Lås opp for sikker kodekjøring: Et dypdykk i WebAssemblys WASI-kapabilitetssystem

Landskapet for programvareutvikling er i konstant endring, drevet av behovet for sikrere, mer portable og ytelsessterke løsninger. WebAssembly (Wasm) har vokst frem som en sentral teknologi, som lover nesten-nativ ytelse og et sikkert kjøremiljø for kode som kjører på tvers av ulike plattformer. Men for at Wasm virkelig skal oppfylle sitt potensial, spesielt når det samhandler med det underliggende systemet og eksterne ressurser, er et robust og granulært tillatelsessystem avgjørende. Det er her WebAssembly System Interface (WASI) sitt kapabilitetssystem kommer inn, og tilbyr en ny og kraftig tilnærming til å håndtere hva Wasm-moduler kan og ikke kan gjøre.

Evolusjonen av WebAssembly og behovet for systeminteraksjon

Opprinnelig tenkt som et kompileringsmål for nettlesere, for å gjøre det mulig for språk som C++, Rust og Go å kjøre effektivt på nettet, utvidet WebAssemblys ambisjoner seg raskt utover nettleserens sandkasse. Muligheten til å kjøre Wasm-moduler på servere, i skymiljøer og til og med på edge-enheter åpner et univers av muligheter. Denne utvidelsen krever imidlertid en sikker måte for Wasm-moduler å samhandle med vertssystemet – for å få tilgang til filer, gjøre nettverksforespørsler, samhandle med operativsystemet og benytte andre systemressurser. Dette er nøyaktig det problemet WASI har som mål å løse.

Hva er WASI?

WASI er en standard under utvikling som definerer et modulært systemgrensesnitt for WebAssembly. Hovedmålet er å gjøre det mulig for Wasm-moduler å samhandle med vertsmiljøet på en standardisert og sikker måte, uavhengig av underliggende operativsystem eller maskinvare. Tenk på WASI som et sett med API-er som Wasm-moduler kan kalle for å utføre operasjoner på systemnivå, mye som tradisjonelle systemkall. Disse API-ene er designet for å være portable og konsistente på tvers av forskjellige Wasm-runtimes.

Utfordringer med systeminteraksjon

Den direkte integrasjonen av Wasm-moduler med systemressurser utgjør en betydelig sikkerhetsutfordring. Uten tilstrekkelige kontroller kan en Wasm-modul potensielt:

• Få tilgang til sensitive filer på vertssystemet.
• Gjøre vilkårlige nettverksforespørsler, noe som potensielt kan føre til tjenestenektangrep (denial-of-service) eller dataeksfiltrering.
• Manipulere systemkonfigurasjoner eller kjøre ondsinnet kode.
• Bruke overdrevent med ressurser, noe som påvirker stabiliteten til verten.

Tradisjonelle sandboxing-mekanismer baserer seg ofte på prosessisolering eller tillatelser på operativsystemnivå. Selv om disse er effektive, kan de være tunge og gir kanskje ikke den finkornede kontrollen som kreves for moderne, distribuerte og modulære applikasjoner der komponenter kan lastes og kjøres dynamisk.

Introduksjon til WASIs kapabilitetssystem

WASIs kapabilitetssystem representerer et paradigmeskifte i hvordan tillatelser håndteres for WebAssembly-moduler. I stedet for en bred tildeling av tilgang eller en "avvis alt"-tilnærming, opererer det på prinsippet om å tildele spesifikke, finkornede kapabiliteter til Wasm-moduler. Denne tilnærmingen henter inspirasjon fra kapabilitetsbaserte sikkerhetsmodeller, som lenge har vært anerkjent for sitt potensial til å forbedre systemsikkerheten ved å gjøre tilgangskontroll mer eksplisitt og verifiserbar.

Kjernekonsepter i kapabilitetstildeling

I kjernen handler kapabilitetssystemet om:

• Eksplisitte tillatelser: I stedet for implisitt tilgang, må Wasm-moduler eksplisitt tildeles de kapabilitetene de trenger for å utføre spesifikke operasjoner.
• Minste privilegium: Systemet håndhever prinsippet om minste privilegium, som betyr at en Wasm-modul kun skal tildeles det minimale settet med tillatelser som er nødvendig for dens tiltenkte funksjon.
• Uforfalskbare kapabiliteter: Kapabiliteter behandles som uforfalskbare tokens. Når en Wasm-modul er tildelt en kapabilitet, kan den bruke den, men den kan ikke opprette nye kapabiliteter eller gi dem videre til andre moduler uten eksplisitt autorisasjon. Dette forhindrer eskalering av privilegier.
• Modulært og komponerbart: Systemet er designet for å være modulært, noe som gjør at forskjellige kapabiliteter kan tildeles uavhengig av hverandre, noe som fører til en svært komponerbar sikkerhetsmodell.

Slik fungerer det: En forenklet analogi

Tenk deg at en Wasm-modul er som en besøkende som kommer inn i et sikkert anlegg. I stedet for å gi dem en masternøkkel (som ville vært en bred tillatelse), får de spesifikke nøkkelkort for hvert område de trenger tilgang til. For eksempel kan en besøkende få et nøkkelkort for å komme inn i møterommet (lesetilgang til fil), et annet for kantinen (nettverkstilgang til en spesifikk server), og et annet for rekvisitalageret (tilgang til en spesifikk konfigurasjonsfil). De kan ikke bruke disse kortene til å komme inn i begrensede laboratorier eller andre uautoriserte områder. Videre kan de ikke lage kopier av disse nøkkelkortene eller låne dem ut til andre.

Tekniske implementeringsdetaljer

I WASI-konteksten representeres kapabiliteter ofte som ugjennomsiktige "handles" eller "tokens" som Wasm-modulen mottar. Når en Wasm-modul ønsker å utføre en operasjon som krever systemtilgang, kaller den ikke direkte en systemfunksjon. I stedet kaller den en WASI-funksjon og sender med den relevante kapabiliteten. Wasm-runtime (vertsmiljøet) verifiserer deretter at modulen har den nødvendige kapabiliteten før operasjonen får fortsette.

For eksempel, hvis en Wasm-modul trenger å lese en fil med navnet /data/config.json, ville den ikke direkte bruke et systemkall som open(). I stedet kunne den kalt en WASI-funksjon som fd_read(), men dette kallet ville krevd en forhåndstildelt filbeskrivelseskapabilitet (file descriptor capability) for den spesifikke filen eller katalogen. Verten ville ha etablert denne kapabiliteten på forhånd, kanskje ved å mappe en verts-filbeskrivelse til en Wasm-synlig filbeskrivelse og sende den til modulen.

Sentrale involverte WASI-grensesnitt

Flere WASI-grensesnitt er designet for å fungere med kapabilitetssystemet, inkludert:

• wasi-filesystem: Dette grensesnittet gir kapabiliteter for å samhandle med filsystemet. I stedet for å gi tilgang til hele filsystemet, kan spesifikke kataloger eller filer gjøres tilgjengelige.
• wasi-sockets: Dette grensesnittet lar Wasm-moduler utføre nettverksoperasjoner. Kapabiliteter her kan være granulære, og spesifisere hvilke nettverksgrensesnitt, porter eller til og med eksterne verter en modul har lov til å koble seg til.
• wasi-clocks: For tilgang til tid og tidtakere.
• wasi-random: For å generere tilfeldige tall.

Tildelingssystemet sikrer at selv disse grunnleggende kapabilitetene ikke gis som standard. Vertsmiljøet er ansvarlig for å bestemme og injisere de riktige kapabilitetene i Wasm-modulens miljø ved kjøretid.

Fordeler med WASI-kapabilitetstildeling

Bruken av et kapabilitetssystem for WASI gir mange fordeler:

Forbedret sikkerhet

Dette er den viktigste fordelen. Ved å håndheve prinsippet om minste privilegium og gjøre tillatelser eksplisitte, reduseres angrepsflaten drastisk. En kompromittert Wasm-modul kan bare gjøre det den eksplisitt har fått lov til å gjøre, noe som begrenser den potensielle skaden. Dette er avgjørende for å kjøre upålitelig kode i sensitive miljøer.

Forbedret modularitet og gjenbrukbarhet

Wasm-moduler kan designes for å være svært modulære, med deres avhengigheter til systemressurser klart definert av kapabilitetene de krever. Dette gjør dem lettere å resonnere rundt, teste og gjenbruke på tvers av forskjellige applikasjoner og miljøer. En modul som bare trenger lesetilgang til en spesifikk konfigurasjonsfil kan trygt distribueres i ulike kontekster uten frykt for utilsiktet systemtilgang.

Økt portabilitet

WASI har som mål å være plattformuavhengig. Ved å abstrahere systeminteraksjoner gjennom kapabiliteter, kan Wasm-moduler kjøre på enhver vert som implementerer de relevante WASI-grensesnittene, uavhengig av det underliggende operativsystemet. Vertsmiljøet håndterer mappingen av generiske kapabiliteter til spesifikke OS-nivå tillatelser.

Finkornet kontroll

Kapabilitetsmodellen tillater ekstremt granulær kontroll over hva en Wasm-modul kan gjøre. For eksempel, i stedet for å gi nettverkstilgang til alle verter, kan en modul gis tillatelse til å koble seg kun til et spesifikt API-endepunkt på et bestemt domene og port. Dette kontrollnivået er ofte vanskelig å oppnå med tradisjonelle operativsystemtillatelser.

Støtte for ulike kjøremiljøer

Fleksibiliteten til kapabilitetstildeling gjør Wasm egnet for et bredt spekter av miljøer:

• Skybehandling (Cloud Computing): Sikker kjøring av tredjepartskode, mikrotjenester og serverløse funksjoner.
• Edge Computing: Distribuere applikasjoner på ressursbegrensede og potensielt mindre pålitelige edge-enheter.
• Blokkjede og smarte kontrakter: Tilby et sikkert og deterministisk kjøremiljø for smarte kontrakter, for å sikre at de ikke kan forstyrre blokkjedenettverket eller verten.
• Skrivebordsapplikasjoner: Muliggjøre tryggere kjøring av plugins eller utvidelser for applikasjoner.

Implementering av WASI-kapabilitetstildeling i praksis

Implementering av WASI-kapabilitetssystemet innebærer koordinering mellom utvikleren av Wasm-modulen, Wasm-runtime, og potensielt orkestratoren eller distribusjonsmiljøet.

For utviklere av Wasm-moduler

Utviklere som skriver Wasm-moduler bør:

• Være bevisst på avhengigheter: Forstå hvilke systemressurser modulen din vil trenge (filer, nettverk, etc.).
• Bruke WASI API-er: Utnytt WASI-grensesnittene for systeminteraksjoner.
• Designe for minste privilegium: Sikt på å kreve kun de nødvendige kapabilitetene. Hvis modulen din bare trenger å lese en enkelt konfigurasjonsfil, design den til å akseptere en kapabilitet for den filen, i stedet for å forvente full filsystemtilgang.
• Kommunisere krav: Dokumenter tydelig hvilke kapabiliteter modulen din forventer å motta.

For Wasm-runtime-verter og -orkestratorer

Vertsmiljøet spiller en kritisk rolle i å tildele kapabiliteter:

• Miljøkonfigurasjon: Verten må konfigurere Wasm-runtime med de spesifikke kapabilitetene som skal injiseres i modulens miljø. Denne konfigurasjonen kan gjøres dynamisk basert på applikasjonens behov eller statisk under byggetid.
• Kapabilitetsmapping: Verten er ansvarlig for å mappe abstrakte WASI-kapabiliteter til konkrete systemressurser. For eksempel å mappe en Wasm-filbeskrivelse til en spesifikk vertsfilsti eller nettverksendepunkt.
• Håndhevelse ved kjøretid: Wasm-runtime håndhever at Wasm-moduler kun kan bruke de kapabilitetene de har blitt tildelt.

Eksempel: Tildele filtilgang i et skymiljø

Tenk på en serverløs funksjon skrevet i Rust og kompilert til Wasm, designet for å lese brukerdata fra en spesifikk S3-bøtte og behandle den. I stedet for å gi Wasm-modulen bred nettverkstilgang og filsystemtilgang, kan skyleverandørens Wasm-runtime:

1. Injisere en nettverkskapabilitet: Gi tillatelse til å koble til S3-tjenestens endepunkt (f.eks. s3.amazonaws.com på port 443).
2. Injisere en lesekapabilitet for fil: Potensielt mappe et spesifikt S3-objekt (når det er hentet) til en midlertidig filbeskrivelse eller minnebuffer som Wasm-modulen kan lese, uten å gi den generell skrivetilgang til filsystemet.
3. Eller, bruke WASI-FS med forhåndsåpnede kataloger: Verten kan forhåndsåpne en spesifikk katalog som inneholder konfigurasjon eller data som trengs av Wasm-modulen og sende en filbeskrivelse til den. Wasm-modulen vil da bare kunne få tilgang til filer innenfor den forhåndsåpnede katalogen.

Denne tilnærmingen isolerer Wasm-funksjonen, og forhindrer den i å få tilgang til andre skyressurser eller gjøre utilsiktede nettverkskall.

Eksempel: Sikring av smarte kontrakter på en blokkjede

I blokkjede-verdenen blir Wasm i økende grad brukt for smarte kontrakter. Kapabilitetssystemet er avgjørende her for å forhindre smarte kontrakter fra å:

• Forstyrre konsensusmekanismen.
• Få tilgang til sensitive off-chain data uten eksplisitt autorisasjon.
• Forårsake tjenestenektangrep på blokkjedenettverket.

En smart kontrakt kan tildeles kapabiliteter for å:

• Lese spesifikke tilstandsvariabler på blokkjeden.
• Utsende hendelser (events).
• Utføre kryptografiske operasjoner.
• Gjøre kall til andre forhåndsgodkjente smarte kontrakter.

Ethvert forsøk på å få tilgang til uautoriserte ressurser vil bli blokkert av runtime som håndhever disse begrensede kapabilitetene.

Utfordringer og fremtidige retninger

Selv om WASIs kapabilitetssystem er kraftig, er det pågående utfordringer og områder for utvikling:

• Standardisering og interoperabilitet: Å sikre at kapabilitetsmekanismene implementeres konsekvent på tvers av forskjellige Wasm-runtimes og vertsmiljøer er avgjørende for ekte portabilitet.
• Utvikleropplevelse: Gjøre det enklere for utviklere å forstå, definere og håndtere kapabilitetene deres moduler krever. Verktøy og abstraksjoner er nødvendig for å forenkle denne prosessen.
• Dynamisk kapabilitetshåndtering: For mer komplekse scenarier kan det være fordelaktig å utforske mekanismer for dynamisk tilbakekalling eller modifisering av kapabiliteter ved kjøretid.
• Ressursgrenser: Mens kapabiliteter kontrollerer hva som kan aksesseres, er håndhevelse av ressursgrenser (CPU, minne, nettverksbåndbredde) også kritisk for å forhindre DoS-angrep. Dette håndteres ofte sammen med kapabilitetstildeling.

WASI-arbeidsgruppen jobber aktivt med disse utfordringene, med kontinuerlig utvikling av WASI-spesifikasjonene og relaterte grensesnitt.

Den globale virkningen av sikker WebAssembly-kjøring

Kapabilitetssystemet for WASI har dype implikasjoner for det globale programvareøkosystemet:

• Demokratisering av sikker databehandling: Det senker terskelen for å utvikle og distribuere sikre applikasjoner, og gjør avanserte sikkerhetsparadigmer tilgjengelige for et bredere spekter av utviklere og organisasjoner over hele verden.
• Fremme innovasjon: Ved å tilby et trygt miljø for å kjøre mangfoldig kode, oppmuntrer det til eksperimentering og innovasjon på tvers av bransjer, fra finans og helsevesen til underholdning og logistikk.
• Muliggjøre nye arkitekturer: Det baner vei for nye applikasjonsarkitekturer, som høyt distribuerte systemer, føderert læring og sikker flerpartsberegning, der komponenter må kommunisere og operere sikkert uten implisitt tillit.
• Håndtere regulatorisk etterlevelse: For organisasjoner som opererer under strenge personvernregler (som GDPR eller CCPA), kan den granulære kontrollen som kapabilitetstildeling tilbyr, være avgjørende for å demonstrere etterlevelse og beskytte sensitive data.

En universell plattform for pålitelig kode

WebAssembly, styrket av WASI og dets kapabilitetssystem, blir raskt en universell plattform for å kjøre pålitelig kode. Det bygger bro mellom høynivå programmeringsspråk og lavnivå systemressurser, alt mens det opprettholder en sterk sikkerhetsposisjon.

Enten du bygger neste generasjon av skytjenester, distribuerer applikasjoner på kanten (edge), eller sikrer blokkjedeinfrastruktur, vil forståelse og utnyttelse av WASIs kapabilitetssystem bli stadig viktigere. Det representerer et betydelig skritt fremover i å skape en sikrere, mer portabel og interoperabel datafremtid for alle, overalt.

Konklusjon

WASIs kapabilitetssystem er en hjørnestein i WebAssemblys utvikling til en virkelig universell runtime. Ved å gå fra brede tillatelser til eksplisitte, uforfalskbare og minst-privilegium-kapabiliteter, adresserer det kritiske sikkerhetsbekymringer som oppstår når WebAssembly beveger seg utover nettleseren. Denne robuste tillatelsesmodellen låser opp nye muligheter for å kjøre upålitelig eller kompleks kode i en rekke miljøer, fra sensitive skydistribusjoner til desentraliserte blokkjedenettverk. Etter hvert som WASI fortsetter å modnes, vil kapabilitetssystemet utvilsomt spille en stadig voksende rolle i å forme fremtiden for sikker og portabel programvarekjøring på global skala.