Saugaus kodo vykdymo atvėrimas: išsami „WebAssembly“ WASI gebėjimų suteikimo apžvalga

Programinės įrangos kūrimo sritis nuolat keičiasi, skatinama poreikio kurti saugesnius, perkeliamus ir našesnius sprendimus. „WebAssembly“ (Wasm) tapo pagrindine technologija, žadančia beveik natūralų našumą ir saugią vykdymo aplinką kodui, veikiančiam įvairiose platformose. Tačiau, kad Wasm iš tikrųjų išnaudotų savo potencialą, ypač sąveikaujant su pagrindine sistema ir išoriniais ištekliais, būtina tvirta ir detali leidimų sistema. Būtent čia įsikiša „WebAssembly“ sistemos sąsajos (WASI) gebėjimų suteikimo sistema, siūlanti naują ir galingą požiūrį į tai, ką Wasm moduliai gali ir ko negali daryti.

„WebAssembly“ evoliucija ir sistemos sąveikos poreikis

Iš pradžių sukurta kaip kompiliavimo tikslas interneto naršyklėms, leidžiantis tokioms kalboms kaip C++, Rust ir Go efektyviai veikti internete, „WebAssembly“ ambicijos greitai išsiplėtė už naršyklės izoliavimo ribų. Galimybė paleisti Wasm modulius serveriuose, debesų aplinkose ir net krašto įrenginiuose atveria galimybių visatą. Tačiau šiam plėtimuisi reikalingas saugus būdas Wasm moduliams sąveikauti su pagrindine sistema – pasiekti failus, siųsti tinklo užklausas, sąveikauti su operacine sistema ir naudoti kitus sistemos išteklius. Būtent šią problemą siekia išspręsti WASI.

Kas yra WASI?

WASI yra besivystantis standartas, apibrėžiantis modulinę sistemos sąsają „WebAssembly“. Pagrindinis jo tikslas yra leisti Wasm moduliams standartizuotu ir saugiu būdu sąveikauti su pagrindine aplinka, nepriklausomai nuo pagrindinės operacinės sistemos ar techninės įrangos. Įsivaizduokite WASI kaip API rinkinį, kurį Wasm moduliai gali iškviesti sistemos lygio operacijoms atlikti, panašiai kaip tradicinius sistemos iškvietimus. Šios API sukurtos taip, kad būtų perkeliamas ir nuoseklus įvairiose Wasm vykdymo aplinkose.

Iššūkiai sistemos sąveikoje

Tiesioginė Wasm modulių integracija su sistemos ištekliais kelia didelį saugumo iššūkį. Be tinkamos kontrolės, Wasm modulis potencialiai galėtų:

• Pasiekti jautrius failus pagrindinėje sistemoje.
• Siųsti savavališkas tinklo užklausas, kurios gali sukelti paslaugos trikdymo atakas arba duomenų nutekėjimą.
• Manipuliuoti sistemos konfigūracijomis arba vykdyti kenkėjišką kodą.
• Naudoti pernelyg daug išteklių, paveikiant pagrindinės sistemos stabilumą.

Tradiciniai izoliavimo mechanizmai dažnai remiasi procesų izoliavimu arba operacinės sistemos lygio leidimais. Nors ir veiksmingi, jie gali būti sunkūs ir nesuteikti smulkios kontrolės, reikalingos modernioms, paskirstytoms ir modulinėms programoms, kurių komponentai gali būti dinamiškai įkeliami ir vykdomi.

Pristatome WASI gebėjimų suteikimo sistemą

WASI gebėjimų suteikimo sistema yra paradigmos pokytis, kaip valdomi „WebAssembly“ modulių leidimai. Vietoj plačios prieigos suteikimo ar „viską uždrausti“ požiūrio, ji veikia pagal principą, suteikiant konkrečius, smulkius gebėjimus Wasm moduliams. Šis požiūris įkvėptas gebėjimais pagrįstų saugumo modelių, kurie jau seniai pripažinti dėl savo potencialo stiprinti sistemos saugumą, padarant prieigos kontrolę aiškesnę ir patikrinamą.

Pagrindinės gebėjimų suteikimo sąvokos

Savo esme, gebėjimų suteikimo sistema susijusi su:

• Aiškiūs leidimai: Užuot turėję numanomą prieigą, Wasm moduliai turi gauti aiškiai suteiktus gebėjimus, reikalingus konkrečioms operacijoms atlikti.
• Mažiausios privilegijos: Sistema užtikrina mažiausių privilegijų principą, o tai reiškia, kad Wasm moduliui turėtų būti suteiktas tik minimalus leidimų rinkinys, būtinas jo numatytai funkcijai atlikti.
• Nesuklastojami gebėjimai: Gebėjimai traktuojami kaip nesuklastojami žetonai. Suteikus gebėjimą, Wasm modulis gali jį naudoti, tačiau negali kurti naujų gebėjimų ar perduoti jų kitiems moduliams be aiškaus leidimo. Tai apsaugo nuo privilegijų eskalavimo.
• Moduliškumas ir suderinamumas: Sistema sukurta būti modulinė, leidžianti skirtingus gebėjimus suteikti nepriklausomai, kas veda prie labai suderinamo saugumo modelio.

Kaip tai veikia: supaprastinta analogija

Įsivaizduokite, kad Wasm modulis yra lankytojas, įeinantis į saugų objektą. Užuot davus jam universalų raktą (kas būtų platus leidimas), jam suteikiamos konkrečios raktų kortelės kiekvienai sričiai, kurią jam reikia pasiekti. Pavyzdžiui, lankytojas gali gauti raktų kortelę patekti į posėdžių salę (failų skaitymo prieiga), kitą – į valgyklą (tinklo prieiga prie konkretaus serverio), ir dar vieną – į kanceliarinių prekių spintą (prieiga prie konkretaus konfigūracijos failo). Jis negali naudoti šių kortelių patekti į ribotos prieigos laboratorijas ar kitas neleistinas vietas. Be to, jis negali pasidaryti šių raktų kortelių kopijų ar paskolinti jų kam nors kitam.

Techninės įgyvendinimo detalės

WASI kontekste, gebėjimai dažnai yra reprezentuojami kaip nepermatomos rankenėlės ar žetonai, kuriuos gauna Wasm modulis. Kai Wasm modulis nori atlikti operaciją, reikalaujančią sistemos prieigos, jis tiesiogiai neiškviečia sistemos funkcijos. Vietoj to, jis iškviečia WASI funkciją, perduodamas atitinkamą gebėjimą. Wasm vykdymo aplinka (pagrindinė aplinka) tada patikrina, ar modulis turi reikiamą gebėjimą, prieš leisdama operacijai tęstis.

Pavyzdžiui, jei Wasm moduliui reikia perskaityti failą pavadinimu /data/config.json, jis tiesiogiai nenaudos sistemos iškvietimo, tokio kaip open(). Vietoj to, jis galėtų iškviesti WASI funkciją, pvz., fd_read(), tačiau šiam iškvietimui reikėtų iš anksto suteikto failo aprašiklio gebėjimo tam konkrečiam failui ar katalogui. Pagrindinė sistema būtų iš anksto nustačiusi šį gebėjimą, galbūt susiejant pagrindinės sistemos failo aprašiklį su Wasm matomu failo aprašikliu ir perduodant jį moduliui.

Pagrindinės susijusios WASI sąsajos

Kelios WASI sąsajos sukurtos dirbti su gebėjimų suteikimo sistema, įskaitant:

• wasi-filesystem: Ši sąsaja suteikia gebėjimus sąveikauti su failų sistema. Vietoj to, kad būtų suteikta prieiga prie visos failų sistemos, galima padaryti prieinamus konkrečius katalogus ar failus.
• wasi-sockets: Ši sąsaja leidžia Wasm moduliams atlikti tinklo operacijas. Gebėjimai čia gali būti smulkūs, nurodant, prie kurių tinklo sąsajų, prievadų ar net nuotolinių šeimininkų modulis gali jungtis.
• wasi-clocks: Laiko ir laikmačių prieigai.
• wasi-random: Atsitiktinių skaičių generavimui.

Suteikimo sistema užtikrina, kad net šie pagrindiniai gebėjimai nebūtų suteikiami pagal numatytuosius nustatymus. Pagrindinė aplinka yra atsakinga už atitinkamų gebėjimų nustatymą ir įterpimą į Wasm modulio aplinką vykdymo metu.

WASI gebėjimų suteikimo privalumai

Gebėjimų suteikimo sistemos pritaikymas WASI suteikia daugybę privalumų:

Padidintas saugumas

Tai yra pats svarbiausias privalumas. Įgyvendinant mažiausių privilegijų principą ir aiškiai apibrėžiant leidimus, atakos paviršius drastiškai sumažėja. Kompromituotas Wasm modulis gali padaryti tik tai, kas jam buvo aiškiai leista, ribojant potencialią žalą. Tai yra labai svarbu vykdant nepatikimą kodą jautriose aplinkose.

Pagerintas moduliškumas ir pakartotinis naudojimas

Wasm moduliai gali būti sukurti kaip labai moduliniai, o jų priklausomybės nuo sistemos išteklių aiškiai apibrėžiamos reikalingais gebėjimais. Dėl to juos lengviau analizuoti, testuoti ir pakartotinai naudoti skirtingose programose ir aplinkose. Modulį, kuriam reikia tik skaitymo prieigos prie konkretaus konfigūracijos failo, galima saugiai diegti įvairiuose kontekstuose, nebijant netyčinės sistemos prieigos.

Padidintas perkeliamumas

WASI siekia platformos nepriklausomybės. Abstrahuojant sistemos sąveikas per gebėjimus, Wasm moduliai gali veikti bet kurioje pagrindinėje sistemoje, kuri įgyvendina atitinkamas WASI sąsajas, nepriklausomai nuo pagrindinės operacinės sistemos. Pagrindinė aplinka tvarko bendrųjų gebėjimų susiejimą su konkrečiais OS lygio leidimais.

Smulki kontrolė

Gebėjimų modelis leidžia itin smulkiai kontroliuoti, ką Wasm modulis gali daryti. Pavyzdžiui, vietoj to, kad būtų suteikta tinklo prieiga prie visų šeimininkų, moduliui galima suteikti leidimą prisijungti tik prie konkretaus API galinio taško tam tikrame domene ir prievade. Tokį kontrolės lygį dažnai sunku pasiekti su tradiciniais operacinės sistemos leidimais.

Palaikymas įvairioms vykdymo aplinkoms

Gebėjimų suteikimo lankstumas daro Wasm tinkamą plačiam aplinkų spektrui:

• Debesų kompiuterija: Saugus trečiųjų šalių kodo, mikropaslaugų ir be serverių funkcijų vykdymas.
• Krašto kompiuterija: Programų diegimas ribotų išteklių ir potencialiai mažiau patikimuose krašto įrenginiuose.
• Blokų grandinė ir išmanieji kontraktai: Saugios ir deterministinės vykdymo aplinkos suteikimas išmaniesiems kontraktams, užtikrinant, kad jie negalėtų trukdyti blokų grandinės tinklui ar pagrindinei sistemai.
• Stalinių kompiuterių programos: Saugesnis programų priedų ar plėtinių vykdymas.

WASI gebėjimų suteikimo įgyvendinimas praktikoje

WASI gebėjimų suteikimo sistemos įgyvendinimas apima koordinavimą tarp Wasm modulio kūrėjo, Wasm vykdymo aplinkos ir potencialiai orkestratoriaus ar diegimo aplinkos.

Wasm modulių kūrėjams

Kūrėjai, rašantys Wasm modulius, turėtų:

• Žinoti priklausomybes: Suprasti, kokių sistemos išteklių (failų, tinklo ir kt.) reikės jūsų moduliui.
• Naudoti WASI API: Pasinaudoti WASI sąsajomis sistemos sąveikoms.
• Projektuoti mažiausioms privilegijoms: Siekti reikalauti tik būtinų gebėjimų. Jei jūsų moduliui reikia tik perskaityti vieną konfigūracijos failą, suprojektuokite jį taip, kad priimtų gebėjimą tam failui, o ne tikėtųsi pilnos failų sistemos prieigos.
• Komunikuoti reikalavimus: Aiškiai dokumentuoti gebėjimus, kuriuos jūsų modulis tikisi gauti.

Wasm vykdymo aplinkos šeimininkams ir orkestratoriams

Pagrindinė aplinka atlieka lemiamą vaidmenį suteikiant gebėjimus:

• Aplinkos konfigūravimas: Pagrindinė sistema turi sukonfigūruoti Wasm vykdymo aplinką su konkrečiais gebėjimais, kurie bus įterpti į modulio aplinką. Šis konfigūravimas gali būti atliekamas dinamiškai, atsižvelgiant į programos poreikius, arba statiškai kūrimo metu.
• Gebėjimų susiejimas: Pagrindinė sistema yra atsakinga už abstrakčių WASI gebėjimų susiejimą su konkrečiais sistemos ištekliais. Pavyzdžiui, susiejant Wasm failo aprašiklį su konkrečiu pagrindinės sistemos failo keliu ar tinklo galiniu tašku.
• Vykdymo aplinkos užtikrinimas: Wasm vykdymo aplinka užtikrina, kad Wasm moduliai gali naudoti tik jiems suteiktus gebėjimus.

Pavyzdys: failų prieigos suteikimas debesų aplinkoje

Apsvarstykite be serverio funkciją, parašytą Rust kalba ir sukompiliuotą į Wasm, skirtą skaityti vartotojo duomenis iš konkretaus S3 kaupyklos ir juos apdoroti. Užuot suteikus Wasm moduliui plačią tinklo ir failų sistemos prieigą, debesų paslaugų teikėjo Wasm vykdymo aplinka galėtų:

1. Įterpti tinklo gebėjimą: Suteikti leidimą prisijungti prie S3 paslaugos galinio taško (pvz., s3.amazonaws.com 443 prievade).
2. Įterpti failų skaitymo gebėjimą: Potencialiai susieti konkretų S3 objektą (jį gavus) su laikinu failo aprašikliu ar atminties buferiu, kurį Wasm modulis gali skaityti, nesuteikiant jam bendros failų sistemos rašymo prieigos.
3. Arba naudoti WASI-FS su iš anksto atidarytais katalogais: Pagrindinė sistema galėtų iš anksto atidaryti konkretų katalogą, kuriame yra Wasm moduliui reikalinga konfigūracija ar duomenys, ir perduoti jam failo aprašiklį. Tada Wasm modulis galėtų pasiekti failus tik tame iš anksto atidarytame kataloge.

Šis požiūris izoliuoja Wasm funkciją, neleisdamas jai pasiekti kitų debesų išteklių ar siųsti nenumatytų tinklo užklausų.

Pavyzdys: išmaniųjų kontraktų apsauga blokų grandinėje

Blokų grandinės srityje Wasm vis dažniau naudojamas išmaniesiems kontraktams. Gebėjimų suteikimo sistema čia yra gyvybiškai svarbi, siekiant užkirsti kelią išmaniesiems kontraktams:

• Trukdyti konsensuso mechanizmui.
• Pasiekti jautrius duomenis už grandinės ribų be aiškaus leidimo.
• Sukelti paslaugos trikdymo atakas blokų grandinės tinkle.

Išmaniajam kontraktui gali būti suteikti gebėjimai:

• Skaityti konkrečius būsenos kintamuosius blokų grandinėje.
• Transliuoti įvykius.
• Atlikti kriptografines operacijas.
• Kviesti kitus iš anksto patvirtintus išmaniuosius kontraktus.

Bet koks bandymas pasiekti neleistinus išteklius būtų užblokuotas vykdymo aplinkos, kuri užtikrina šiuos ribotus gebėjimus.

Iššūkiai ir ateities kryptys

Nors WASI gebėjimų suteikimo sistema yra galinga, yra nuolatinių iššūkių ir plėtros sričių:

• Standartizacija ir sąveikumas: Užtikrinti, kad gebėjimų suteikimo mechanizmai būtų nuosekliai įgyvendinami skirtingose Wasm vykdymo aplinkose ir pagrindinėse sistemose, yra labai svarbu tikram perkeliamumui.
• Kūrėjo patirtis: Palengvinti kūrėjams suprasti, apibrėžti ir valdyti gebėjimus, kurių reikalauja jų moduliai. Reikia įrankių ir abstrakcijų, kad šis procesas būtų supaprastintas.
• Dinaminis gebėjimų valdymas: Sudėtingesniems scenarijams gali būti naudinga ištirti dinaminio gebėjimų atšaukimo ar modifikavimo mechanizmus vykdymo metu.
• Išteklių ribojimas: Nors gebėjimai kontroliuoja, ką galima pasiekti, išteklių ribojimų (CPU, atminties, tinklo pralaidumo) užtikrinimas taip pat yra labai svarbus siekiant užkirsti kelią DoS atakoms. Tai dažnai sprendžiama kartu su gebėjimų suteikimu.

WASI darbo grupė aktyviai sprendžia šiuos iššūkius, nuolat tobulindama WASI specifikacijas ir susijusias sąsajas.

Saugaus „WebAssembly“ vykdymo pasaulinis poveikis

WASI gebėjimų suteikimo sistema turi didelės reikšmės pasaulinei programinės įrangos ekosistemai:

• Saugaus skaičiavimo demokratizavimas: Ji sumažina patekimo į rinką barjerą kuriant ir diegiant saugias programas, padarant pažangias saugumo paradigmas prieinamas platesniam kūrėjų ir organizacijų ratui visame pasaulyje.
• Inovacijų skatinimas: Suteikdama saugią aplinką įvairiam kodui vykdyti, ji skatina eksperimentavimą ir inovacijas įvairiose pramonės šakose, nuo finansų ir sveikatos apsaugos iki pramogų ir logistikos.
• Naujų architektūrų įgalinimas: Ji atveria kelią naujoms programų architektūroms, tokioms kaip labai paskirstytos sistemos, federacinis mokymasis ir saugus daugiapartinis skaičiavimas, kur komponentai turi bendrauti ir veikti saugiai be numanomo pasitikėjimo.
• Reguliavimo atitikties sprendimas: Organizacijoms, veikiančioms pagal griežtus duomenų privatumo reglamentus (pvz., GDPR ar CCPA), smulki kontrolė, kurią siūlo gebėjimų suteikimas, gali būti labai svarbi siekiant įrodyti atitiktį ir apsaugoti jautrius duomenis.

Universali platforma patikimam kodui

„WebAssembly“, sustiprintas WASI ir jo gebėjimų suteikimo sistema, greitai tampa universalia platforma patikimam kodui vykdyti. Ji užpildo atotrūkį tarp aukšto lygio programavimo kalbų ir žemo lygio sistemos išteklių, visą laiką išlaikydama tvirtą saugumo poziciją.

Nesvarbu, ar kuriate naujos kartos debesų paslaugas, diegiate programas krašto įrenginiuose, ar sauginate blokų grandinės infrastruktūrą, WASI gebėjimų suteikimo sistemos supratimas ir naudojimas taps vis svarbesnis. Tai yra reikšmingas žingsnis į priekį kuriant saugesnę, perkeliamą ir sąveikią skaičiavimo ateitį visiems ir visur.

Išvada

WASI gebėjimų suteikimo sistema yra „WebAssembly“ evoliucijos į tikrai universalią vykdymo aplinką kertinis akmuo. Pereinant nuo plačių leidimų prie aiškių, nesuklastojamų ir mažiausių privilegijų gebėjimų, ji sprendžia kritines saugumo problemas, kylančias, kai „WebAssembly“ išeina už naršyklės ribų. Šis tvirtas leidimų modelis atveria naujas galimybes vykdyti nepatikimą ar sudėtingą kodą įvairiose aplinkose, nuo jautrių debesų diegimų iki decentralizuotų blokų grandinės tinklų. WASI toliau bręstant, gebėjimų suteikimo sistema neabejotinai vaidins vis didesnį vaidmenį formuojant saugaus ir perkeliamo programinės įrangos vykdymo ateitį pasauliniu mastu.