WebAssembly linijinės atminties segmentų apsauga: išsami atminties prieigos kontrolės analizė

WebAssembly (Wasm) tapo galinga technologija, skirta kurti didelio našumo, nešiojamas ir saugias programas, kurios gali veikti įvairiose aplinkose – nuo žiniatinklio naršyklių iki įterptinių sistemų ir serverio pusės programų. Pagrindinis WebAssembly saugumo modelio komponentas yra linijinė atmintis – ištisinis atminties blokas, prie kurio Wasm modulis gali prieiti. Šios atminties apsauga nuo neteisėtos prieigos yra gyvybiškai svarbi norint užtikrinti WebAssembly programų saugumą ir vientisumą. Šiame straipsnyje gilinamasi į WebAssembly linijinės atminties segmentų apsaugos mechanizmus, daugiausia dėmesio skiriant atminties prieigos kontrolei ir jos pasekmėms kūrėjams visame pasaulyje.

WebAssembly linijinės atminties supratimas

Prieš pradedant gilintis į atminties segmentų apsaugą, būtina suprasti WebAssembly linijinės atminties pagrindus:

• Linijinė adresų erdvė: Wasm linijinė atmintis yra vienas, ištisinis baitų blokas, adresuojamas naudojant 32 bitų arba 64 bitų (ateityje) linijinius adresus. Ši adresų erdvė yra atskirta nuo pagrindinės aplinkos atminties.
• Atminties egzemplioriai: WebAssembly modulis gali turėti vieną ar daugiau atminties egzempliorių, kurių kiekvienas atitinka atskirą linijinės atminties erdvę.
• Atminties prieiga: WebAssembly instrukcijos, kurios skaito ar rašo atmintį (pvz., `i32.load`, `i32.store`), veikia šioje linijinės atminties erdvėje.

Pagrindinis iššūkis yra užtikrinti, kad Wasm modulis prieitų tik prie tų atminties vietų, prie kurių jam leidžiama. Be tinkamos apsaugos, kenkėjiškas ar klaidingas modulis galėtų potencialiai skaityti ar rašyti į bet kurias atminties vietas, sukeldamas saugumo pažeidžiamumus ar programos gedimus.

Atminties segmentų apsaugos poreikis

Atminties segmentų apsauga WebAssembly siekia išspręsti šias kritines saugumo ir patikimumo problemas:

• Užkirsti kelią prieigai už ribų: Užtikrinti, kad Wasm modulis negalėtų skaityti ar rašyti atminties už jam skirtos atminties erdvės ribų. Tai yra pagrindinis atminties saugos reikalavimas.
• Modulių izoliavimas: Kai vienoje aplinkoje veikia keli Wasm moduliai (pvz., tinklalapyje su keliais Wasm komponentais arba Wasm pagrįstoje operacinėje sistemoje), atminties apsauga neleidžia vienam moduliui paveikti kito modulio atminties.
• Pagrindinės aplinkos apsauga: Wasm atminties apsauga turi neleisti Wasm moduliui prieiti prie pagrindinės aplinkos (pvz., naršyklės ar operacinės sistemos) atminties ar jos keisti. Tai užtikrina, kad pagrindinė sistema išliktų saugi ir stabili.
• Su atmintimi susijusių atakų mažinimas: Atminties apsaugos mechanizmai gali padėti sušvelninti įprastas su atmintimi susijusias atakas, tokias kaip buferio perpildymai, krūvos perpildymai ir „use-after-free“ pažeidžiamumai.

WebAssembly atminties prieigos kontrolės mechanizmai

WebAssembly naudoja kelis mechanizmus, kad įgyvendintų atminties prieigos kontrolę ir užtikrintų segmentų apsaugą:

1. Ribų tikrinimas

WebAssembly vykdymo aplinkos atlieka ribų tikrinimą kiekvienai atminties prieigos instrukcijai. Prieš skaitant ar rašant atmintį, vykdymo aplinka patikrina, ar efektyvus atminties adresas yra skiriamos linijinės atminties ribose. Jei adresas yra už ribų, vykdymo aplinka sukelia spąstus (vykdymo laiko klaidą), kad būtų išvengta prieigos.

Pavyzdys: Tarkime, Wasm modulis turi 64 KB (65536 baitų) atminties egzempliorių. Jei modulis bando rašyti į atminties vietą 65537 naudodamas `i32.store` instrukciją, vykdymo aplinka nustatys, kad šis adresas yra už ribų, ir sukels spąstus, neleisdama įvykti rašymui.

Ribų tikrinimas yra pagrindinis ir esminis WebAssembly atminties saugos mechanizmas. Konceptualiai jis panašus į ribų tikrinimą kitose kalbose, pavyzdžiui, „Java“ ar „Rust“, tačiau jį vykdo WebAssembly vykdymo aplinka, todėl jį sunkiau apeiti.

2. Atminties dydžio ribos

WebAssembly leidžia kūrėjams nurodyti minimalų ir maksimalų linijinės atminties egzempliorių dydį. Minimalus dydis yra pradinis skirtos atminties kiekis, o maksimalus dydis yra viršutinė riba, iki kurios atmintis gali būti padidinta. `memory.grow` instrukcija leidžia Wasm moduliui prašyti daugiau atminties iki maksimalios ribos.

Pavyzdys: Wasm modulis gali būti apibrėžtas su minimaliu atminties dydžiu 1 puslapis (64 KB) ir maksimaliu atminties dydžiu 16 puslapių (1 MB). Tai riboja atminties kiekį, kurį modulis gali sunaudoti, ir neleidžia jam potencialiai išeikvoti sistemos išteklių.

Nustatydami tinkamas atminties dydžio ribas, kūrėjai gali apriboti WebAssembly modulių išteklių naudojimą ir neleisti jiems sunaudoti per daug atminties, o tai ypač svarbu aplinkose su ribotais ištekliais, tokiose kaip įterptinės sistemos ar mobilieji įrenginiai.

3. Atminties segmentai ir inicializavimas

WebAssembly suteikia mechanizmą linijinei atminčiai inicializuoti duomenimis iš modulio duomenų segmentų. Duomenų segmentai yra apibrėžti Wasm modulyje ir juose yra statinių duomenų, kuriuos galima nukopijuoti į linijinę atmintį instancijavimo metu arba vėliau naudojant `memory.init` instrukciją.

Pavyzdys: Duomenų segmente gali būti iš anksto apskaičiuotų paieškos lentelių, eilutės literalų ar kitų tik skaitomų duomenų. Modulio instancijavimo metu duomenys iš segmento nukopijuojami į linijinę atmintį nurodytu poslinkiu. Vykdymo aplinka užtikrina, kad kopijavimo operacija neviršytų atminties ribų.

Atminties segmentai suteikia būdą inicializuoti atmintį žinomais, saugiais duomenimis, mažinant pažeidžiamumų atsiradimo riziką dėl neinicijuotos atminties. `memory.init` instrukcija papildomai leidžia kontroliuotai ir patikrintai inicializuoti atminties regionus vykdymo metu.

4. Kryžminės kilmės izoliacija (žiniatinklio naršyklėms)

Žiniatinklio naršyklėse WebAssembly moduliams taikoma tos pačios kilmės politika. Tačiau siekiant dar labiau padidinti saugumą, naršyklės vis dažniau taiko kryžminės kilmės izoliacijos (COI) funkcijas. COI izoliuoja tinklalapį nuo kitų kilmių, užkertant kelią kryžminės kilmės prieigai prie jo atminties.

Pavyzdys: Tinklalapis, pateiktas iš `example.com`, kuris įgalino COI, bus izoliuotas nuo kitų kilmių, tokių kaip `evil.com`. Tai neleidžia `evil.com` naudoti tokių metodų kaip „Spectre“ ar „Meltdown“, kad nuskaitytų duomenis iš `example.com` puslapio WebAssembly atminties.

Kryžminės kilmės izoliacija reikalauja, kad žiniatinklio serveris siųstų specifines HTTP antraštes (pvz., `Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin`, `Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp`), kad įgalintų izoliaciją. Įgalinus COI, WebAssembly linijinė atmintis yra dar labiau apsaugota nuo kryžminės kilmės atakų, o tai žymiai pagerina saugumą žiniatinklio aplinkose. Tai daro spekuliatyvaus vykdymo pažeidžiamumų išnaudojimą žymiai sudėtingesnį.

5. Smėlio dėžės aplinka

WebAssembly yra sukurta veikti smėlio dėžės aplinkoje. Tai reiškia, kad Wasm modulis negali tiesiogiai pasiekti sistemos išteklių, tokių kaip failų sistema, tinklas ar aparatinė įranga. Vietoj to, modulis turi sąveikauti su pagrindine aplinka per gerai apibrėžtą importavimo funkcijų rinkinį.

Pavyzdys: Wasm modulis, kuriam reikia perskaityti failą, negali tiesiogiai pasiekti failų sistemos. Vietoj to, jis turi iškviesti importavimo funkciją, kurią teikia pagrindinė aplinka. Tuomet pagrindinė aplinka tarpininkauja failų prieigai, vykdydama saugumo politikas ir prieigos kontrolę.

Smėlio dėžės aplinka riboja potencialią žalą, kurią gali padaryti kenkėjiškas Wasm modulis. Apribojus prieigą prie sistemos išteklių, smėlio dėžė sumažina atakos plotą ir neleidžia moduliui pažeisti pagrindinės sistemos.

6. Smulkiagrūdė atminties prieigos kontrolė (ateities kryptys)

Nors aukščiau aprašyti mechanizmai suteikia tvirtą pagrindą atminties apsaugai, tęsiami tyrimai siekiant ištirti smulkesnės atminties prieigos kontrolės metodus. Šie metodai potencialiai leistų kūrėjams nurodyti detalesnius leidimus skirtingiems atminties regionams, dar labiau padidinant saugumą ir lankstumą.

Potencialios ateities funkcijos:

• Atminties galimybės: Galimybės yra nepaklastojami žetonai, suteikiantys konkrečias prieigos teises į atminties regioną. Wasm moduliui reikėtų galiojančios galimybės, kad galėtų pasiekti tam tikrą atminties regioną.
• Atminties žymėjimas: Atminties žymėjimas apima metaduomenų susiejimą su atminties regionais, siekiant nurodyti jų paskirtį ar saugumo lygį. Vykdymo aplinka gali naudoti šiuos metaduomenis prieigos kontrolės politikai vykdyti.
• Aparatinės įrangos palaikoma atminties apsauga: Naudojant aparatinės įrangos funkcijas, tokias kaip „Intel“ atminties apsaugos plėtiniai (MPX) arba ARM atminties žymėjimo plėtinys (MTE), siekiant užtikrinti aparatinės įrangos lygio atminties apsaugą.

Šie pažangūs metodai vis dar yra tyrimų ir kūrimo etape, tačiau jie žada dar labiau sustiprinti WebAssembly atminties saugumo modelį.

WebAssembly atminties apsaugos privalumai

WebAssembly atminties apsaugos mechanizmai suteikia daug privalumų:

• Padidintas saugumas: Atminties apsauga neleidžia neteisėtai prieiti prie atminties, mažindama saugumo pažeidžiamumų ir atakų riziką.
• Pagerintas patikimumas: Užkirsdama kelią prieigai už ribų ir atminties sugadinimui, atminties apsauga pagerina WebAssembly programų patikimumą ir stabilumą.
• Suderinamumas tarp platformų: WebAssembly atminties apsaugos mechanizmai yra įgyvendinti vykdymo aplinkoje, užtikrinant nuoseklų elgesį skirtingose platformose ir architektūrose.
• Našumas: Nors ribų tikrinimas sukelia tam tikrą pridėtinę naštą, WebAssembly vykdymo aplinkos yra optimizuotos, kad našumo poveikis būtų kuo mažesnis. Daugeliu atvejų našumo kaina yra nereikšminga, palyginti su atminties apsaugos teikiamais privalumais.
• Izoliacija: Užtikrina, kad skirtingi Wasm moduliai ir pagrindinė aplinka būtų izoliuoti vienas nuo kito atminties erdvių, padidinant kelių modulių ar kelių nuomininkų aplinkų saugumą.

Pasekmės kūrėjams

WebAssembly atminties apsaugos mechanizmai turi keletą pasekmių kūrėjams:

• Rašykite saugų kodą: Kūrėjai turėtų stengtis rašyti saugų kodą, kuris vengtų su atmintimi susijusių klaidų, tokių kaip buferio perpildymai, „use-after-free“ pažeidžiamumai ir prieiga už ribų. Naudojant atminties saugos kalbas, tokias kaip „Rust“, galima išvengti šių klaidų.
• Supraskite atminties ribas: Būkite informuoti apie WebAssembly moduliams taikomas atminties ribas ir kurkite programas, kurios veiktų šiose ribose. Atsakingai naudokite `memory.grow` ir venkite per didelio atminties paskirstymo.
• Išnaudokite atminties segmentus: Naudokite atminties segmentus, kad inicializuotumėte atmintį žinomais, saugiais duomenimis ir sumažintumėte pažeidžiamumų atsiradimo riziką dėl neinicijuotos atminties.
• Apsvarstykite kryžminės kilmės izoliaciją: Jei kuriate WebAssembly programas žiniatinklio naršyklėms, apsvarstykite galimybę įgalinti kryžminės kilmės izoliaciją, kad dar labiau padidintumėte saugumą.
• Kruopščiai testuokite: Kruopščiai testuokite WebAssembly programas, kad nustatytumėte ir ištaisytumėte su atmintimi susijusias klaidas. Apsvarstykite galimybę naudoti įrankius, tokius kaip atminties tikrinimo įrankiai, kad aptiktumėte atminties nutekėjimus, „use-after-free“ pažeidžiamumus ir kitas atminties klaidas.
• Būkite atidūs su importavimu: Naudodami importavimo funkcijas, atidžiai apsvarstykite saugumo pasekmes. Užtikrinkite, kad importavimo funkcijos būtų patikimos ir saugiai tvarkytų prieigą prie atminties. Patikrinkite visus duomenis, gautus iš importavimo funkcijų, kad išvengtumėte pažeidžiamumų, tokių kaip injekcijos atakos.

Realaus pasaulio pavyzdžiai ir atvejo analizės

Štai keletas realaus pasaulio pavyzdžių ir atvejo analizių, iliustruojančių WebAssembly atminties apsaugos svarbą:

• Žiniatinklio naršyklės: Žiniatinklio naršyklės labai priklauso nuo WebAssembly atminties apsaugos mechanizmų, kad izoliuotų WebAssembly modulius vieną nuo kito ir nuo pačios naršyklės. Tai neleidžia kenkėjiškam WebAssembly kodui pakenkti naršyklei ar pavogti vartotojo duomenų.
• Debesų kompiuterija: Debesų kompiuterijos platformos vis dažniau naudoja WebAssembly, kad vykdytų vartotojų pateiktą kodą saugioje ir izoliuotoje aplinkoje. Atminties apsauga yra būtina, norint neleisti nuomininkams trukdyti vienas kito darbo krūviams ar pasiekti jautrių duomenų.
• Įterptinės sistemos: WebAssembly naudojama įterptinėse sistemose, siekiant vykdyti sudėtingas programas įrenginiuose su ribotais ištekliais. Atminties apsauga yra gyvybiškai svarbi siekiant išvengti atminties sugadinimo ir užtikrinti šių sistemų stabilumą bei patikimumą.
• Blokų grandinė: Kai kurios blokų grandinių platformos naudoja WebAssembly išmaniesiems kontraktams vykdyti. Atminties apsauga yra būtina, norint neleisti kenkėjiškiems kontraktams manipuliuoti blokų grandinės būsena ar vogti lėšų. Pavyzdžiui, „Polkadot“ blokų grandinė naudoja Wasm savo išmaniesiems kontraktams, pasikliaudama jos būdingomis saugumo savybėmis.
• Žaidimų kūrimas: WebAssembly naudojama žaidimų kūrimui, leidžiant žaidimams veikti žiniatinklio naršyklėse su beveik natyviu našumu. Atminties apsauga neleidžia kenkėjiškam žaidimo kodui išnaudoti pažeidžiamumų naršyklėje ar operacinėje sistemoje.

Išvada

WebAssembly linijinės atminties segmentų apsaugos mechanizmai yra esminis jos saugumo modelio komponentas. Įgyvendindamas atminties prieigos kontrolę, WebAssembly padeda išvengti neteisėtos prieigos prie atminties, sumažinti saugumo pažeidžiamumų riziką ir pagerinti programų patikimumą bei stabilumą. WebAssembly toliau tobulėjant, nuolatiniai tyrimai ir plėtros pastangos yra sutelktos į tolesnį jos atminties saugumo modelio stiprinimą ir kūrėjams suteikiant smulkesnę atminties prieigos kontrolę.

Kūrėjai turėtų suprasti atminties apsaugos svarbą ir stengtis rašyti saugų kodą, kuris vengtų su atmintimi susijusių klaidų. Laikydamiesi geriausių praktikų ir naudodamiesi esamais atminties apsaugos mechanizmais, kūrėjai gali kurti saugias ir patikimas WebAssembly programas, kurios gali veikti įvairiose aplinkose. WebAssembly vis plačiau pritaikant įvairiose pramonės šakose ir platformose, jos tvirtas atminties saugumo modelis ir toliau bus pagrindinis jos sėkmės veiksnys.

Be to, nuolatinis naujų WebAssembly funkcijų, susijusių su atminties valdymu ir saugumu (tokių kaip atminties žymėjimas ir aparatinės įrangos palaikoma atminties apsauga), kūrimas ir standartizavimas yra labai svarbūs sprendžiant kylančius saugumo iššūkius ir užtikrinant, kad WebAssembly išliktų saugi ir patikima platforma kuriant naujos kartos programas.

Galiausiai, daugiasluoksnis požiūris į saugumą, derinant WebAssembly būdingas savybes su geriausiomis programinės įrangos kūrimo ir diegimo praktikomis, yra būtinas norint realizuoti visą šios transformuojančios technologijos potencialą.