攻撃者はカスタムセクションを変更して、開発者やツールを誤解させる可能性があります。デバッグ情報（DWARF）を変更して間違ったソースコード行を指し示し、セキュリティ監査中に悪意のあるロジックを隠蔽することを想像してください。または、ブロックチェーンのコンテキストでは、カスタムセクションに保存されているスマートコントラクトのABI（アプリケーションバイナリインターフェイス）を変更すると、分散型アプリケーション（dApp）が間違った関数を呼び出し、経済的損失につながる可能性があります。
• サービス拒否（DoS）： Wasmランタイムは未知のカスタムセクションを無視しますが、ツールチェーンは無視しません。コンパイラ、リンカ、デバッガ、および静的解析ツールは、特定のカスタムセクションを解析することがよくあります。攻撃者は、これらのツールをクラッシュさせるように特別に設計された、不正な形式のカスタムセクション（たとえば、不正確な長さのプレフィックスまたは無効な内部構造を持つ）を作成し、開発およびデプロイメントパイプラインを混乱させる可能性があります。
• サプライチェーン攻撃： Wasmモジュールとして配布されている一般的なライブラリには、侵害されたビルドサーバーまたは中間者攻撃によって、悪意のあるカスタムセクションが注入されている可能性があります。このセクションには、悪意のある構成データが含まれている可能性があり、後でホストアプリケーションまたはビルドツールによって読み取られ、悪意のある依存関係をダウンロードするか、機密データを流出するように指示します。
• 誤解を招く出所情報： カスタムセクションは、ビルド情報、ソースコードハッシュ、またはライセンスデータを保存するためによく使用されます。攻撃者はこのデータを変更して、悪意のあるモジュールの出所を隠したり、信頼できる開発者に帰属させたり、そのライセンスを制限的なものから許容的なものに変更したりする可能性があります。

これらのすべてのシナリオでは、Wasmモジュール自体はサンドボックス内で完全に実行される可能性があります。脆弱性は、信頼できると想定されるメタデータに基づいて決定を下すWasmモジュールの周辺のエコシステムにあります。

メタデータ整合性チェックの手法

これらのリスクを軽減するには、暗黙的な信頼のモデルから明示的な検証のモデルに移行する必要があります。これには、重要なカスタムセクションの整合性と信頼性を、使用する前にチェックする検証レイヤーの実装が含まれます。単純なものから暗号的に安全なものまで、いくつかの手法を見てみましょう。

1. ハッシュとチェックサム

最も単純な形式の整合性チェックは、暗号学的ハッシュ関数（SHA-256など）を使用することです。

• 仕組み： ビルドプロセス中、カスタムセクション（たとえば、`my_app_metadata`）が作成された後、そのSHA-256ハッシュを計算します。このハッシュは、別の専用のカスタムセクション（たとえば、`my_app_metadata.sha256`）またはWasmモジュールに付随する外部マニフェストファイルに保存されます。
• 検証： 消費側のアプリケーションまたはツールは、`my_app_metadata`セクションを読み取り、そのハッシュを計算し、保存されたハッシュと比較します。一致する場合、データはハッシュが計算されてから変更されていません。一致しない場合、モジュールは改ざんされたものとして拒否されます。

メリット：

• 実装が簡単で、計算が高速です。
• 偶発的な破損や意図的な変更に対する優れた保護を提供します。

デメリット：

• 信頼性がない： ハッシュはデータが変更されていないことを証明しますが、誰が作成したかは証明しません。攻撃者はカスタムセクションを変更し、ハッシュを再計算して、ハッシュセクションも更新できます。ハッシュ自体が安全で改ざん防止された場所に保存されている場合にのみ機能します。
• ハッシュ自体を信頼するためのセカンダリチャネルが必要です。

2. デジタル署名（非対称暗号）

整合性と信頼性の両方を提供する、はるかに強力な保証のために、デジタル署名がゴールドスタンダードです。

• 仕組み： この手法では、公開鍵/秘密鍵ペアを使用します。Wasmモジュールの作成者は秘密鍵を保持します。
  1. まず、前の方法と同様に、カスタムセクションのペイロードの暗号学的ハッシュが計算されます。
  2. 次に、このハッシュは作成者の秘密鍵を使用して暗号化（署名）されます。
  3. 結果の署名は、別のカスタムセクション（たとえば、`my_app_metadata.sig`）に保存されます。対応する公開鍵は、検証者に配布する必要があります。公開鍵は、ホストアプリケーションに埋め込まれたり、信頼できるレジストリからフェッチされたり、別のカスタムセクションに配置されたりする可能性があります（ただし、これには公開鍵自体を信頼するための別のメカニズムが必要です）。
• 検証： Wasmモジュールのコンシューマは、次の手順を実行します。
  1. `my_app_metadata`セクションのペイロードのハッシュを計算します。
  2. `my_app_metadata.sig`セクションから署名を読み取ります。
  3. 作成者の公開鍵を使用して、署名を復号化して元のハッシュを明らかにします。
  4. 復号化されたハッシュと、最初のステップで計算したハッシュを比較します。一致する場合、署名は有効です。これは、データが改ざんされていないこと（整合性）、および秘密鍵の保持者によって署名されたこと（信頼性/出所）の2つを証明します。

メリット：

• 整合性と信頼性の両方の強力な保証を提供します。
• 公開鍵はセキュリティを損なうことなく広く配布できます。
• 安全なソフトウェアサプライチェーンの基礎を形成します。

デメリット：

• 実装と管理がより複雑です（鍵の生成、配布、および失効）。
• 単純なハッシュ化と比較して、検証中の計算オーバーヘッドがわずかに大きくなります。

3. スキーマベースの検証

整合性と信頼性のチェックにより、データが変更されておらず、信頼できるソースからのものであることが保証されますが、データが整形式であることは保証されません。構造的に無効なカスタムセクションは、パーサーをクラッシュさせる可能性があります。スキーマベースの検証は、これに対処します。

• 仕組み： カスタムセクションのペイロードのバイナリ形式に対して厳密なスキーマを定義します。このスキーマは、Protocol Buffers、FlatBuffers、またはカスタム仕様などの形式を使用して定義できます。スキーマは、データ型、長さ、および構造の予期されるシーケンスを指示します。
• 検証： バリデーターは、定義済みのスキーマに従ってカスタムセクションのペイロードをデコードしようとするパーサーです。エラーなしで解析が成功した場合（たとえば、バッファオーバーフローがなく、型の不一致がなく、予期されるすべてのフィールドが存在する場合）、セクションは構造的に有効と見なされます。解析が途中で失敗した場合、セクションは拒否されます。

メリット：

• パーサーを不正な形式のデータから保護し、DoS攻撃のクラスを防ぎます。
• メタデータの整合性と正確性を強制します。
• カスタムデータ形式のドキュメントの形式として機能します。

デメリット：

• 構造的に有効ではあるが意味的に悪意のあるペイロードを作成する熟練した攻撃者から保護しません。
• スキーマとバリデーターコードのメンテナンスが必要です。

階層化されたアプローチ：すべての世界の最高の部分

これらの手法は相互に排他的ではありません。実際、階層化されたセキュリティ戦略で組み合わせると最も強力になります。

推奨される検証パイプライン：

1. 検索と分離： まず、Wasmモジュールを解析して、ターゲットのカスタムセクション（たとえば、`my_app_metadata`）とその対応する署名セクション（`my_app_metadata.sig`）を見つけます。
2. 信頼性と整合性の検証： デジタル署名を使用して、`my_app_metadata`セクションが信頼でき、改ざんされていないことを確認します。このチェックが失敗した場合は、モジュールを直ちに拒否します。
3. 構造の検証： 署名が有効な場合は、スキーマベースのバリデーターを使用して`my_app_metadata`ペイロードの解析に進みます。形式が正しくない場合は、モジュールを拒否します。
4. データの使用： 両方のチェックに合格した後でのみ、メタデータを安全に信頼して使用できます。

この階層化されたアプローチにより、データ改ざんだけでなく、解析ベースの攻撃からも保護され、堅牢な多層防御のセキュリティ体制が提供されます。

実際の実装とツール

この検証を実装するには、Wasmバイナリを操作および検査できるツールが必要です。エコシステムには、いくつかの優れたオプションがあります。

カスタムセクションを操作するためのツール

• wasm-tools： Wasmバイナリを解析、印刷、および操作するためのコマンドラインツールとRustクレートのスイート。ビルドスクリプトの一部として、カスタムセクションを追加、削除、または検査するために使用できます。たとえば、`wasm-tools strip`コマンドを使用してカスタムセクションを削除できますが、カスタムプログラムは`wasm-tools`クレートを使用して署名を追加するために構築できます。
• Binaryen： WebAssembly用のコンパイラおよびツールチェーンインフラストラクチャライブラリ。その`wasm-opt`ツールは、さまざまな変換に使用でき、そのC++ APIは、カスタムセクションを含むモジュールの構造を細かく制御できます。
• 言語固有のツールチェーン： `wasm-bindgen`（Rust用）や他の言語のコンパイラなどのツールは、コンパイルプロセス中にカスタムセクションを挿入するためのメカニズムまたはプラグインを提供することがよくあります。

バリデーターの疑似コード

ホストアプリケーションのバリデーター関数がどのように見えるかの概念的な高レベルの例を次に示します。

function validateWasmModule(wasmBytes, trustedPublicKey) { // ステップ1：モジュールを解析して関連セクションを見つける const module = parseWasmSections(wasmBytes); const metadataSection = module.findCustomSection("my_app_metadata"); const signatureSection = module.findCustomSection("my_app_metadata.sig"); if (!metadataSection || !signatureSection) { throw new Error("必要なメタデータまたは署名セクションがありません。"); } // ステップ2：デジタル署名を検証する const metadataPayload = metadataSection.payload; const signature = signatureSection.payload; const isSignatureValid = crypto.verify(metadataPayload, signature, trustedPublicKey); if (!isSignatureValid) { throw new Error("メタデータ署名が無効です。モジュールが改ざんされている可能性があります。"); } // ステップ3：スキーマベースの検証を実行する try { const parsedMetadata = MyAppSchema.decode(metadataPayload); // データは有効であり、信頼できます return { success: true, metadata: parsedMetadata }; } catch (error) { throw new Error("メタデータの構造が無効です：" + error.message); } }

実際のユースケース

カスタムセクションの検証の必要性は理論的なものではありません。多くの最新のWasmユースケースにおける実際的な要件です。

• ブロックチェーン上の安全なスマートコントラクト： スマートコントラクトのABIはそのパブリック関数を記述します。このABIがカスタムセクションに保存されている場合は、署名する必要があります。これにより、悪意のあるアクターが不正なABIを提示して、ユーザーのウォレットやdAppを誤ってコントラクトと対話させるのを防ぎます。
• 検証可能なソフトウェア部品表（SBOM）： サプライチェーンのセキュリティを強化するために、Wasmモジュールはカスタムセクションに独自のSBOMを埋め込むことができます。このセクションに署名すると、依存関係のリストが信頼でき、脆弱または悪意のあるコンポーネントを隠すために変更されていないことが保証されます。モジュールのコンシューマーは、使用前にその内容を自動的に検証できます。
• 安全なプラグインシステム： ホストアプリケーション（プロキシ、データベース、またはクリエイティブツールなど）は、Wasmをプラグインアーキテクチャに使用できます。サードパーティ製プラグインをロードする前に、ホストは署名付きの`permissions`カスタムセクションを確認できます。このセクションでは、プラグインに必要な機能（ファイルシステムアクセス、ネットワークアクセスなど）を宣言できます。署名は、発行後に攻撃者が許可をエスカレートしていないことを保証します。
• コンテンツアドレス可能な配布： メタデータを含むWasmモジュールのすべてのセクションをハッシュ化することにより、その正確なビルドの一意の識別子を作成できます。これは、整合性がコア原則であるIPFSのようなコンテンツアドレス可能なストレージシステムで使用されます。カスタムセクションを検証することは、この決定論的アイデンティティを保証するための重要な部分です。

将来：標準化とコンポーネントモデル

WebAssemblyコミュニティは、モジュールの整合性の重要性を認識しています。Wasmコミュニティグループ内では、モジュールの署名やその他のセキュリティプリミティブの標準化について継続的な議論が行われています。標準化されたアプローチにより、ランタイムとツールは検証をネイティブに実行できるようになり、開発者にとってプロセスが簡素化されます。

さらに、新興のWebAssemblyコンポーネントモデルは、Wasmモジュールが互いに、およびホストとどのように対話するかを標準化することを目指しています。`component-type`という名前のカスタムセクションで高レベルのインターフェイスを定義します。このセクションの整合性は、コンポーネントエコシステム全体のセキュリティにとって最も重要であり、ここで説明した検証手法はさらに重要になります。

結論：信頼から検証へ

WebAssemblyカスタムセクションは不可欠な柔軟性を提供し、エコシステムが豊富なドメイン固有のメタデータをモジュールに直接埋め込むことを可能にします。ただし、この柔軟性には検証の責任が伴います。Wasmランタイムのデフォルトの動作（理解できないものを無視すること）は、悪用される可能性のある信頼のギャップを生み出します。

WebAssemblyを使用して構築する開発者またはアーキテクトとして、メタデータを暗黙的に信頼するのではなく、明示的に検証するように考え方を変える必要があります。構造的な正確さのためのスキーマチェックと、整合性と信頼性のためのデジタル署名を組み合わせた階層化された検証戦略を実装することにより、このセキュリティギャップを埋めることができます。

安全で堅牢で信頼できるWasmエコシステムを構築するには、すべてのレイヤーで努力が必要です。メタデータをセキュリティチェーンの弱いリンクにしないでください。カスタムセクションを検証し、アプリケーションを保護し、自信を持って構築してください。