WebAssembly WASI failų sistema: išsami virtualios failų sistemos įgyvendinimo analizė

WebAssembly (Wasm) pakeitė programų kūrimo pasaulį, pasiūlydamas perkeliamą, efektyvią ir saugią vykdymo aplinką. Tačiau WebAssembly, pagal dizainą, yra izoliuotas ir neturi tiesioginės prieigos prie sistemos išteklių. Čia į pagalbą ateina WebAssembly sistemos sąsaja (WASI). WASI suteikia standartizuotą sąsają WebAssembly moduliams bendrauti su operacine sistema, o svarbi WASI dalis yra jos virtualios failų sistemos įgyvendinimas.

Kas yra WASI?

WASI (WebAssembly System Interface) yra modulinė sistemos sąsaja WebAssembly. Jos tikslas – suteikti saugų ir perkeliamą būdą WebAssembly moduliams pasiekti operacinės sistemos išteklius, tokius kaip failų sistema, tinklas ir laikrodis. Tradiciniai WebAssembly vykdymo metodai ne naršyklėse priklausė nuo naršyklės specifinių API arba specifinių platformų jungčių. WASI tai standartizuoja, leidžiant WebAssembly moduliams veikti įvairiose aplinkose, nuo įterptųjų sistemų iki debesų serverių, be persikompiliavimo.

Reikalingumas virtualios failų sistemos

Tiesioginė prieiga prie pagrindinės failų sistemos keltų didelę riziką saugumui. Piktavališkas ar pažeistas WebAssembly modulis galėtų perskaityti, rašyti ar ištrinti neskelbtiną informaciją. Siekiant sumažinti šią riziką, WASI įgyvendina virtualią failų sistemą. Ši virtuali failų sistema veikia kaip tarpinė grandis tarp WebAssembly modulio ir pagrindinės failų sistemos. Ji leidžia WebAssembly moduliui sąveikauti su failais ir katalogais kontroliuojamu ir saugiu būdu.

Pagrindiniai virtualios failų sistemos privalumai:

• Saugumas: Virtuali failų sistema apriboja WebAssembly modulio prieigą tik prie tų katalogų ir failų, kuriuos aiškiai suteikė pagrindinė aplinka. Šis smėlio dėžės (sandboxing) mechanizmas apsaugo nuo neleistinos prieigos prie neskelbtinos informacijos.
• Perkeliamumas: WebAssembly modulis sąveikauja su nuoseklia virtualios failų sistemos sąsaja, nepriklausomai nuo pagrindinės operacinės sistemos. Tai užtikrina, kad modulis veiktų nuspėjamai skirtingose platformose.
• Pakartojamumas: Kontroliuojant virtualios failų sistemos turinį ir struktūrą, pagrindinė aplinka gali užtikrinti WebAssembly modulio veikimo pakartojamumą. Tai svarbu programoms, kurioms reikalingas deterministinis elgesys.
• Testuojamumas: Virtuali failų sistema leidžia kūrėjams lengvai sukurti izoliuotas testavimo aplinkas WebAssembly moduliams. Tai supaprastina kodo teisingumo ir patikimumo tikrinimo procesą.

Kaip veikia WASI failų sistema

WASI failų sistema suteikia POSIX panašią API (pvz., `open`, `read`, `write`, `mkdir`, `rmdir`) WebAssembly moduliams. Tačiau šie API kvietimai nėra tiesiogiai susieti su pagrindinės operacinės sistemos failų sistema. Vietoj to, juos tarpininkauja WASI vykdymo aplinka (runtime), kuri virtualios failų sistemos operacijas paverčia tinkamais veiksmais pagrindinėje failų sistemoje, atsižvelgiant į nustatytus prieigos apribojimus.

Pagrindiniai komponentai:

• Failų deskriptoriai: WASI naudoja failų deskriptorius atstovauti atidarytus failus ir katalogus. Šie failų deskriptoriai yra nepermatomi sveikieji skaičiai, kuriuos valdo WASI vykdymo aplinka. WebAssembly modulis sąveikauja su failais ir katalogais per šiuos failų deskriptorius.
• Iš anksto atidaryti katalogai: Pagrindinė aplinka gali iš anksto atidaryti katalogus ir suteikti jiems failų deskriptorius. Šie iš anksto atidaryti katalogai tarnauja kaip WebAssembly modulio failų sistemos prieigos šakniniai katalogai. Tada WebAssembly modulis gali naršyti šiuose iš anksto atidarytuose kataloguose, kad pasiektų failus ir subkatalogus.
• Galimybės (Capabilities): WASI naudoja galimybių pagrįstą saugumo modelį. Kai katalogas yra iš anksto atidarytas, pagrindinė aplinka gali suteikti konkrečias galimybes WebAssembly moduliui, tokias kaip skaitymo prieiga, rašymo prieiga arba galimybė kurti naujus failus ir katalogus.
• Kelio rezoliucija: Kai WebAssembly modulis bando pasiekti failą ar katalogą naudodamas kelią, WASI vykdymo aplinka išsprendžia kelią, atsižvelgdama į iš anksto atidarytus katalogus. Šis procesas apima su kiekvienu keliu susijusių galimybių patikrinimą, siekiant užtikrinti, kad WebAssembly modulis turi reikiamus leidimus.

Pavyzdys: failo pasiekimas WASI

Tarkime, pagrindinė aplinka iš anksto atidaro katalogą `/data` ir suteikia jam failų deskriptorių 3. Tada WebAssembly modulis gali atidaryti failą `input.txt` `/data` kataloge naudodamas šį kodą (pseudokodas):

            
file_descriptor = wasi_open(3, "input.txt", ...);

            

              
                Copy
              
            
          

Funkcija `wasi_open` priima iš anksto atidaryto katalogo failų deskriptorių (3) ir santykinį failo kelią (`input.txt`) kaip argumentus. WASI vykdymo aplinka patikrins, ar WebAssembly modulis turi reikiamus leidimus atidaryti failą. Jei leidimai suteikti, WASI vykdymo aplinka grąžins naują failų deskriptorių, atstovaujantį atidarytą failą.

Realaus pasaulio pritaikymai

• Serverless Computing: WASI can be used to run WebAssembly functions in serverless environments. The virtual filesystem allows these functions to access data and configuration files securely and efficiently.
• Edge Computing: WASI is well-suited for edge computing scenarios, where applications need to run on resource-constrained devices. The WASI filesystem provides a lightweight and portable way to manage data and configuration on these devices. For example, industrial sensors could use WASI to process data locally before sending it to the cloud.
• Embedded Systems: WASI can be used to develop applications for embedded systems, such as microcontrollers and IoT devices. The virtual filesystem allows these applications to access hardware resources and communicate with other devices in a controlled manner.
• Command-Line Tools: WASI makes it possible to build portable command-line tools that can run on any operating system. For instance, a developer could create a WASI-based image processing tool that works seamlessly on Linux, macOS, and Windows.
• Database Systems: Several database systems are experimenting with WASI to enable running database logic (e.g., stored procedures or user-defined functions) in a safe and portable manner inside WebAssembly runtimes. This allows greater isolation and security, preventing rogue code from directly affecting the database server.

Saugumo aspektai

Nors WASI suteikia reikšmingą saugumo pagerėjimą, palyginti su tiesiogine prieiga prie pagrindinės failų sistemos, būtina suprasti susijusius saugumo aspektus. WASI failų sistemos saugumas priklauso nuo tinkamo WASI vykdymo aplinkos įgyvendinimo ir kruopštaus pagrindinės aplinkos konfigūravimo.

Galimi saugumo rizikos veiksniai:

• Klaidos WASI vykdymo aplinkoje: Klaidos WASI vykdymo aplinkoje gali leisti WebAssembly moduliams apeiti saugumo apribojimus ir gauti neleistiną prieigą prie pagrindinės failų sistemos.
• Netinkamas iš anksto atidarytų katalogų konfigūravimas: Jei pagrindinė aplinka netinkamai sukonfigūruoja iš anksto atidarytus katalogus arba suteikia WebAssembly moduliui per dideles galimybes, tai gali atskleisti neskelbtiną informaciją ar funkcionalumą.
• Tiekimo grandinės atakos: Jei WebAssembly modulis priklauso nuo nepatikimų trečiųjų šalių bibliotekų, jis gali būti pažeidžiamas tiekimo grandinės atakų. Pažeista biblioteka gali gauti prieigą prie virtualios failų sistemos ir pavogti neskelbtiną informaciją.
• DDoS atakos (paslaugos trikdymo atakos): Piktavališkas WebAssembly modulis gali paleisti DDoS atakas, sunaudodamas per daug išteklių, tokių kaip procesoriaus laikas ar atmintis.

Saugumo geriausios praktikos:

• Naudokite patikimą WASI vykdymo aplinką: Pasirinkite WASI vykdymo aplinką, kuri yra aktyviai prižiūrima ir turi gerą saugumo istoriją.
• Kruopščiai konfigūruokite iš anksto atidarytus katalogus: Suteikite WebAssembly moduliui tik reikiamas galimybes. Venkite iš anksto atidaryti katalogus, kuriuose yra neskelbtinos informacijos.
• Naudokite statinę analizę ir fuzzingą: Naudokite statinės analizės ir fuzzingo įrankius, kad nustatytumėte galimas WebAssembly modulio ir WASI vykdymo aplinkos saugumo spragas.
• Stebėkite išteklių naudojimą: Stebėkite WebAssembly modulio išteklių naudojimą, kad aptiktumėte galimas DDoS atakas.
• Įgyvendinkite smėlio dėžės (sandboxing) metodus: Naudokite papildomus smėlio dėžės metodus, tokius kaip `seccomp`, siekdami dar labiau apriboti WebAssembly modulio prieigą prie sistemos išteklių.
• Reguliariai atlikite saugumo auditus: Reguliariai atlikite WASI vykdymo aplinkos ir WebAssembly modulių saugumo auditus, kad nustatytumėte ir pašalintumėte galimas spragas.

WASI failų sistemų ateitis

• Standartizuotas virtualios failų sistemos formatas: Standartizuoto virtualių failų sistemų formatų apibrėžimas galėtų palengvinti WASI pagrįstų programų bendrinimą ir platinimą. Tai galėtų apimti konteinerio tipo formatą, naudojant jį WebAssembly moduliui ir susijusiai virtualiai failų sistemai supakuoti.
• Pagerintas našumas: WASI vykdymo aplinkos ir virtualios failų sistemos įgyvendinimo našumo optimizavimas yra labai svarbus aukštos kokybės programoms. Tai galėtų apimti tokius metodus kaip talpyklų (caching) naudojimas ir asinchroninė I/O.
• Patobulintas saugumas: WASI failų sistemos saugumo stiprinimas yra nuolatinis darbas. Tai galėtų apimti smulkesnių prieigos kontrolės mechanizmų įgyvendinimą ir WASI vykdymo aplinkos patikimumo gerinimą.
• Integracija su debesų paslaugomis: WASI failų sistemos integracija su debesų saugyklomis galėtų leisti WebAssembly moduliams saugiai ir perkeliamai pasiekti debesyse saugomus duomenis.
• Naujų failų sistemos funkcijų palaikymas: Naujų failų sistemos funkcijų, tokių kaip simbolinės ir kietosios nuorodos, palaikymo pridėjimas galėtų išplėsti WASI failų sistemos galimybes ir leisti plačiau pritaikyti programas.

Pasauliniai pavyzdžiai

WASI ir jos virtuali failų sistema pasaulyje įgauna pagreitį. Štai keletas pavyzdžių, kaip WASI naudojama skirtinguose regionuose:

• Europa: Keletas Europos mokslinių tyrimų institucijų tiria WASI naudojimą saugiam ir perkeliamam mokslinių simuliacijų vykdymui. WASI failų sistema leidžia šioms simuliacijoms kontroliuojamu būdu pasiekti duomenis ir konfigūracijos failus, užtikrinant pakartojamumą ir saugumą.
• Šiaurės Amerika: Didieji Šiaurės Amerikos debesų paslaugų teikėjai siūlo WASI pagrįstas serverless kompiuterijos platformas. Šios platformos leidžia kūrėjams vykdyti WebAssembly funkcijas debesyje be poreikio valdyti pagrindinę infrastruktūrą. WASI failų sistema suteikia saugų ir efektyvų būdą pasiekti duomenis ir konfigūracijos failus.
• Azija: Azijos įmonės naudoja WASI kurdamos įterptąsias sistemas ir daiktų interneto (IoT) įrenginius. WASI failų sistema suteikia lengvą ir perkeliamą būdą valdyti duomenis ir konfigūraciją šiuose įrenginiuose.
• Afrika: Afrikos kūrėjai tiria WASI naudojimą kuriant „offline-first“ žiniatinklio programas. WASI failų sistema leidžia šioms programoms saugoti duomenis lokaliai ir sinchronizuoti juos su debesiu, kai yra tinklo ryšys.
• Pietų Amerika: Pietų Amerikos universitetai įtraukia WASI į savo informatikos mokymo programas. Tai padeda apmokyti kitos kartos kūrėjus naudoti WebAssembly ir WASI.

Praktiniai patarimai kūrėjams

Jei esate kūrėjas, besidomintis WASI ir jos virtualios failų sistemos naudojimu, štai keletas praktinių patarimų:

• Pradėkite nuo paprastų pavyzdžių: Pradėkite eksperimentuodami su paprastais pavyzdžiais, kad suprastumėte WASI ir WASI failų sistemos pagrindus. Internetuose yra daug mokymo programų ir pavyzdžių.
• Naudokite WASI SDK: Naudokite WASI SDK (Software Development Kit), kad supaprastintumėte WebAssembly modulių kūrimą WASI. Šie SDK teikia įrankius ir bibliotekas, kurios palengvina jūsų kodo kompiliavimą ir susiejimą.
• Pasirinkite tinkamą programavimo kalbą: WASI palaiko įvairias programavimo kalbas, įskaitant C, C++, Rust ir Go. Pasirinkite projektui tinkamiausią programavimo kalbą.
• Išsamiai testuokite: Išsamiai testuokite savo WebAssembly modulius, kad įsitikintumėte, jog jie yra saugūs ir patikimi. Naudokite fuzzing ir statinės analizės įrankius, kad nustatytumėte galimas spragas.
• Sekite naujienas: WASI yra sparčiai besivystanti technologija, todėl sekite naujausius pokyčius. Sekite WASI standartus ir dalyvaukite WASI bendruomenėje.

Išvada

Papildomi ištekliai:

• WASI oficiali svetainė
• WASI GitHub saugykla