WebAssembly pasirinktinių sekcijų validacija: nuodugni metaduomenų vientisumo analizė

„WebAssembly“ (Wasm) gerokai peržengė savo pirminę paskirtį – veikti kaip naršyklėje veikiantis tinklalio programų našumo stiprintuvas. Jis tapo universaliu, nešiojamu ir saugiu kompiliavimo taikiniu debesų aplinkoms, kraštiniam skaičiavimui, IoT, blokų grandinėms ir papildomų modulių architektūroms. Jo smėlio dėžės vykdymo modelis suteikia tvirtą saugos pagrindą, tačiau, kaip ir bet kurią galingą technologiją, jame slypi detalės. Viena tokių detalių, kuri yra tiek didžiulio lankstumo šaltinis, tiek potenciali saugos aklavietė, yra pasirinktinė sekcija.

Nors „WebAssembly“ vykdymo aplinka griežtai validuoja modulio kodą ir atminties sekcijas, ji suprojektuota taip, kad visiškai ignoruotų jai neatpažįstamas pasirinktines sekcijas. Ši funkcija leidžia įrankių rinkiniams ir kūrėjams įterpti savavališkus metaduomenis – nuo derinimo simbolių iki išmaniųjų sutarčių ABI – nesukeliant suderinamumo problemų. Tačiau šis „numatytasis ignoravimo“ elgesys taip pat atveria duris metaduomenų klastojimui, tiekimo grandinės atakoms ir kitoms pažeidžiamybėms. Kaip galite pasitikėti duomenimis šiose sekcijose? Kaip užtikrinti, kad jie nebuvo piktybiškai pakeisti?

Šiame išsamiame vadove nuodugniai analizuojama kritinė „WebAssembly“ pasirinktinių sekcijų validacijos praktika. Išnagrinėsime, kodėl šis procesas yra būtinas kuriant saugias sistemas, suskaidysime įvairius vientisumo tikrinimo būdus – nuo paprastų maišų iki patikimų skaitmeninių parašų – ir pateiksime praktinių įžvalgų, kaip įgyvendinti šiuos patikrinimus savo programose.

„WebAssembly“ dvejetainio formato supratimas: greitas priminimas

Norint įvertinti pasirinktinių sekcijų validacijos iššūkį, svarbu pirmiausia suprasti pagrindinę Wasm dvejetainio modulio struktūrą. `.wasm` failas yra ne tik mašinos kodo rinkinys; tai labai struktūrizuotas dvejetainis formatas, sudarytas iš atskirų „sekcijų“, kurių kiekviena turi specifinę paskirtį.

Tipiškas Wasm modulis prasideda magišku skaičiumi (\0asm) ir versijos numeriu, po kurių seka sekcijos. Šios sekcijos yra suskirstytos taip:

• Žinomos sekcijos: Jas apibrėžia „WebAssembly“ specifikacija, ir jas supranta visos suderinamos vykdymo aplinkos. Jos turi ne nulio sekcijos ID. Pavyzdžiai:
  • Tipų sekcija (ID 1): Apibrėžia modulyje naudojamus funkcijų parašus.
  • Funkcijų sekcija (ID 3): Susieja kiekvieną funkciją su Tipo sekcijos parašu.
  • Atminties sekcija (ID 5): Apibrėžia modulio tiesinę atmintį.
  • Eksporto sekcija (ID 7): Daro funkcijas, atmintis ar globalius kintamuosius prieinamus pagrindinei aplinkai.
  • Kodo sekcija (ID 10): Yra faktinis kiekvienos funkcijos vykdomasis baitų kodas.
• Pasirinktinės sekcijos: Tai mūsų dėmesio sritis. Pasirinktinė sekcija identifikuojama Sekcijos ID 0. Wasm specifikacija numato, kad vykdymo aplinkos ir įrankiai privalo tyliai ignoruoti bet kokią jiems nesuprantamą pasirinktinę sekciją.

Pasirinktinės sekcijos anatomija

Pasirinktinės sekcijos struktūra yra sąmoningai bendro pobūdžio, kad būtų užtikrintas maksimalus lankstumas. Ji susideda iš trijų dalių:

1. Sekcijos ID: Visada 0.
2. Pavadinimas: Tai eilutė, identifikuojanti pasirinktinės sekcijos paskirtį (pvz., „name“, „dwarf_info“, „component-type“). Šis pavadinimas leidžia įrankiams rasti ir interpretuoti joms svarbias sekcijas.
3. Naudingoji apkrova: Savavališka baitų seka. Šios naudingosios apkrovos turinys ir formatas visiškai priklauso nuo ją sukūrusio įrankio ar programos. Pati Wasm vykdymo aplinka jokių apribojimų šiems duomenims nenustato.

Šis dizainas yra dviašmenis kardas. Būtent jis leidžia ekosistemai inovuoti, įterpiant turtingus metaduomenis, tokius kaip Rust panikos informacija, Go vykdymo laiko duomenys ar komponentų modelio apibrėžimai. Tačiau būtent todėl standartinė Wasm vykdymo aplinka negali validuoti šių duomenų – ji neturi supratimo, kokie duomenys turėtų būti.

Saugos aklavietė: kodėl nevaliduoti metaduomenys kelia riziką

Pagrindinė saugos problema kyla iš pasitikėjimo ryšio tarp Wasm modulio ir įrankių ar pagrindinių programų, kurios naudoja jo metaduomenis. Nors Wasm vykdymo aplinka saugiai vykdo kodą, kitos jūsų sistemos dalys gali nepagrįstai pasitikėti pasirinktinių sekcijų duomenimis. Šiuo pasitikėjimu galima pasinaudoti keliais būdais.

Atakos vektoriai per pasirinktines sekcijas

• Metaduomenų klastojimas: Atakatorius gali pakeisti pasirinktinę sekciją, kad suklaidintų kūrėjus ar įrankius. Įsivaizduokite, kad pakeičiate derinimo informaciją (DWARF), kad ji nurodytų neteisingas šaltinio kodo eilutes, slepiant piktybinę logiką saugos audito metu. Arba, blokų grandinės kontekste, pakeitus pasirinktinėje sekcijoje saugomą išmaniosios sutarties ABI (Application Binary Interface), decentralizuota programa (dApp) gali iškviesti neteisingą funkciją, vedančią prie finansinių nuostolių.
• Paslaugos trikdymas (DoS): Nors Wasm vykdymo aplinka ignoruoja neatpažįstamas pasirinktines sekcijas, įrankių grandinė to nedaro. Kompiliatoriai, nuorodininkai, derintuvai ir statinio analizės įrankiai dažnai analizuoja specifines pasirinktines sekcijas. Atakatorius gali sukurti neteisingai suformuotą pasirinktinę sekciją (pvz., su neteisingu ilgio prefiksu ar netinkama vidine struktūra), specialiai sukurtą sugriauti šiuos įrankius, sutrikdant kūrimo ir diegimo procesus.
• Tiekimo grandinės atakos: Populiari biblioteka, platinama kaip Wasm modulis, gali turėti piktybinę pasirinktinę sekciją, į kurią įterpė užkrėstas kūrimo serveris ar tarpininko ataka. Ši sekcija gali turėti piktybinę konfigūracijos duomenis, kuriuos vėliau perskaitys pagrindinė programa ar kūrimo įrankis, nurodydamas jai atsisiųsti piktybinę priklausomybę arba nutekinti konfidencialią informaciją.
• Klaidinga kilmės informacija: Pasirinktinės sekcijos dažnai naudojamos kūrimo informacijai, šaltinio kodo maišams ar licencijavimo duomenims saugoti. Atakatorius gali pakeisti šiuos duomenis, kad paslėptų piktybinio modulio kilmę, priskirtų jį patikimam kūrėjui arba pakeistų jo licenciją iš ribojančios į leidžiančią.

Visais šiais scenarijais pats Wasm modulis gali puikiai veikti smėlio dėžėje. Pažeidžiamumas slypi Wasm modulio aplinkoje, kuri priima sprendimus remdamasi metaduomenimis, kurie laikomi patikimais.

Metaduomenų vientisumo tikrinimo būdai

Norint sumažinti šias rizikas, būtina pereiti nuo nepagrįsto pasitikėjimo modelio prie aiškios verifikacijos. Tai apima validavimo sluoksnio diegimą, kuris tikrina kritinių pasirinktinių sekcijų vientisumą ir autentiškumą prieš jas naudojant. Aptarkime kelis būdus, nuo paprastų iki kriptografiškai saugių.

1. Maišai ir kontrolinės sumos

Paprastas vientisumo tikrinimo būdas yra naudoti kriptografinę maišų funkciją (pvz., SHA-256).

• Kaip tai veikia: Kūrimo proceso metu, po to, kai sukurta pasirinktinė sekcija (pvz., `my_app_metadata`), apskaičiuojamas jos SHA-256 maišas. Šis maišas tada saugomas kitoje specialioje pasirinktinėje sekcijoje (pvz., `my_app_metadata.sha256`) arba išoriniame manifestų faile, kuris lydinti Wasm modulį.
• Validacija: Naudojanti programa ar įrankis skaito `my_app_metadata` sekciją, apskaičiuoja jos maišą ir palygina jį su saugomu maišu. Jei jie sutampa, duomenys nebuvo pakeisti nuo maišo apskaičiavimo. Jei jie nesutampa, modulis atmetamas kaip suklastotas.

Privalumai:

• Paprasta įgyvendinti ir skaičiuojama greitai.
• Suteikia puikią apsaugą nuo atsitiktinio sugadinimo ir tyčinio pakeitimo.

Trūkumai:

• Nėra autentiškumo: Maišas įrodo, kad duomenys nepakito, bet neįrodo, kas juos sukūrė. Atakatorius gali pakeisti pasirinktinę sekciją, perskaičiuoti maišą ir taip pat atnaujinti maišo sekciją. Tai veikia tik tuo atveju, jei pats maišas saugomas saugioje, nuo klastojimo apsaugotoje vietoje.
• Reikalingas papildomas kanalas, kad būtų galima pasitikėti pačiu maišu.

2. Skaitmeniniai parašai (asimetrinė kriptografija)

Kad būtų suteikta daug stipresnė garantija, užtikrinanti tiek vientisumą, tiek autentiškumą, skaitmeniniai parašai yra aukso standartas.

• Kaip tai veikia: Šis metodas naudoja viešojo ir privataus rakto porą. Wasm modulio kūrėjas saugo privatų raktą.
  1. Pirmiausia apskaičiuojamas pasirinktinės sekcijos naudingosios apkrovos kriptografinis maišas, kaip ir ankstesniame metode.
  2. Šis maišas tada užšifruojamas (pasirašomas) naudojant kūrėjo privatų raktą.
  3. Gautas parašas saugomas kitoje pasirinktinėje sekcijoje (pvz., `my_app_metadata.sig`). Atskiras viešasis raktas turi būti platintojas validatoriui. Viešasis raktas gali būti įterptas į pagrindinę programą, gautas iš patikimo registro arba netgi pateiktas kitoje pasirinktinėje sekcijoje (nors tai reikalauja atskiro mechanizmo, kad būtų galima pasitikėti pačiu viešuoju raktu).
• Validacija: Wasm modulio vartotojas atlieka šiuos veiksmus:
  1. Apskaičiuoja `my_app_metadata` sekcijos naudingosios apkrovos maišą.
  2. Nuskaito parašą iš `my_app_metadata.sig` sekcijos.
  3. Naudodamas kūrėjo viešąjį raktą, iššifruoja parašą, kad atskleistų originalų maišą.
  4. Palygina iššifruotą maišą su pirmuoju apskaičiuotu maišu. Jei jie sutampa, parašas yra galiojamas. Tai įrodo du dalykus: duomenys nebuvo pakeisti (vientisumas), ir juos pasirašė privataus rakto turėtojas (autentiškumas/kilmė).

Privalumai:

• Suteikia stiprias vientisumo ir autentiškumo garantijas.
• Viešasis raktas gali būti plačiai platinamas nepakenkiant saugumui.
• Sudaro pagrindą saugioms programinės įrangos tiekimo grandinėms.

Trūkumai:

• Sudėtingiau įgyvendinti ir valdyti (raktų generavimas, platinimas ir atšaukimas).
• Šiek tiek didesnis skaičiavimo našta validacijos metu, palyginti su paprastu maišavimu.

3. Schemos pagrindu atliekama validacija

Vientisumo ir autentiškumo tikrinimai užtikrina, kad duomenys nepakitę ir yra iš patikimo šaltinio, bet negarantuoja, kad duomenys yra tinkamai suformuoti. Struktūriškai netinkama pasirinktinė sekcija vis tiek gali sugriauti analizatorių. Schemos pagrindu atliekama validacija sprendžia šią problemą.

• Kaip tai veikia: Nustatote griežtą pasirinktinės sekcijos naudingosios apkrovos dvejetainio formato schemą. Ši schema gali būti apibrėžta naudojant tokius formatus kaip „Protocol Buffers“, „FlatBuffers“ arba netgi pasirinktinę specifikaciją. Schema nurodo laukiamą duomenų tipų, ilgių ir struktūrų seką.
• Validacija: Validatoriaus yra analizatorius, kuris bando dekoduoti pasirinktinės sekcijos naudingąją apkrovą pagal iš anksto nustatytą schemą. Jei analizė pavyksta be klaidų (pvz., nėra buferio persipildymų, nėra tipų neatitikimų, yra visi laukiami laukai), sekcija laikoma struktūriškai tinkama. Jei analizė bet kuriuo metu nepavyksta, sekcija atmetama.

Privalumai:

• Apsaugo analizatorius nuo netinkamai suformuotų duomenų, užkertant kelią DoS atakų rūšiai.
• Užtikrina metaduomenų nuoseklumą ir teisingumą.
• Veikia kaip dokumentacija jūsų pasirinktinio duomenų formato.

Trūkumai:

• Nepasaugo nuo kvalifikuoto atakuotojo, kuris sukuria struktūriškai tinkamą, bet semantiškai piktybinę naudingąją apkrovą.
• Reikalauja schemos ir validatoriaus kodo priežiūros.

Sluoksniuotas metodas: visų pasaulių geriausia

Šie metodai nėra tarpusavyje išskiriami. Iš tiesų, jie yra stipriausi, kai derinami sluoksniuotoje saugos strategijoje:

Rekomenduojamas validavimo procesas:

1. Rasti ir izoliuoti: Pirmiausia analizuoja Wasm modulį, kad rastų tikslinę pasirinktinę sekciją (pvz., `my_app_metadata`) ir atitinkamą jos parašo sekciją (`my_app_metadata.sig`).
2. Tikrinti autentiškumą ir vientisumą: Naudojant skaitmeninį parašą, tikrina, ar `my_app_metadata` sekcija yra autentiška ir nebuvo pakeista. Jei šis patikrinimas nepavyksta, modulis nedelsiant atmetamas.
3. Validuoti struktūrą: Jei parašas galioja, pereina prie `my_app_metadata` naudingosios apkrovos analizės naudojant schemos pagrindu atliekamą validatorių. Jei ji yra netinkamai suformuota, modulis atmetamas.
4. Naudoti duomenis: Tik po to, kai abu patikrinimai praeina, galite saugiai pasitikėti metaduomenimis ir juos naudoti.

Šis sluoksniuotas metodas užtikrina, kad esate apsaugoti ne tik nuo duomenų klastojimo, bet ir nuo analizės pagrindu atliekamų atakų, suteikdamas tvirtą gynybo-gylis saugos poziciją.

Praktinis įgyvendinimas ir įrankiai

Šio validavimo įgyvendinimas reikalauja įrankių, galinčių manipuliuoti ir tikrinti Wasm dvejetainius failus. Ekosistema siūlo keletą puikių galimybių.

Įrankiai pasirinktinių sekcijų manipuliavimui

• wasm-tools: Komandų eilutės įrankių rinkinys ir Rust biblioteka Wasm dvejetainių failų analizavimui, spausdinimui ir manipuliavimui. Galite jį naudoti pasirinktinių sekcijų pridėjimui, pašalinimui ar tikrinimui kaip kūrimo scenarijaus dalį. Pavyzdžiui, `wasm-tools strip` komanda gali būti naudojama pasirinktinėms sekcijoms pašalinti, o su `wasm-tools` biblioteka galima sukurti pasirinktines programas parašams pridėti.
• Binaryen: Kompiliatoriaus ir įrankių grandinės infrastruktūros biblioteka „WebAssembly“. Jo `wasm-opt` įrankis gali būti naudojamas įvairioms transformacijoms, o jo C++ API suteikia smulkmenišką kontrolę per modulio struktūrą, įskaitant pasirinktines sekcijas.
• Kalbos specifinės įrankių grandinės: Įrankiai, tokie kaip `wasm-bindgen` (Rust) arba kitų kalbų kompiliatoriai, dažnai teikia mechanizmus arba papildinius, kad įterptų pasirinktines sekcijas kūrimo proceso metu.

Pseudokodas validatoriui

Štai konceptualus, aukšto lygio pavyzdys, kaip galėtų atrodyti pagrindinės programos validatoriaus funkcija:

function validateWasmModule(wasmBytes, trustedPublicKey) { // 1 žingsnis: analizuoti modulį, kad būtų rastos atitinkamos sekcijos 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("Reikiamos metaduomenų arba parašo sekcijos trūksta."); } // 2 žingsnis: tikrinti skaitmeninį parašą const metadataPayload = metadataSection.payload; const signature = signatureSection.payload; const isSignatureValid = crypto.verify(metadataPayload, signature, trustedPublicKey); if (!isSignatureValid) { throw new Error("Metaduomenų parašas negalioja. Modulis gali būti suklastotas."); } // 3 žingsnis: atlikti schemos pagrindu atliekamą validaciją try { const parsedMetadata = MyAppSchema.decode(metadataPayload); // Duomenys yra tinkami ir jais galima pasitikėti return { success: true, metadata: parsedMetadata }; } catch (error) { throw new Error("Metaduomenys yra struktūriškai netinkami: " + error.message); } }

Realaus pasaulio naudojimo atvejai

Pasirinktinių sekcijų validacijos poreikis nėra teorinis. Tai praktinis reikalavimas daugelyje modernių Wasm naudojimo atvejų.

• Saugios išmaniosios sutartys blokų grandinėje: Išmaniosios sutarties ABI apibūdina jos viešas funkcijas. Jei šis ABI saugomas pasirinktinėje sekcijoje, jis turi būti pasirašytas. Tai neleidžia piktybiniams veikėjams apgauti vartotojo piniginę ar dApp, kad jie netinkamai sąveikautų su sutartimi, pateikdami suklastotą ABI.
• Verifikuojamas programinės įrangos medžiagų sąrašas (SBOM): Siekiant pagerinti tiekimo grandinės saugumą, Wasm modulis gali įterpti savo SBOM pasirinktinėje sekcijoje. Pasirašius šią sekciją užtikrinama, kad priklausomybių sąrašas yra autentiškas ir nebuvo pakeistas, siekiant paslėpti pažeidžiamą ar piktybinį komponentą. Modulio vartotojai tada gali automatiškai patikrinti jo turinį prieš naudojimą.
• Saugios papildomųjų modulių sistemos: Pagrindinė programa (pvz., tarpinis serveris, duomenų bazė ar kūrybinis įrankis) gali naudoti Wasm savo papildomųjų modulių architektūrai. Prieš įkeliant trečiosios šalies papildomąjį modulį, pagrindinė programa gali patikrinti pasirašytą `permissions` pasirinktinę sekciją. Ši sekcija gali deklaruoti papildomojo modulio reikiamus pajėgumus (pvz., failų sistemos prieigą, tinklo prieigą). Parašas garantuoja, kad leidimai nebuvo padidinti atakuotojo po publikavimo.
• Turinio adresavimo platinimas: Maišant visas Wasm modulio sekcijas, įskaitant metaduomenis, galima sukurti unikalų to konkretaus kompiliavimo identifikatorių. Tai naudojama turinio adresavimo saugojimo sistemose, tokiose kaip IPFS, kur vientisumas yra pagrindinis principas. Pasirinktinių sekcijų validacija yra svarbi dalis užtikrinant šį deterministinį tapatybę.

Ateitis: standartizavimas ir komponentų modelis

„WebAssembly“ bendruomenė pripažįsta modulio vientisumo svarbą. Wasm bendruomenės grupėje vyksta diskusijos dėl modulio pasirašymo ir kitų saugos pirminių objektų standartizavimo. Standartizuotas metodas leistų vykdymo aplinkoms ir įrankiams atlikti patikrinimą nestandartiškai, supaprastinant procesą kūrėjams.

Be to, besiformuojantis „WebAssembly“ komponentų modelis siekia standartizuoti, kaip Wasm moduliai sąveikauja vieni su kitais ir su pagrindine sistema. Jis apibrėžia aukšto lygio sąsajas pasirinktinėje sekcijoje, pavadintoje `component-type`. Šios sekcijos vientisumas bus labai svarbus visos komponentų ekosistemos saugumui, todėl aukščiau aptarti validavimo metodai taps dar svarbesni.

Išvada: nuo pasitikėjimo prie verifikacijos

„WebAssembly“ pasirinktinės sekcijos suteikia nepaprastą lankstumą, leidžiant ekosistemai įterpti turtingus, specifinius domenui metaduomenis tiesiai į modulius. Tačiau šis lankstumas ateina su atsakomybe už verifikavimą. Numatytasis Wasm vykdymo aplinkų elgesys – ignoruoti tai, ko jos nesupranta – sukuria pasitikėjimo spragą, kurią galima išnaudoti.

Kaip kūrėjas ar architektas, dirbantis su „WebAssembly“, turite pakeisti savo mąstymą nuo nepagrįsto metaduomenų pasitikėjimo prie aiškiai juos tikrinant. Įgyvendindami sluoksniuotą validavimo strategiją, kuri derina schemos patikrinimus dėl struktūrinio teisingumo ir skaitmeninius parašus vientisumo ir autentiškumo užtikrinimui, galite uždaryti šią saugos spragą.

Kuriant saugią, patikimą ir į jūsų pasitikėjimą vertą Wasm ekosistemą, reikia atidumo kiekviename sluoksnyje. Neleiskite, kad jūsų metaduomenys būtų silpniausia jūsų saugos grandimi. Validuokite savo pasirinktines sekcijas, apsaugokite savo programas ir kurkite su pasitikėjimu.