Sandboxing av WebAssembly-moduler: Implementering av isolasjonssikkerhet

WebAssembly (Wasm) har dukket opp som en kraftig teknologi for å bygge høytytende, portable og sikre applikasjoner. Evnen til å kjøre nær maskinvarehastighet i et sandboxed-miljø gjør det ideelt for et bredt spekter av bruksområder, fra nettlesere til server-side-applikasjoner og innebygde systemer. Denne artikkelen dykker ned i det avgjørende konseptet med sandboxing av WebAssembly-moduler, og utforsker dens viktighet, implementeringsteknikker og fordeler for å skape sikre og robuste applikasjoner.

Hva er WebAssembly Sandboxing?

WebAssembly sandboxing refererer til sikkerhetsmekanismen som isolerer Wasm-moduler fra verts-miljøet og andre moduler. Denne isolasjonen forhindrer ondsinnet eller feilaktig kode i en Wasm-modul fra å kompromittere systemets integritet eller få tilgang til sensitive data uten eksplisitt tillatelse. Tenk på det som en virtuell "sandkasse" der Wasm-koden kan leke uten å påvirke verden utenfor.

Hovedprinsippene for WebAssembly sandboxing inkluderer:

• Minneisolering: Wasm-moduler opererer innenfor sitt eget lineære minneområde, noe som forhindrer direkte tilgang til vertssystemets minne eller minnet til andre moduler.
• Kontrollflytbegrensninger: Wasm-kjøretiden håndhever streng kontrollflyt, og forhindrer uautoriserte hopp eller kall til vilkårlige kodelinjer.
• Avskjæring av systemkall: All interaksjon mellom Wasm-modulen og verts-miljøet må gå gjennom et veldefinert grensesnitt, noe som lar kjøretiden megle tilgang til systemressurser og håndheve sikkerhetspolicyer.
• Kapabilitetsbasert sikkerhet: Wasm-moduler har kun tilgang til ressurser som eksplisitt er gitt dem gjennom kapabiliteter, noe som minimerer potensialet for eskalering av privilegier.

Hvorfor er WebAssembly Sandboxing viktig?

Sandboxing er avgjørende for WebAssembly av følgende grunner:

• Sikkerhet: Det beskytter vertssystemet og andre applikasjoner mot ondsinnet eller feilaktig Wasm-kode. Hvis en Wasm-modul inneholder en sårbarhet eller er bevisst designet for å være ondsinnet, forhindrer sandkassen den i å forårsake skade utenfor sitt isolerte miljø. Dette er avgjørende for å kjøre upålitelig kode, som tredjepartsbiblioteker eller brukerinnsendt innhold, på en sikker måte.
• Portabilitet: Sandkassen sikrer at Wasm-moduler oppfører seg konsistent på tvers av forskjellige plattformer og arkitekturer. Siden modulen er isolert, er den ikke avhengig av spesifikke systemavhengigheter eller atferd, noe som gjør den svært portabel. Tenk på en Wasm-modul utviklet for en nettleser i Europa; sandboxing sikrer at den fungerer forutsigbart på en server i Asia eller en innebygd enhet i Sør-Amerika.
• Pålitelighet: Ved å isolere Wasm-moduler, forbedrer sandboxing den generelle påliteligheten til systemet. En krasj eller feil i en Wasm-modul vil med mindre sannsynlighet føre til at hele applikasjonen eller operativsystemet krasjer.
• Ytelse: Selv om sikkerhet er hovedfokuset, kan sandboxing også bidra til ytelse. Ved å eliminere behovet for omfattende sikkerhetssjekker ved hver instruksjon, kan kjøretiden optimalisere utførelsen og oppnå nær maskinvareytelse.

Implementeringsteknikker for WebAssembly Sandboxing

WebAssembly sandboxing implementeres gjennom en kombinasjon av maskinvare- og programvareteknikker. Disse teknikkene jobber sammen for å skape et sikkert og effektivt isolasjonsmiljø.

1. Virtuell Maskin (VM) Arkitektur

WebAssembly-moduler kjøres vanligvis i et virtuelt maskinmiljø (VM). VM-en gir et abstraksjonslag mellom Wasm-koden og den underliggende maskinvaren, noe som lar kjøretiden kontrollere og overvåke modulens utførelse. VM-en håndhever minneisolering, kontrollflytbegrensninger og avskjæring av systemkall. Eksempler på Wasm VM-er inkluderer:

• Nettlesere (f.eks. Chrome, Firefox, Safari): Nettlesere har innebygde Wasm VM-er som kjører Wasm-moduler innenfor nettleserens sikkerhetskontekst.
• Frittstående kjøretider (f.eks. Wasmer, Wasmtime): Frittstående kjøretider gir et kommandolinjegrensesnitt og API-er for å kjøre Wasm-moduler utenfor nettleseren.

2. Minneisolering

Minneisolering oppnås ved å gi hver Wasm-modul sitt eget lineære minneområde. Dette minneområdet er en sammenhengende minneblokk som modulen kan lese fra og skrive til. Modulen kan ikke få direkte tilgang til minne utenfor sitt eget lineære minneområde. Kjøretiden håndhever denne isolasjonen ved å bruke minnebeskyttelsesmekanismer levert av operativsystemet, for eksempel:

• Adresseromsisolasjon: Hver Wasm-modul tildeles et unikt adresserom, noe som forhindrer den i å få tilgang til minne som tilhører andre moduler eller vertssystemet.
• Minnebeskyttelsesflagg: Kjøretiden setter minnebeskyttelsesflagg for å kontrollere tilgangen til forskjellige regioner av det lineære minnet. For eksempel kan visse regioner merkes som skrivebeskyttet eller kun-kjørbar.

Eksempel: Tenk deg to Wasm-moduler, Modul A og Modul B. Modul A sitt lineære minne kan være plassert på adresse 0x1000, mens Modul B sitt lineære minne kan være plassert på adresse 0x2000. Hvis Modul A prøver å skrive til adresse 0x2000, vil kjøretiden oppdage dette bruddet og utløse et unntak.

3. Kontrollflytintegritet (CFI)

Kontrollflytintegritet (CFI) er en sikkerhetsmekanisme som sikrer at programmets utførelse følger den tiltenkte kontrollflyten. CFI forhindrer angripere i å kapre kontrollflyten og kjøre vilkårlig kode. WebAssembly-kjøretider implementerer vanligvis CFI ved å verifisere gyldigheten av funksjonskall og hopp. Spesifikt:

• Signatursjekker for funksjoner: Kjøretiden verifiserer at funksjonen som kalles har riktig signatur (dvs. riktig antall og typer argumenter og returverdier).
• Validering av indirekte kall: For indirekte kall (kall via funksjonspekere), verifiserer kjøretiden at målfunksjonen er et gyldig mål for kallet. Dette forhindrer angripere i å injisere ondsinnede funksjonspekere og kapre kontrollflyten.
• Håndtering av kallstakken: Kjøretiden administrerer kallstakken for å forhindre stakkoverflyt og andre stakkbaserte angrep.

4. Avskjæring av systemkall

WebAssembly-moduler kan ikke direkte utføre systemkall til operativsystemet. I stedet må de gå gjennom et veldefinert grensesnitt levert av kjøretiden. Dette grensesnittet lar kjøretiden megle tilgang til systemressurser og håndheve sikkerhetspolicyer. Dette implementeres vanligvis gjennom WebAssembly System Interface (WASI).

WebAssembly System Interface (WASI)

WASI er et modulært systemgrensesnitt for WebAssembly. Det gir en standardisert måte for Wasm-moduler å interagere med operativsystemet på. WASI definerer et sett med systemkall som Wasm-moduler kan bruke til å utføre oppgaver som å lese og skrive filer, få tilgang til nettverket og interagere med konsollen. WASI har som mål å tilby en sikker og portabel måte for Wasm-moduler å få tilgang til systemressurser. Sentrale funksjoner i WASI inkluderer:

• Kapabilitetsbasert sikkerhet: WASI bruker kapabilitetsbasert sikkerhet, noe som betyr at Wasm-moduler kun har tilgang til de ressursene de eksplisitt har blitt tildelt. For eksempel kan en modul få kapabiliteten til å lese en bestemt fil, men ikke til å skrive til den.
• Modulær design: WASI er designet for å være modulær, noe som betyr at den enkelt kan utvides med nye systemkall og funksjoner. Dette gjør at WASI kan tilpasse seg behovene til forskjellige miljøer og applikasjoner.
• Portabilitet: WASI er designet for å være portabel på tvers av forskjellige operativsystemer og arkitekturer. Dette sikrer at Wasm-moduler som bruker WASI vil oppføre seg konsistent på tvers av ulike plattformer.

Eksempel: En Wasm-modul kan bruke systemkallet `wasi_fd_read` for å lese data fra en fil. Før modulen får lov til å lese filen, vil kjøretiden sjekke om modulen har den nødvendige kapabiliteten for å få tilgang til filen. Hvis modulen ikke har kapabiliteten, vil kjøretiden avslå forespørselen.

5. Just-In-Time (JIT) kompileringssikkerhet

Mange WebAssembly-kjøretider bruker Just-In-Time (JIT) kompilering for å oversette Wasm-bytekode til maskinkode. JIT-kompilering kan forbedre ytelsen betydelig, men det introduserer også potensielle sikkerhetsrisikoer. For å redusere disse risikoene, må JIT-kompilatorer implementere flere sikkerhetstiltak:

• Sikkerhet ved kodegenerering: JIT-kompilatoren må generere maskinkode som er sikker og ikke introduserer sårbarheter. Dette inkluderer å unngå bufferoverflyt, heltallsoverflyt og andre vanlige programmeringsfeil.
• Minnebeskyttelse: JIT-kompilatoren må sikre at den genererte maskinkoden er beskyttet mot modifisering av ondsinnet kode. Dette kan oppnås ved å bruke minnebeskyttelsesmekanismer levert av operativsystemet, som å merke den genererte koden som skrivebeskyttet.
• Sandboxing av JIT-kompilatoren: Selve JIT-kompilatoren bør være sandboxed for å forhindre at den blir utnyttet av angripere. Dette kan oppnås ved å kjøre JIT-kompilatoren i en separat prosess eller ved å bruke et sikkert programmeringsspråk.

Praktiske eksempler på WebAssembly Sandboxing

Her er noen praktiske eksempler på hvordan WebAssembly sandboxing brukes i virkelige applikasjoner:

• Nettlesere: Nettlesere bruker WebAssembly sandboxing for å sikkert kjøre upålitelig kode fra nettsteder. Dette gjør at nettsteder kan levere rike og interaktive opplevelser uten å kompromittere sikkerheten til brukerens datamaskin. For eksempel bruker onlinespill, samarbeidsverktøy for dokumentredigering og avanserte webapplikasjoner ofte Wasm for å utføre beregningsintensive oppgaver i et sikkert miljø.
• Serverløs databehandling: Serverløse databehandlingsplattformer bruker WebAssembly sandboxing for å isolere serverløse funksjoner fra hverandre og fra den underliggende infrastrukturen. Dette sikrer at serverløse funksjoner er sikre og pålitelige. Selskaper som Fastly og Cloudflare bruker Wasm til å kjøre brukerdefinert logikk på kanten av nettverkene sine, noe som gir lav forsinkelse og sikker utførelse.
• Innebygde systemer: WebAssembly sandboxing kan brukes til å isolere forskjellige komponenter i et innebygd system fra hverandre. Dette kan forbedre påliteligheten og sikkerheten til systemet. For eksempel, i bilsystemer, kan Wasm brukes til å isolere infotainmentsystemet fra kritiske kontrollsystemer, og dermed forhindre at et kompromittert infotainmentsystem påvirker kjøretøyets sikkerhet.
• Blokkjede: Smarte kontrakter på noen blokkjedeplattformer kjøres i en WebAssembly-sandkasse for økt sikkerhet og determinisme. Dette er avgjørende for å sikre at smarte kontrakter utføres forutsigbart og uten sårbarheter, og dermed opprettholder integriteten til blokkjeden.

Fordeler med WebAssembly Sandboxing

Fordelene med WebAssembly sandboxing er mange og vidtrekkende:

• Forbedret sikkerhet: Sandboxing beskytter mot ondsinnet eller feilaktig kode, og forhindrer den i å kompromittere systemets integritet.
• Bedre portabilitet: Sandboxing sikrer at Wasm-moduler oppfører seg konsistent på tvers av forskjellige plattformer.
• Økt pålitelighet: Sandboxing isolerer Wasm-moduler, noe som reduserer risikoen for krasj og feil.
• Nær maskinvareytelse: WebAssemblys design tillater effektiv utførelse innenfor sandkassen, og oppnår nær maskinvareytelse.
• Forenklet utvikling: Utviklere kan fokusere på å skrive kode uten å bekymre seg for de underliggende sikkerhetsimplikasjonene. Sandkassen gir et sikkert miljø som standard.
• Muliggjør nye bruksområder: Sandboxing gjør det mulig å trygt kjøre upålitelig kode i en rekke miljøer, noe som åpner for nye muligheter for webapplikasjoner, serverløs databehandling og innebygde systemer.

Utfordringer og hensyn

Selv om WebAssembly sandboxing gir en robust sikkerhetsmodell, er det fortsatt utfordringer og hensyn å ta:

• Sidekanalangrep: Sidekanalangrep utnytter sårbarheter i maskinvare- eller programvareimplementeringen av sandkassen for å hente ut sensitiv informasjon. Disse angrepene kan være vanskelige å oppdage og forhindre. Eksempler inkluderer tidsangrep, strømanalyseangrep og cache-angrep. Mottiltak inkluderer bruk av konstanttidsalgoritmer, å legge til støy i utførelsen, og nøye analyse av sikkerhetsimplikasjonene til JIT-kompilatoren.
• API-sikkerhet: Sikkerheten til API-ene som tilbys av kjøretiden er avgjørende for den generelle sikkerheten til sandkassen. Sårbarheter i disse API-ene kan tillate angripere å omgå sandkassen og kompromittere systemet. Det er viktig å designe og implementere disse API-ene nøye, og å regelmessig revidere dem for sikkerhetssårbarheter.
• Ressursgrenser: Det er viktig å sette passende ressursgrenser for Wasm-moduler for å forhindre dem i å konsumere for store ressurser og forårsake tjenestenektangrep. Ressursgrenser kan inkludere minnegrenser, CPU-tidsgrenser og I/O-grenser. Kjøretiden bør håndheve disse grensene og terminere moduler som overskrider dem.
• Kompatibilitet: WebAssembly-økosystemet er i konstant utvikling, og nye funksjoner og utvidelser legges til. Det er viktig å sikre at forskjellige WebAssembly-kjøretider er kompatible med hverandre og at de støtter de nyeste funksjonene.
• Formell verifisering: Formelle verifiseringsteknikker kan brukes til å formelt bevise korrektheten og sikkerheten til WebAssembly-kjøretider og -moduler. Dette kan hjelpe med å identifisere og forhindre sårbarheter som ellers kunne gått ubemerket hen. Imidlertid kan formell verifisering være en kompleks og tidkrevende prosess.

Fremtiden for WebAssembly Sandboxing

Fremtiden for WebAssembly sandboxing ser lovende ut. Pågående forsknings- og utviklingsarbeid fokuserer på å forbedre sikkerheten, ytelsen og funksjonaliteten til WebAssembly-kjøretider. Noen sentrale utviklingsområder inkluderer:

• Forbedret minnebeskyttelse: Nye minnebeskyttelsesmekanismer utvikles for å ytterligere isolere Wasm-moduler og forhindre minnerelaterte angrep.
• Forbedret kontrollflytintegritet: Mer sofistikerte CFI-teknikker utvikles for å gi sterkere beskyttelse mot kapring av kontrollflyten.
• Finkornede kapabiliteter: Mer finkornede kapabiliteter introduseres for å tillate mer presis kontroll over ressursene som Wasm-moduler kan få tilgang til.
• Formell verifisering: Formelle verifiseringsteknikker blir i økende grad brukt for å verifisere korrektheten og sikkerheten til WebAssembly-kjøretider og -moduler.
• WASI-evolusjon: WASI-standarden fortsetter å utvikle seg, og legger til nye systemkall og funksjoner for å støtte et bredere spekter av applikasjoner. Det arbeides med å ytterligere forbedre den kapabilitetsbaserte sikkerhetsmodellen og forbedre portabiliteten til WASI-applikasjoner.
• Maskinvarebasert sikkerhet: Integrasjon med maskinvaresikkerhetsfunksjoner, som Intel SGX og AMD SEV, utforskes for å gi enda sterkere isolasjon og beskyttelse for WebAssembly-moduler.

Konklusjon

WebAssembly sandboxing er en kritisk teknologi for å bygge sikre, portable og pålitelige applikasjoner. Ved å isolere Wasm-moduler fra verts-miljøet og andre moduler, forhindrer sandboxing ondsinnet eller feilaktig kode i å kompromittere systemets integritet. Etter hvert som WebAssembly fortsetter å vinne popularitet, vil viktigheten av sandboxing bare øke. Ved å forstå prinsippene og implementeringsteknikkene for WebAssembly sandboxing, kan utviklere bygge applikasjoner som er både sikre og ytelsessterke. Etter hvert som økosystemet modnes, kan vi forvente å se ytterligere fremskritt innen sikkerhetstiltak, noe som driver adopsjonen av Wasm på tvers av et bredere spekter av plattformer og applikasjoner globalt.