WebAssembly pielāgoto sekciju validācija: padziļināts ieskats metadatu integritātē

WebAssembly (Wasm) ir attīstījies daudz tālāk par tā sākotnējo lomu kā pārlūkprogrammas veiktspējas uzlabotājs tīmekļa lietotnēm. Tas ir kļuvis par universālu, pārnēsājamu un drošu kompilācijas mērķi mākoņdatošanas vidēm, perifērijas skaitļošanai, IoT, blokķēdei un spraudņu arhitektūrām. Tā smilškastes izpildes modelis nodrošina spēcīgu drošības pamatu, bet, kā jau ar jebkuru jaudīgu tehnoloģiju, detaļas ir būtiskas. Viena šāda detaļa, kas ir gan milzīgas elastības avots, gan potenciāls drošības aklās zonas punkts, ir pielāgotā sekcija.

Lai gan WebAssembly izpildlaiks stingri validē moduļa koda un atmiņas sekcijas, tas ir izstrādāts tā, lai pilnībā ignorētu pielāgotās sekcijas, kuras tas neatpazīst. Šī funkcija ļauj rīku ķēdēm un izstrādātājiem iegult patvaļīgus metadatus — no atkļūdošanas simboliem līdz viedo līgumu ABI — nepārkāpjot saderību. Tomēr šī 'ignorēt pēc noklusējuma' uzvedība paver durvis arī metadatu manipulācijām, piegādes ķēdes uzbrukumiem un citām ievainojamībām. Kā jūs varat uzticēties datiem šajās sekcijās? Kā jūs nodrošināt, ka tie nav ļaunprātīgi mainīti?

Šis visaptverošais ceļvedis iedziļinās kritiskajā WebAssembly pielāgoto sekciju validācijas praksē. Mēs izpētīsim, kāpēc šis process ir būtisks drošu sistēmu veidošanai, analizēsim dažādas integritātes pārbaudes metodes — no vienkāršas jaukšanas līdz stabiliem digitālajiem parakstiem — un sniegsim praktiskus ieteikumus šo pārbaužu ieviešanai jūsu lietotnēs.

Izpratne par WebAssembly bināro formātu: ātrs atgādinājums

Lai novērtētu pielāgoto sekciju validācijas izaicinājumu, vispirms ir būtiski izprast Wasm binārā moduļa pamatstruktūru. `.wasm` fails nav tikai mašīnkoda bloks; tas ir ļoti strukturēts binārais formāts, kas sastāv no atsevišķām 'sekcijām', katrai no kurām ir noteikts mērķis.

Tipisks Wasm modulis sākas ar maģisko skaitli (\0asm) un versijas numuru, kam seko virkne sekciju. Šīs sekcijas ir iedalītas šādi:

• Zināmās sekcijas: Tās ir definētas WebAssembly specifikācijā, un tās saprot visi saderīgie izpildlaiki. Tām ir sekcijas ID, kas nav nulle. Piemēri:
  • Tipu sekcija (ID 1): Definē modulī izmantotās funkciju signatūras.
  • Funkciju sekcija (ID 3): Saista katru funkciju ar signatūru no Tipu sekcijas.
  • Atmiņas sekcija (ID 5): Definē moduļa lineāro atmiņu.
  • Eksporta sekcija (ID 7): Padara funkcijas, atmiņas vai globālos mainīgos pieejamus saimniekdatora videi.
  • Koda sekcija (ID 10): Satur faktisko izpildāmo baitkodu katrai funkcijai.
• Pielāgotās sekcijas: Šī ir mūsu uzmanības centrā. Pielāgotā sekcija tiek identificēta ar sekcijas ID 0. Wasm specifikācija nosaka, ka izpildlaikiem un rīkiem klusībā jāignorē jebkura pielāgotā sekcija, kuru tie nesaprot.

Pielāgotās sekcijas anatomija

Pielāgotās sekcijas struktūra ir apzināti vispārīga, lai nodrošinātu maksimālu elastību. Tā sastāv no trīs daļām:

1. Sekcijas ID: Vienmēr 0.
2. Nosaukums: Simbolu virkne, kas identificē pielāgotās sekcijas mērķi (piemēram, "name", "dwarf_info", "component-type"). Šis nosaukums ļauj rīkiem atrast un interpretēt sekcijas, kas tiem ir svarīgas.
3. Derīgā slodze (Payload): Patvaļīga baitu secība. Šīs derīgās slodzes saturs un formāts ir pilnībā atkarīgs no rīka vai lietojumprogrammas, kas to izveidoja. Pats Wasm izpildlaiks šiem datiem nepiemēro nekādus ierobežojumus.

Šis dizains ir abpusgriezīgs zobens. Tas ļauj ekosistēmai ieviest jauninājumus, iegulstot bagātīgus metadatus, piemēram, Rust panikas informāciju, Go izpildlaika datus vai Komponentu modeļa definīcijas. Bet tas ir arī iemesls, kāpēc standarta Wasm izpildlaiks nevar validēt šos datus — tam nav ne jausmas, kādiem šiem datiem vajadzētu būt.

Drošības aklā zona: kāpēc nevalidēti metadati ir risks

Galvenā drošības problēma rodas no uzticības attiecībām starp Wasm moduli un rīkiem vai saimniekdatora lietojumprogrammām, kas izmanto tā metadatus. Kamēr Wasm izpildlaiks droši izpilda kodu, citas jūsu sistēmas daļas var netieši uzticēties datiem pielāgotajās sekcijās. Šo uzticību var izmantot vairākos veidos.

Uzbrukumu vektori caur pielāgotajām sekcijām

• Metadatu manipulācija: Uzbrucējs varētu modificēt pielāgotu sekciju, lai maldinātu izstrādātājus vai rīkus. Iedomājieties, ka tiek mainīta atkļūdošanas informācija (DWARF), lai norādītu uz nepareizām pirmkoda rindām, slēpjot ļaunprātīgu loģiku drošības audita laikā. Vai arī blokķēdes kontekstā, mainot viedā līguma ABI (Lietojumprogrammas binārā saskarne), kas glabājas pielāgotā sekcijā, varētu likt decentralizētai lietotnei (dApp) izsaukt nepareizu funkciju, radot finansiālus zaudējumus.
• Pakalpojumatteices (DoS) uzbrukums: Lai gan Wasm izpildlaiks ignorē nezināmas pielāgotās sekcijas, rīku ķēde to nedara. Kompilatori, saistītāji, atkļūdotāji un statiskās analīzes rīki bieži parsē noteiktas pielāgotās sekcijas. Uzbrucējs varētu izveidot nepareizi veidotu pielāgotu sekciju (piemēram, ar nepareizu garuma prefiksu vai nederīgu iekšējo struktūru), kas īpaši izstrādāta, lai izraisītu šo rīku avāriju, traucējot izstrādes un izvietošanas procesus.
• Piegādes ķēdes uzbrukumi: Populārā bibliotēkā, kas tiek izplatīta kā Wasm modulis, varētu tikt ievietota ļaunprātīga pielāgotā sekcija, izmantojot kompromitētu būvēšanas serveri vai man-in-the-middle uzbrukumu. Šajā sekcijā varētu būt ļaunprātīgi konfigurācijas dati, kurus vēlāk nolasīs saimniekdatora lietojumprogramma vai būvēšanas rīks, liekot tam lejupielādēt ļaunprātīgu atkarību vai nopludināt sensitīvus datus.
• Maldinoša izcelsmes informācija: Pielāgotās sekcijas bieži tiek izmantotas, lai glabātu būvēšanas informāciju, pirmkoda jaucējkodus vai licencēšanas datus. Uzbrucējs varētu mainīt šos datus, lai slēptu ļaunprātīga moduļa izcelsmi, piedēvētu to uzticamam izstrādātājam vai mainītu tā licenci no ierobežojošas uz atļaujošu.

Visos šajos scenārijos pats Wasm modulis varētu perfekti izpildīties smilškastē. Ievainojamība slēpjas ekosistēmā ap Wasm moduli, kas pieņem lēmumus, balstoties uz metadatiem, kuri tiek uzskatīti par uzticamiem.

Metadatu integritātes pārbaudes metodes

Lai mazinātu šos riskus, jums jāpāriet no netiešas uzticības modeļa uz tiešu verifikāciju. Tas ietver validācijas slāņa ieviešanu, kas pārbauda kritisko pielāgoto sekciju integritāti un autentiskumu pirms to izmantošanas. Apskatīsim vairākas metodes, sākot no vienkāršām līdz kriptogrāfiski drošām.

1. Jaukšana un kontrolsummas

Vienkāršākā integritātes pārbaudes forma ir kriptogrāfiskās jaucējfunkcijas (piemēram, SHA-256) izmantošana.

• Kā tas darbojas: Būvēšanas procesa laikā, pēc pielāgotās sekcijas (piemēram, `my_app_metadata`) izveides, jūs aprēķināt tās SHA-256 jaucējkodu. Šis jaucējkods tiek saglabāts vai nu citā tam veltītā pielāgotā sekcijā (piemēram, `my_app_metadata.sha256`), vai ārējā manifesta failā, kas pievienots Wasm modulim.
• Verifikācija: Patērētāja lietojumprogramma vai rīks nolasa `my_app_metadata` sekciju, aprēķina tās jaucējkodu un salīdzina to ar saglabāto jaucējkodu. Ja tie sakrīt, dati nav mainīti kopš jaucējkoda aprēķināšanas. Ja tie nesakrīt, modulis tiek noraidīts kā bojāts.

Plusi:

• Vienkārši ieviešams un skaitļošanas ziņā ātrs.
• Nodrošina lielisku aizsardzību pret nejaušu bojājumu un apzinātu modifikāciju.

Mīnusi:

• Nav autentiskuma: Jaukšana pierāda, ka dati nav mainīti, bet nepierāda, kas tos ir izveidojis. Uzbrucējs var modificēt pielāgoto sekciju, pārrēķināt jaucējkodu un atjaunināt arī jaucējkoda sekciju. Tas darbojas tikai tad, ja pats jaucējkods tiek glabāts drošā, pret viltojumiem pasargātā vietā.
• Nepieciešams sekundārs kanāls, lai uzticētos pašam jaucējkodam.

2. Digitālie paraksti (asimetriskā kriptogrāfija)

Daudz spēcīgākai garantijai, kas nodrošina gan integritāti, gan autentiskumu, digitālie paraksti ir zelta standarts.

• Kā tas darbojas: Šī metode izmanto publiskās/privātās atslēgas pāri. Wasm moduļa veidotājam ir privātā atslēga.
  1. Vispirms tiek aprēķināts pielāgotās sekcijas derīgās slodzes kriptogrāfiskais jaucējkods, tāpat kā iepriekšējā metodē.
  2. Šis jaucējkods pēc tam tiek šifrēts (parakstīts), izmantojot veidotāja privāto atslēgu.
  3. Iegūtais paraksts tiek saglabāts citā pielāgotā sekcijā (piemēram, `my_app_metadata.sig`). Atbilstošā publiskā atslēga ir jāizplata verificētājam. Publiskā atslēga varētu būt iegulta saimniekdatora lietojumprogrammā, iegūta no uzticama reģistra vai pat ievietota citā pielāgotā sekcijā (lai gan tas prasa atsevišķu mehānismu, lai uzticētos pašai publiskajai atslēgai).
• Verifikācija: Wasm moduļa patērētājs veic šādas darbības:
  1. Tas aprēķina `my_app_metadata` sekcijas derīgās slodzes jaucējkodu.
  2. Tas nolasa parakstu no `my_app_metadata.sig` sekcijas.
  3. Izmantojot veidotāja publisko atslēgu, tas atšifrē parakstu, lai atklātu sākotnējo jaucējkodu.
  4. Tas salīdzina atšifrēto jaucējkodu ar jaucējkodu, ko aprēķināja pirmajā solī. Ja tie sakrīt, paraksts ir derīgs. Tas pierāda divas lietas: dati nav bojāti (integritāte), un tos parakstījis privātās atslēgas īpašnieks (autentiskums/izcelsme).

Plusi:

• Nodrošina spēcīgas garantijas gan integritātei, gan autentiskumam.
• Publisko atslēgu var plaši izplatīt, neapdraudot drošību.
• Veido pamatu drošām programmatūras piegādes ķēdēm.

Mīnusi:

• Sarežģītāk ieviest un pārvaldīt (atslēgu ģenerēšana, izplatīšana un atsaukšana).
• Nedaudz lielāka skaitļošanas slodze verifikācijas laikā, salīdzinot ar vienkāršu jaukšanu.

3. Uz shēmu balstīta validācija

Integritātes un autentiskuma pārbaudes nodrošina, ka dati nav mainīti un nāk no uzticama avota, bet tās negarantē, ka dati ir pareizi formatēti. Strukturāli nederīga pielāgotā sekcija joprojām var izraisīt parsera avāriju. Uz shēmu balstīta validācija risina šo problēmu.

• Kā tas darbojas: Jūs definējat stingru shēmu savas pielāgotās sekcijas derīgās slodzes binārajam formātam. Šo shēmu varētu definēt, izmantojot formātu, piemēram, Protocol Buffers, FlatBuffers vai pat pielāgotu specifikāciju. Shēma nosaka paredzēto datu tipu, garumu un struktūru secību.
• Verifikācija: Validētājs ir parsētājs, kas mēģina dekodēt pielāgotās sekcijas derīgo slodzi saskaņā ar iepriekš definēto shēmu. Ja parsēšana norit veiksmīgi bez kļūdām (piemēram, nav bufera pārpildes, nav tipu neatbilstības, visi paredzētie lauki ir klāt), sekcija tiek uzskatīta par strukturāli derīgu. Ja parsēšana jebkurā brīdī neizdodas, sekcija tiek noraidīta.

Plusi:

• Aizsargā parsētājus no nepareizi formatētiem datiem, novēršot noteiktu DoS uzbrukumu klasi.
• Nodrošina konsekvenci un pareizību metadatos.
• Darbojas kā dokumentācijas forma jūsu pielāgotajam datu formātam.

Mīnusi:

• Neaizsargā pret prasmīgu uzbrucēju, kurš izveido strukturāli derīgu, bet semantiski ļaunprātīgu derīgo slodzi.
• Nepieciešama shēmas un validētāja koda uzturēšana.

Slāņveida pieeja: labākais no visām pasaulēm

Šīs metodes nav savstarpēji izslēdzošas. Patiesībā tās ir visspēcīgākās, ja tās apvieno slāņveida drošības stratēģijā:

Ieteicamā validācijas shēma:

1. Atrašana un izolēšana: Vispirms parsējiet Wasm moduli, lai atrastu mērķa pielāgoto sekciju (piemēram, `my_app_metadata`) un tai atbilstošo paraksta sekciju (`my_app_metadata.sig`).
2. Autentiskuma un integritātes verifikācija: Izmantojiet digitālo parakstu, lai pārbaudītu, vai `my_app_metadata` sekcija ir autentiska un nav bojāta. Ja šī pārbaude neizdodas, nekavējoties noraidiet moduli.
3. Struktūras validācija: Ja paraksts ir derīgs, turpiniet parsēt `my_app_metadata` derīgo slodzi, izmantojot savu uz shēmu balstīto validētāju. Ja tā ir nepareizi formatēta, noraidiet moduli.
4. Datu izmantošana: Tikai pēc tam, kad abas pārbaudes ir veiksmīgas, jūs varat droši uzticēties un izmantot metadatus.

Šī slāņveida pieeja nodrošina, ka esat aizsargāts ne tikai no datu manipulācijām, bet arī no uz parsēšanu balstītiem uzbrukumiem, nodrošinot stabilu, dziļu aizsardzību.

Praktiskā ieviešana un rīki

Šīs validācijas ieviešanai ir nepieciešami rīki, kas var manipulēt un pārbaudīt Wasm bināros failus. Ekosistēma piedāvā vairākas lieliskas iespējas.

Rīki pielāgoto sekciju manipulēšanai

• wasm-tools: Komandrindas rīku un Rust bibliotēkas (crate) komplekts Wasm bināro failu parsēšanai, drukāšanai un manipulēšanai. To var izmantot, lai pievienotu, noņemtu vai pārbaudītu pielāgotās sekcijas kā daļu no būvēšanas skripta. Piemēram, komandu `wasm-tools strip` var izmantot, lai noņemtu pielāgotās sekcijas, savukārt pielāgotas programmas var izveidot ar `wasm-tools` bibliotēku, lai pievienotu parakstus.
• Binaryen: Kompilatoru un rīku ķēdes infrastruktūras bibliotēka priekš WebAssembly. Tā rīku `wasm-opt` var izmantot dažādām transformācijām, un tā C++ API nodrošina detalizētu kontroli pār moduļa struktūru, ieskaitot pielāgotās sekcijas.
• Valodai specifiskas rīku ķēdes: Rīki, piemēram, `wasm-bindgen` (Rust) vai kompilatori citām valodām, bieži nodrošina mehānismus vai spraudņus pielāgoto sekciju ievietošanai kompilācijas procesā.

Validētāja pseidokods

Šeit ir konceptuāls, augsta līmeņa piemērs, kā varētu izskatīties validētāja funkcija saimniekdatora lietojumprogrammā:

function validateWasmModule(wasmBytes, trustedPublicKey) { // 1. solis: Parsējiet moduli, lai atrastu attiecīgās sekcijas 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("Nepieciešamā metadatu vai paraksta sekcija trūkst."); } // 2. solis: Pārbaudiet digitālo parakstu const metadataPayload = metadataSection.payload; const signature = signatureSection.payload; const isSignatureValid = crypto.verify(metadataPayload, signature, trustedPublicKey); if (!isSignatureValid) { throw new Error("Metadatu paraksts ir nederīgs. Modulis var būt bojāts."); } // 3. solis: Veiciet uz shēmu balstītu validāciju try { const parsedMetadata = MyAppSchema.decode(metadataPayload); // Dati ir derīgi un tiem var uzticēties return { success: true, metadata: parsedMetadata }; } catch (error) { throw new Error("Metadati ir strukturāli nederīgi: " + error.message); } }

Reālās pasaules lietošanas gadījumi

Nepieciešamība pēc pielāgoto sekciju validācijas nav teorētiska. Tā ir praktiska prasība daudzos mūsdienu Wasm lietošanas gadījumos.

• Droši viedie līgumi blokķēdē: Viedā līguma ABI apraksta tā publiskās funkcijas. Ja šis ABI tiek glabāts pielāgotā sekcijā, tam jābūt parakstītam. Tas novērš iespēju, ka ļaunprātīgi dalībnieki maldinātu lietotāja maku vai dApp, liekot tam nepareizi mijiedarboties ar līgumu, uzrādot viltotu ABI.
• Pārbaudāms programmatūras materiālu saraksts (SBOM): Lai uzlabotu piegādes ķēdes drošību, Wasm modulis var iegult savu SBOM pielāgotā sekcijā. Šīs sekcijas parakstīšana nodrošina, ka atkarību saraksts ir autentisks un nav mainīts, lai slēptu ievainojamu vai ļaunprātīgu komponentu. Moduļa patērētāji pēc tam var automātiski pārbaudīt tā saturu pirms lietošanas.
• Drošas spraudņu sistēmas: Saimniekdatora lietojumprogramma (piemēram, starpniekserveris, datu bāze vai radošs rīks) var izmantot Wasm savai spraudņu arhitektūrai. Pirms trešās puses spraudņa ielādes saimniekdators var pārbaudīt parakstītu `permissions` pielāgoto sekciju. Šī sekcija varētu deklarēt spraudņa nepieciešamās iespējas (piemēram, piekļuvi failu sistēmai, tīkla piekļuvi). Paraksts garantē, ka uzbrucējs pēc publicēšanas nav paaugstinājis atļaujas.
• Pēc satura adresējama izplatīšana: Jaucējot visas Wasm moduļa sekcijas, ieskaitot metadatus, var izveidot unikālu identifikatoru tieši šai būvējuma versijai. To izmanto pēc satura adresējamās krātuvju sistēmās, piemēram, IPFS, kur integritāte ir pamatprincips. Pielāgoto sekciju validācija ir galvenā daļa, lai nodrošinātu šo deterministisko identitāti.

Nākotne: standartizācija un Komponentu modelis

WebAssembly kopiena atzīst moduļu integritātes nozīmi. Wasm kopienas grupā notiek diskusijas par moduļu parakstīšanas un citu drošības primitīvu standartizēšanu. Standartizēta pieeja ļautu izpildlaikiem un rīkiem veikt verifikāciju dabiski, vienkāršojot procesu izstrādātājiem.

Turklāt jaunais WebAssembly Komponentu modelis mērķē standartizēt, kā Wasm moduļi mijiedarbojas savā starpā un ar saimniekdatoru. Tas definē augsta līmeņa saskarnes pielāgotā sekcijā ar nosaukumu `component-type`. Šīs sekcijas integritāte būs vissvarīgākā visas komponentu ekosistēmas drošībai, padarot šeit apspriestās validācijas metodes vēl kritiskākas.

Secinājums: no uzticības līdz verifikācijai

WebAssembly pielāgotās sekcijas nodrošina būtisku elastību, ļaujot ekosistēmai iegult bagātīgus, domēnam specifiskus metadatus tieši moduļos. Tomēr šī elastība nāk ar verifikācijas atbildību. Wasm izpildlaiku noklusējuma uzvedība — ignorēt to, ko tie nesaprot — rada uzticības plaisu, ko var izmantot.

Kā izstrādātājam vai arhitektam, kas veido sistēmas ar WebAssembly, jums jāmaina domāšanas veids no netiešas uzticēšanās metadatiem uz to tiešu verificēšanu. Ieviešot slāņveida validācijas stratēģiju, kas apvieno shēmu pārbaudes strukturālai pareizībai un digitālos parakstus integritātei un autentiskumam, jūs varat aizvērt šo drošības plaisu.

Drošas, stabilas un uzticamas Wasm ekosistēmas veidošana prasa rūpību katrā slānī. Neļaujiet saviem metadatiem kļūt par vājo posmu jūsu drošības ķēdē. Validējiet savas pielāgotās sekcijas, aizsargājiet savas lietotnes un veidojiet ar pārliecību.