WebAssembly lentelių tipų saugumo variklis: funkcijų lentelės patikra

WebAssembly (WASM) tapo galinga technologija, skirta kurti didelio našumo programas, kurios gali veikti skirtingose platformose ir įrenginiuose. Esminis WebAssembly saugumo ir patikimumo aspektas yra jo lentelių tipų saugumo variklis, kuris suteikia mechanizmą tipų saugumo funkcijų iškvietimams per funkcijų lenteles užtikrinti. Šiame tinklaraščio įraše gilinamasi į WebAssembly lentelių koncepcijas, funkcijų lentelių patikrą ir šių funkcijų svarbą kuriant saugias bei patikimas WASM programas.

Kas yra WebAssembly lentelės?

WebAssembly aplinkoje lentelė yra keičiamo dydžio masyvas su nuorodomis į funkcijas. Įsivaizduokite tai kaip masyvą, kurio kiekvienas elementas laiko rodyklę į funkciją. Šios lentelės yra būtinos dinamiškam išsiuntimui ir funkcijų iškvietimams, kai tikslinė funkcija nustatoma vykdymo metu. Lentelės saugomos atskirai nuo tiesinės atminties ir pasiekiamos naudojant specialų indeksą. Šis atskyrimas yra gyvybiškai svarbus saugumui, nes apsaugo nuo savavališkos prieigos prie atminties ir funkcijų rodyklių manipuliavimo.

WebAssembly lentelės yra tipizuotos. Nors iš pradžių apsiribota `funcref` tipu (nuorodos į funkcijas), ateities plėtiniai gali palaikyti ir kitus nuorodų tipus. Šis tipizavimas yra pagrindinis WebAssembly teikiamų tipų saugumo mechanizmų elementas.

Pavyzdys: Įsivaizduokite scenarijų, kai turite kelias rūšiavimo algoritmo implementacijas (pvz., greitoji, suliejimo, burbulo), parašytas skirtingomis kalbomis ir sukompiliuotas į WebAssembly. Galite saugoti nuorodas į šias rūšiavimo funkcijas lentelėje. Remdamiesi vartotojo įvestimi ar vykdymo metu susidariusiomis sąlygomis, galite pasirinkti tinkamą rūšiavimo funkciją iš lentelės ir ją įvykdyti. Šis dinamiškas pasirinkimas yra galinga funkcija, kurią įgalina WebAssembly lentelės.

Funkcijų lentelės patikra: tipų saugumo užtikrinimas

Funkcijų lentelės patikra yra kritinė WebAssembly saugumo funkcija. Ji užtikrina, kad kai funkcija iškviečiama per lentelę, jos parašas (parametrų ir grąžinamų verčių skaičius bei tipai) atitiktų laukiamą parašą iškvietimo vietoje. Tai apsaugo nuo tipų klaidų ir galimų saugumo pažeidžiamumų, kurie galėtų kilti iškvietus funkciją su neteisingais argumentais arba neteisingai interpretavus jos grąžinamą vertę.

WebAssembly tikrintojas (validator) atlieka pagrindinį vaidmenį funkcijų lentelės patikroje. Patikros proceso metu tikrintojas patikrina visų lentelėse saugomų funkcijų tipų parašus ir užtikrina, kad visi netiesioginiai iškvietimai per lentelę būtų tipų saugumo požiūriu teisingi. Šis procesas atliekamas statiškai, prieš WASM kodo vykdymą, užtikrinant, kad tipų klaidos būtų aptiktos ankstyvame kūrimo etape.

Kaip veikia funkcijų lentelės patikra:

1. Tipo parašo atitikimas: Tikrintojas palygina iškviečiamos funkcijos tipo parašą su laukiamu tipo parašu iškvietimo vietoje. Tai apima parametrų skaičiaus ir tipų, taip pat grąžinamo tipo patikrinimą.
2. Indekso ribų patikrinimas: Tikrintojas užtikrina, kad indeksas, naudojamas prieigai prie lentelės, neviršytų lentelės dydžio ribų. Tai apsaugo nuo prieigos už ribų, kuri gali lemti savavališką kodo vykdymą.
3. Elemento tipo patvirtinimas: Tikrintojas patikrina, ar elementas, prie kurio kreipiamasi lentelėje, yra laukiamo tipo (pvz., `funcref`).

Kodėl funkcijų lentelės patikra yra svarbi?

Funkcijų lentelės patikra yra esminė dėl kelių priežasčių:

• Saugumas: Ji apsaugo nuo tipų painiavos pažeidžiamumų, kai funkcija iškviečiama su netinkamo tipo argumentais. Tipų painiava gali sukelti atminties sugadinimą, savavališką kodo vykdymą ir kitus saugumo išnaudojimus.
• Patikimumas: Ji užtikrina, kad WebAssembly programos veiktų nuspėjamai ir nuosekliai skirtingose platformose bei įrenginiuose. Tipų klaidos gali sukelti netikėtus gedimus ir neapibrėžtą elgesį, todėl programos tampa nepatikimos.
• Našumas: Aptinkant tipų klaidas ankstyvame kūrimo etape, funkcijų lentelės patikra gali padėti pagerinti WebAssembly programų našumą. Tipų klaidų derinimas ir taisymas gali būti ilgas ir brangus, todėl jų ankstyvas aptikimas gali sutaupyti brangaus kūrimo laiko.
• Suderinamumas tarp kalbų: WebAssembly yra sukurta būti nepriklausoma nuo kalbos, o tai reiškia, kad ją galima naudoti kodo, parašyto skirtingomis programavimo kalbomis, vykdymui. Funkcijų lentelės patikra užtikrina, kad skirtingos kalbos galėtų saugiai ir patikimai sąveikauti.

Praktiniai funkcijų lentelės patikros pavyzdžiai

Panagrinėkime supaprastintą pavyzdį, kad iliustruotume, kaip veikia funkcijų lentelės patikra. Tarkime, turime dvi funkcijas, parašytas skirtingomis kalbomis (pvz., C++ ir Rust), kurios yra sukompiliuotos į WebAssembly:

C++ funkcija:

int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

Rust funkcija:

fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 {
  a * b
}

Abi funkcijos priima du 32 bitų sveikojo skaičiaus argumentus ir grąžina 32 bitų sveikąjį skaičių. Dabar sukurkime WebAssembly lentelę, kurioje bus saugomos nuorodos į šias funkcijas:

(module
  (table $my_table (export "my_table") 2 funcref)
  (func $add_func (import "module" "add") (param i32 i32) (result i32))
  (func $multiply_func (import "module" "multiply") (param i32 i32) (result i32))
  (elem (i32.const 0) $add_func $multiply_func)
  (func (export "call_func") (param i32 i32 i32) (result i32)
    (local.get 0)
    (local.get 1)
    (local.get 2)
    (call_indirect (table $my_table) (type $sig))
  )
  (type $sig (func (param i32 i32) (result i32)))
)

Šiame pavyzdyje:

• `$my_table` yra lentelė su dviem elementais, abu yra `funcref` tipo.
• `$add_func` ir `$multiply_func` yra importuotos funkcijos, atitinkamai atstovaujančios `add` ir `multiply` funkcijas iš C++ ir Rust.
• `elem` instrukcija inicializuoja lentelę su nuorodomis į `$add_func` ir `$multiply_func`.
• `call_indirect` atlieka netiesioginį iškvietimą per lentelę. Svarbiausia, kad ji nurodo laukiamą funkcijos parašą `(type $sig)`, kuris reikalauja, kad iškviesta funkcija priimtų du i32 parametrus ir grąžintų i32 rezultatą.

WebAssembly tikrintojas patikrins, ar per lentelę iškviečiamos funkcijos tipo parašas atitinka laukiamą parašą iškvietimo vietoje. Jei parašai nesutaps, tikrintojas praneš apie klaidą, neleisdamas vykdyti WebAssembly modulio.

Kitas pavyzdys: skirtingų kalbų naudojimas atskiriems moduliams. Įsivaizduokite interneto programą, sukurtą su JavaScript vartotojo sąsaja ir WebAssembly vidine dalimi (backend). WASM modulis, potencialiai parašytas Rust arba C++ kalba, atlieka skaičiavimams imlias užduotis, tokias kaip vaizdų apdorojimas ar mokslinės simuliacijos. JavaScript gali dinamiškai iškviesti funkcijas WASM modulyje, pasikliaudamas funkcijų lentele ir jos patikra, kad užtikrintų, jog iš JavaScript perduoti duomenys būtų teisingai apdoroti WASM funkcijų.

Iššūkiai ir svarstymai

Nors funkcijų lentelės patikra suteikia tvirtą mechanizmą tipų saugumui užtikrinti, yra keletas iššūkių ir svarstymų, kuriuos reikia turėti omenyje:

• Našumo pridėtinės išlaidos: Patikros procesas gali pridėti tam tikrų našumo pridėtinių išlaidų, ypač dideliems ir sudėtingiems WebAssembly moduliams. Tačiau tipų saugumo ir bendro saugumo privalumai daugeliu atvejų nusveria našumo sąnaudas. Šiuolaikiniai WebAssembly varikliai yra optimizuoti efektyviai atlikti patikrą.
• Sudėtingumas: Suprasti funkcijų lentelės patikros ir WebAssembly tipų sistemos subtilybes gali būti sudėtinga, ypač kūrėjams, kurie yra naujokai WebAssembly srityje. Tačiau internete yra daug išteklių, padedančių kūrėjams išmokti šias temas.
• Dinaminis kodo generavimas: Kai kuriais atvejais WebAssembly kodas gali būti generuojamas dinamiškai vykdymo metu. Tai gali apsunkinti statinės patikros atlikimą, nes kodas gali būti nežinomas iki vykdymo laiko. Tačiau WebAssembly suteikia mechanizmus dinamiškai sugeneruoto kodo patikrai prieš jį vykdant.
• Ateities plėtiniai: WebAssembly tobulėjant, prie kalbos gali būti pridedamos naujos funkcijos ir plėtiniai. Svarbu užtikrinti, kad šios naujos funkcijos būtų suderinamos su esamais funkcijų lentelės patikros mechanizmais.

Gerosios praktikos naudojant funkcijų lenteles

Kad užtikrintumėte savo WebAssembly programų saugumą ir patikimumą, laikykitės šių gerųjų praktikų naudodami funkcijų lenteles:

• Visada patikrinkite savo WebAssembly modulius: Naudokite WebAssembly tikrintoją, kad patikrintumėte savo modulius dėl tipų klaidų ir kitų saugumo pažeidžiamumų prieš juos įdiegdami.
• Atsargiai naudokite tipų parašus: Užtikrinkite, kad lentelėse saugomų funkcijų tipų parašai atitiktų laukiamus parašus iškvietimo vietoje.
• Apribokite lentelės dydį: Laikykite savo lentelių dydį kuo mažesnį, kad sumažintumėte prieigos už ribų riziką.
• Taikykite saugaus programavimo praktikas: Laikykitės saugaus programavimo praktikų, kad išvengtumėte kitų saugumo pažeidžiamumų, tokių kaip buferio perpildymas ir sveikųjų skaičių perpildymas.
• Būkite atnaujinę: Laikykite savo WebAssembly įrankius ir bibliotekas atnaujintas, kad pasinaudotumėte naujausiais saugumo pataisymais ir klaidų ištaisymais.

Pažangesnės temos: WasmGC ir ateities kryptys

WebAssembly šiukšlių surinkimo (WasmGC) pasiūlymas siekia integruoti šiukšlių surinkimą tiesiogiai į WebAssembly, suteikiant geresnį palaikymą kalboms, tokioms kaip Java, C# ir Kotlin, kurios labai priklauso nuo šiukšlių surinkimo. Tai tikėtinai paveiks, kaip lentelės yra naudojamos ir tikrinamos, galbūt įvedant naujus nuorodų tipus ir patikros mechanizmus.

Ateities kryptys funkcijų lentelės patikrai gali apimti:

• Išraiškingesnės tipų sistemos: Leidžiančios sudėtingesnius tipų ryšius ir apribojimus.
• Laipsniškas tipizavimas: Leidžiantis maišyti statiškai ir dinamiškai tipizuotą kodą.
• Pagerintas našumas: Optimizuojant patikros procesą siekiant sumažinti pridėtines išlaidas.

Išvada

WebAssembly lentelių tipų saugumo variklis ir funkcijų lentelės patikra yra kritinės funkcijos, užtikrinančios WebAssembly programų saugumą ir patikimumą. Apsaugodamos nuo tipų klaidų ir kitų saugumo pažeidžiamumų, šios funkcijos leidžia kūrėjams kurti didelio našumo programas, kurios gali saugiai veikti skirtingose platformose ir įrenginiuose. Kadangi WebAssembly ir toliau tobulėja, svarbu sekti naujausius funkcijų lentelės patikros ir kitų saugumo funkcijų pokyčius, kad jūsų programos išliktų saugios ir patikimos. Technologijai bręstant ir tobulėjant, augs ir funkcijų lentelės patikros teikiamos galimybės bei saugumas.

WebAssembly atsidavimas saugumui ir tipų saugumui paverčia jį perspektyviu ir vis svarbesniu įrankiu šiuolaikinėje programinės įrangos kūrimo aplinkoje.