Išsamus WebAssembly lentelių tipo apribojimų tyrimas, daugiausia dėmesio skiriant funkcijos lentelės tipo saugumui, jo svarbai, įgyvendinimui ir naudos saugiam bei efektyviam kodo vykdymui.
WebAssembly lentelių tipo apribojimai: funkcijos lentelės tipo saugumo užtikrinimas
WebAssembly (Wasm) tapo pagrindine technologija kuriant didelio našumo, perkeliamas ir saugias programas įvairiose platformose. Pagrindinis WebAssembly architektūros komponentas yra lentelė, dinamiškai keičiamo dydžio externref arba funcref elementų masyvas. Tipo saugumo užtikrinimas šiose lentelėse, ypač funkcijų lentelėse, yra itin svarbus norint išlaikyti WebAssembly modulių vientisumą ir saugumą. Šis tinklaraščio įrašas nagrinėja WebAssembly lentelių tipo apribojimus, ypač dėmesį skirdamas funkcijos lentelės tipo saugumui, jo reikšmei, įgyvendinimo detalėms ir pranašumams.
WebAssembly lentelių supratimas
WebAssembly lentelės iš esmės yra dinaminiai masyvai, kuriuose gali būti saugomos nuorodos į funkcijas arba išorines (neskaidrias) reikšmes. Tai yra pagrindinis mechanizmas, leidžiantis atlikti dinaminį paskirstymą ir palengvinti sąveiką tarp WebAssembly modulių ir jų pagrindinių aplinkų. Yra du pagrindiniai lentelių tipai:
- Funkcijų lentelės (funcref): šios lentelės saugo nuorodas į WebAssembly funkcijas. Jos naudojamos įgyvendinant dinaminius funkcijų iškvietimus, kai funkcija, kurią reikia iškviesti, nustatoma vykdymo metu.
- Išorinės nuorodos lentelės (externref): šios lentelės saugo neskaidrias nuorodas į objektus, kuriuos valdo pagrindinė aplinka (pvz., „JavaScript“ objektai žiniatinklio naršyklėje). Jie leidžia „WebAssembly“ moduliams sąveikauti su pagrindinėmis API ir išoriniais duomenimis.
Lentelės apibrėžiamos su tipu ir dydžiu. Tipas nurodo, kokio tipo elementas gali būti saugomas lentelėje (pvz., funcref arba externref). Dydis nurodo pradinį ir maksimalų elementų, kuriuos lentelė gali talpinti, skaičių. Dydis gali būti fiksuotas arba keičiamas. Pavyzdžiui, lentelės apibrėžimas gali atrodyti taip (WAT, WebAssembly teksto formatu):
(table $my_table (ref func) (i32.const 10) (i32.const 20))
Šis pavyzdys apibrėžia lentelę pavadinimu $my_table, kurioje saugomos funkcijų nuorodos (ref func), kurios pradinis dydis yra 10, o maksimalus – 20. Lentelė gali didėti iki maksimalaus dydžio, neleidžiant prieigai už ribų ir išteklių išeikvojimui.
Funkcijų lentelės tipo saugumo svarba
Funkcijų lentelės atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį įgalinant dinaminius funkcijų iškvietimus WebAssembly. Tačiau be tinkamų tipo apribojimų, jie gali tapti saugumo pažeidžiamumo šaltiniu. Apsvarstykite scenarijų, kai WebAssembly modulis dinamiškai iškviečia funkciją, remdamasis indeksu funkcijos lentelėje. Jei to indekso lentelės įraše nėra funkcijos su numatytu parašu (t. y. tinkamu parametrų ir grąžinamosios reikšmės skaičiumi ir tipais), iškvietimas gali sukelti neapibrėžtą elgesį, atminties sugadinimą ar net savavališko kodo vykdymą.
Tipo saugumas užtikrina, kad per funkcijų lentelę iškviesta funkcija turi teisingą parašą, kurio tikisi skambinantysis. Tai itin svarbu dėl kelių priežasčių:
- Saugumas: Neleidžia užpuolikams įterpti kenkėjišką kodą perrašant funkcijų lentelių įrašus su nuorodomis į funkcijas, atliekančias neteisėtus veiksmus.
- Stabilumas: Užtikrina, kad funkcijų iškvietimai yra nuspėjami ir nesukelia netikėtų avarijų ar klaidų.
- Teisingumas: Garantuoja, kad iškviečiama teisinga funkcija su teisingais argumentais, išvengiant loginių klaidų programoje.
- Našumas: Leidžia optimizuoti WebAssembly vykdymo laiką, nes jis gali pasikliauti tipo informacija, kad galėtų daryti prielaidas apie funkcijų iškvietimų elgesį.
Be lentelių tipo apribojimų, WebAssembly būtų jautrus įvairiems išpuoliams, todėl jis netinka saugumo požiūriu jautrioms programoms. Pavyzdžiui, kenkėjiškas veikėjas gali perrašyti funkcijų rodyklę lentelėje su savo kenkėjiškos funkcijos rodykle. Kai pradinė funkcija iškviečiama per lentelę, vietoj to būtų vykdoma užpuoliko funkcija, pažeidžiant sistemą. Tai panašu į funkcijų rodyklių pažeidžiamumą, matomą vietinių kodo vykdymo aplinkose, pvz., C/C++. Todėl stiprus tipo saugumas yra itin svarbus.
WebAssembly tipų sistema ir funkcijų parašai
Norint suprasti, kaip WebAssembly užtikrina funkcijos lentelės tipo saugumą, svarbu suvokti WebAssembly tipų sistemą. WebAssembly palaiko ribotą primityvių tipų rinkinį, įskaitant:
- i32: 32 bitų sveikasis skaičius
- i64: 64 bitų sveikasis skaičius
- f32: 32 bitų slankaus kablelio skaičius
- f64: 64 bitų slankaus kablelio skaičius
- v128: 128 bitų vektorius (SIMD tipas)
- funcref: nuoroda į funkciją
- externref: nuoroda į išorinę reikšmę (neskaidrią)
Funkcijos WebAssembly apibrėžiamos su konkrečiu parašu, kuris apima jų parametrų tipus ir grąžinamosios reikšmės tipą (arba be grąžinamosios reikšmės). Pavyzdžiui, funkcija, kuri priima du i32 parametrus ir grąžina i32 reikšmę, turėtų tokį parašą (WAT):
(func $add (param i32 i32) (result i32)
(i32.add (local.get 0) (local.get 1))
)
Ši funkcija, pavadinta $add, priima du 32 bitų sveikųjų skaičių parametrus ir grąžina 32 bitų sveikojo skaičiaus rezultatą. WebAssembly tipų sistema reikalauja, kad funkcijų iškvietimai atitiktų deklaruotą parašą. Jei funkcija iškviečiama su netinkamo tipo argumentais arba bando grąžinti netinkamo tipo reikšmę, WebAssembly vykdymo laikas sukels tipo klaidą ir sustabdys vykdymą. Tai neleidžia tipo klaidoms plisti ir galimai sukelti saugumo pažeidžiamumą.
Lentelių tipo apribojimai: parašų suderinamumo užtikrinimas
WebAssembly užtikrina funkcijos lentelės tipo saugumą per lentelės tipo apribojimus. Kai funkcija patalpinama į funkcijų lentelę, WebAssembly vykdymo laikas patikrina, ar funkcijos parašas yra suderinamas su lentelės elemento tipu. Šis suderinamumo patikrinimas užtikrina, kad bet kuri funkcija, iškviesta per lentelę, turės numatytą parašą, užkertant kelią tipo klaidoms ir saugumo pažeidžiamumui.
Keli mechanizmai prisideda prie šio suderinamumo užtikrinimo:
- Aiškių tipų anotacijos: WebAssembly reikalauja aiškių tipų anotacijų funkcijų parametrams ir grąžinamosioms reikšmėms. Tai leidžia vykdymo laikui statiškai patikrinti, ar funkcijų iškvietimai atitinka deklaruotus parašus.
- Funkcijų lentelės apibrėžimas: Kai sukuriama funkcijų lentelė, ji deklaruojama taip, kad joje būtų saugomos funkcijų nuorodos (
funcref) arba išorinės nuorodos (externref). Ši deklaracija apriboja reikšmių, kurias galima saugoti lentelėje, tipus. Bandant saugoti nesuderinamo tipo reikšmę, vykdant modulį bus nustatyta tipo klaida. - Netiesioginiai funkcijų iškvietimai: kai netiesioginis funkcijų iškvietimas atliekamas per funkcijų lentelę, WebAssembly vykdymo laikas patikrina, ar iškviečiamos funkcijos parašas atitinka numatytą parašą, nurodytą
call_indirectinstrukcija.call_indirectinstrukcija reikalauja tipo indekso, kuris nurodo konkretų funkcijos parašą. Vykdymo laikas palygina šį parašą su funkcijos parašu, esančiu nurodytame lentelės indekse. Jei parašai nesutampa, iškeliama tipo klaida.
Apsvarstykite šį pavyzdį (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)
)
Šiame pavyzdyje apibrėžiame funkcijos parašą $sig, kuris priima du i32 parametrus ir grąžina i32. Tada apibrėžiame funkcijų lentelę $my_table, kuri apribota saugoti funkcijų nuorodas tipo $sig. $add funkcija taip pat turi parašą $sig. elem segmentas inicijuoja lentelę su $add funkcija. $main funkcija tada iškviečia funkciją, esančią indekse 0 lentelėje, naudodama call_indirect su tipo parašu $sig. Kadangi funkcija, esanti indekse 0, turi teisingą parašą, iškvietimas galioja.
Jei bandytume įdėti funkciją su kitu parašu į lentelę arba iškviesti funkciją su kitu parašu naudojant call_indirect, WebAssembly vykdymo laikas sukeltų tipo klaidą.
Įgyvendinimo detalės WebAssembly kompiliatoriuose ir VM
WebAssembly kompiliatoriai ir virtualiosios mašinos (VM) atlieka lemiamą vaidmenį užtikrinant lentelės tipo apribojimus. Įgyvendinimo detalės gali skirtis priklausomai nuo konkretaus kompiliatoriaus ir VM, tačiau bendrieji principai išlieka tie patys:
- Statinė analizė: WebAssembly kompiliatoriai atlieka statinę kodo analizę, kad patikrintų, ar prieigos prie lentelės ir netiesioginiai iškvietimai yra tipo saugūs. Ši analizė apima argumentų, perduodamų į iškviestą funkciją, tipų patikrinimą, ar jie atitinka numatytus tipus, apibrėžtus funkcijos paraše.
- Vykdymo laiko patikrinimai: Be statinės analizės, WebAssembly VM atlieka vykdymo laiko patikrinimus, kad užtikrintų tipo saugumą vykdymo metu. Šie patikrinimai yra ypač svarbūs netiesioginiams iškvietimams, kai tikslinė funkcija nustatoma vykdymo metu pagal lentelės indeksą. Vykdymo laikas patikrina, ar funkcija nurodytame indekse turi teisingą parašą prieš vykdant iškvietimą.
- Atminties apsauga: WebAssembly VM naudoja atminties apsaugos mechanizmus, kad užkirstų kelią neteisėtai prieigai prie lentelės atminties. Tai neleidžia užpuolikams perrašyti funkcijų lentelės įrašų kenkėjišku kodu.
Pavyzdžiui, apsvarstykite V8 „JavaScript“ variklį, kuris apima „WebAssembly“ VM. V8 atlieka ir statinę analizę, ir vykdymo laiko patikrinimus, siekiant užtikrinti funkcijos lentelės tipo saugumą. Kompiliavimo metu V8 patikrina, ar visi netiesioginiai iškvietimai yra tipo saugūs. Vykdymo metu V8 atlieka papildomus patikrinimus, kad apsaugotų nuo galimų pažeidžiamumų. Panašiai kitos WebAssembly VM, pvz., „SpiderMonkey“ („Firefox“ „JavaScript“ variklis) ir „JavaScriptCore“ („Safari“ „JavaScript“ variklis), įgyvendina panašius mechanizmus tipo saugumui užtikrinti.
Lentelių tipo apribojimų privalumai
Lentelių tipo apribojimų įgyvendinimas WebAssembly suteikia daug naudos:
- Pagerintas saugumas: Neleidžia tipo pažeidžiamumui, kuris gali sukelti kodo įterpimą arba savavališką kodo vykdymą.
- Pagerintas stabilumas: Sumažina vykdymo laiko klaidų ir avarijų dėl tipo nesutapimų tikimybę.
- Padidintas našumas: Leidžia optimizuoti WebAssembly vykdymo laiką, nes jis gali pasikliauti tipo informacija, kad galėtų daryti prielaidas apie funkcijų iškvietimų elgesį.
- Supaprastintas derinimas: Palengvina su tipo susijusių klaidų nustatymą ir ištaisymą kūrimo metu.
- Didesnis perkeliamumas: Užtikrina, kad WebAssembly moduliai veiktų nuosekliai įvairiose platformose ir VM.
Šie pranašumai prisideda prie bendro WebAssembly programų patikimumo ir patikimumo, todėl tai yra tinkama platforma kuriant platų programų spektrą – nuo žiniatinklio programų iki įterptųjų sistemų.
Realaus pasaulio pavyzdžiai ir naudojimo atvejai
Lentelių tipo apribojimai yra būtini įvairioms realioms WebAssembly programoms:
- Žiniatinklio programos: WebAssembly vis dažniau naudojamas kuriant didelio našumo žiniatinklio programas, pvz., žaidimus, modeliavimą ir vaizdų apdorojimo įrankius. Lentelių tipo apribojimai užtikrina šių programų saugumą ir stabilumą, apsaugodami vartotojus nuo kenkėjiško kodo.
- Įterptosios sistemos: WebAssembly taip pat naudojamas įterptosiose sistemose, pvz., daiktų interneto įrenginiuose ir automobilių sistemose. Šiose aplinkose saugumas ir patikimumas yra svarbiausi. Lentelių tipo apribojimai padeda užtikrinti, kad WebAssembly moduliai, veikiantys šiuose įrenginiuose, nebūtų pažeisti.
- Debesų kompiuterija: WebAssembly yra tiriamas kaip smėlio dėžės technologija debesų kompiuterijos aplinkose. Lentelių tipo apribojimai suteikia saugią ir izoliuotą aplinką WebAssembly moduliams vykdyti, neleisdami jiems trukdyti kitoms programoms ar pagrindinei operacinei sistemai.
- „Blockchain“ technologija: Kai kurios „blockchain“ platformos naudoja „WebAssembly“ išmaniosios sutarties vykdymui dėl jo deterministinio pobūdžio ir saugumo funkcijų, įskaitant lentelės tipo saugumą.
Pavyzdžiui, apsvarstykite žiniatinklio vaizdų apdorojimo programą, parašytą WebAssembly. Programa gali naudoti funkcijų lenteles dinamiškai pasirinkti skirtingus vaizdų apdorojimo algoritmus, atsižvelgiant į vartotojo įvestį. Lentelių tipo apribojimai užtikrina, kad programa gali iškviesti tik galiojančias vaizdų apdorojimo funkcijas, neleisdama vykdyti kenkėjiško kodo.
Ateities kryptys ir patobulinimai
WebAssembly bendruomenė nuolat dirba, kad pagerintų WebAssembly saugumą ir našumą. Būsimos kryptys ir patobulinimai, susiję su lentelių tipo apribojimais, apima:
- Subtipų kūrimas: galimybės palaikyti subtipų kūrimą funkcijų parašams, o tai leistų lankstesnį tipo patikrinimą ir sudėtingesnius kodo modelius.
- Išraiškingesnės tipų sistemos: sudėtingesnių tipų sistemų, galinčių užfiksuoti sudėtingesnius ryšius tarp funkcijų ir duomenų, tyrimas.
- Formą patvirtinimas: formaliojo patvirtinimo metodų kūrimas, siekiant įrodyti WebAssembly modulių teisingumą ir užtikrinti, kad jie atitiktų tipo apribojimus.
Šie patobulinimai dar labiau sustiprins WebAssembly saugumą ir patikimumą, todėl tai bus dar patrauklesnė platforma kuriant didelio našumo, perkeliamas ir saugias programas.
Geriausia praktika dirbant su WebAssembly lentelėmis
Norėdami užtikrinti savo WebAssembly programų saugumą ir stabilumą, dirbdami su lentelėmis laikykitės šios geriausios praktikos:
- Visada naudokite aiškias tipo anotacijas: Aiškiai apibrėžkite funkcijų parametrų ir grąžinamosios reikšmės tipus.
- Atidžiai apibrėžkite funkcijų lentelių tipus: Įsitikinkite, kad funkcijų lentelės tipas tiksliai atspindi funkcijų, kurios bus saugomos lentelėje, parašus.
- Patvirtinkite funkcijų lenteles inicijavimo metu: Patikrinkite, ar funkcijų lentelė tinkamai inicijuota su numatytomis funkcijomis.
- Naudokite atminties apsaugos mechanizmus: Apsaugokite lentelės atmintį nuo neteisėtos prieigos.
- Būkite informuoti apie WebAssembly saugumo patarimus: Žinokite apie visus žinomus pažeidžiamumus ir nedelsdami pritaikykite pataisas.
- Naudokite statinės analizės įrankius: Naudokite įrankius, skirtus nustatyti galimas tipo klaidas ir saugumo pažeidžiamumą jūsų WebAssembly kode. Daugelis linijinių ir statinių analizatorių dabar siūlo WebAssembly palaikymą.
- Išsamus testavimas: Išsamus testavimas, įskaitant atsitiktinį testavimą, gali padėti atskleisti netikėtą elgesį, susijusį su funkcijų lentelėmis.
Laikydamiesi šios geriausios praktikos, galite sumažinti su tipu susijusių klaidų ir saugumo pažeidžiamumo riziką savo WebAssembly programose.
Išvada
WebAssembly lentelės tipo apribojimai yra būtinas mechanizmas, užtikrinantis funkcijos lentelės tipo saugumą. Užtikrindami parašo suderinamumą ir užkirsdami kelią su tipo susijusiam pažeidžiamumui, jie labai prisideda prie WebAssembly programų saugumo, stabilumo ir našumo. Kadangi WebAssembly ir toliau vystosi ir plečiasi į naujas sritis, lentelių tipo apribojimai išliks pagrindinis jo saugumo architektūros aspektas. Šių apribojimų supratimas ir naudojimas yra būtinas norint sukurti patikimas ir patikimas WebAssembly programas. Laikydamiesi geriausios praktikos ir nuolat gaudami informaciją apie naujausius WebAssembly saugumo pokyčius, kūrėjai gali išnaudoti visą WebAssembly potencialą, kartu sumažindami galimą riziką.