Peskovnik za module WebAssembly: Implementacija varnosti z izolacijo

WebAssembly (Wasm) se je uveljavil kot zmogljiva tehnologija za gradnjo visoko zmogljivih, prenosljivih in varnih aplikacij. Njegova zmožnost delovanja s skoraj naravno hitrostjo v izoliranem okolju (peskovniku) ga dela idealnega za širok spekter primerov uporabe, od spletnih brskalnikov do strežniških aplikacij in vgrajenih sistemov. Ta članek se poglobi v ključni koncept peskovnika za module WebAssembly, raziskuje njegov pomen, tehnike implementacije in prednosti za ustvarjanje varnih in robustnih aplikacij.

Kaj je peskovnik za WebAssembly?

Peskovnik za WebAssembly (ang. sandboxing) se nanaša na varnostni mehanizem, ki module Wasm izolira od gostiteljskega okolja in drugih modulov. Ta izolacija preprečuje, da bi zlonamerna ali pomanjkljiva koda znotraj modula Wasm ogrozila integriteto sistema ali dostopala do občutljivih podatkov brez izrecnega dovoljenja. Predstavljajte si ga kot virtualni "peskovnik", v katerem se lahko koda Wasm igra, ne da bi vplivala na zunanji svet.

Ključna načela peskovnika za WebAssembly vključujejo:

• Izolacija pomnilnika: Moduli Wasm delujejo znotraj svojega linearnega pomnilniškega prostora, kar preprečuje neposreden dostop do pomnilnika gostiteljskega sistema ali pomnilnika drugih modulov.
• Omejitve nadzora pretoka: Izvajalno okolje Wasm uveljavlja strog nadzor pretoka, kar preprečuje nepooblaščene skoke ali klice na poljubne naslove kode.
• Prestrezanje sistemskih klicev: Vse interakcije med modulom Wasm in gostiteljskim okoljem morajo potekati preko dobro opredeljenega vmesnika, kar omogoča izvajalnemu okolju, da posreduje pri dostopu do sistemskih virov in uveljavlja varnostne politike.
• Varnost na podlagi zmožnosti: Moduli Wasm imajo dostop samo do virov, ki so jim izrecno dodeljeni preko zmožnosti (ang. capabilities), kar zmanjšuje možnost za stopnjevanje privilegijev.

Zakaj je peskovnik za WebAssembly pomemben?

Peskovnik je za WebAssembly ključnega pomena iz naslednjih razlogov:

• Varnost: Ščiti gostiteljski sistem in druge aplikacije pred zlonamerno ali pomanjkljivo kodo Wasm. Če modul Wasm vsebuje ranljivost ali je namenoma zasnovan kot zlonameren, mu peskovnik prepreči, da bi povzročil škodo izven svojega izoliranega okolja. To je ključno za varno izvajanje nezaupljive kode, kot so knjižnice tretjih oseb ali vsebina, ki jo predložijo uporabniki.
• Prenosljivost: Peskovnik zagotavlja, da se moduli Wasm obnašajo dosledno na različnih platformah in arhitekturah. Ker je modul izoliran, se ne zanaša na specifične sistemske odvisnosti ali obnašanja, kar ga dela zelo prenosljivega. Predstavljajte si modul Wasm, razvit za brskalnik v Evropi; peskovnik zagotavlja, da deluje predvidljivo na strežniku v Aziji ali na vgrajeni napravi v Južni Ameriki.
• Zanesljivost: Z izolacijo modulov Wasm peskovnik povečuje splošno zanesljivost sistema. Manj verjetno je, da bi sesutje ali napaka znotraj modula Wasm povzročila sesutje celotne aplikacije ali operacijskega sistema.
• Zmogljivost: Čeprav je varnost primarni cilj, lahko peskovnik prispeva tudi k zmogljivosti. Z odpravo potrebe po obsežnih varnostnih preverjanjih pri vsakem ukazu lahko izvajalno okolje optimizira izvajanje in doseže skoraj naravno zmogljivost.

Tehnike implementacije peskovnika za WebAssembly

Peskovnik za WebAssembly se implementira s kombinacijo strojnih in programskih tehnik. Te tehnike delujejo skupaj, da ustvarijo varno in učinkovito izolacijsko okolje.

1. Arhitektura virtualnega stroja (VM)

Moduli WebAssembly se običajno izvajajo v okolju virtualnega stroja (VM). VM zagotavlja plast abstrakcije med kodo Wasm in osnovno strojno opremo, kar izvajalnemu okolju omogoča nadzor in spremljanje izvajanja modula. VM uveljavlja izolacijo pomnilnika, omejitve nadzora pretoka in prestrezanje sistemskih klicev. Primeri VM-jev za Wasm vključujejo:

• Brskalniki (npr. Chrome, Firefox, Safari): Brskalniki imajo vgrajene VM-je za Wasm, ki izvajajo module Wasm znotraj varnostnega konteksta brskalnika.
• Samostojna izvajalna okolja (npr. Wasmer, Wasmtime): Samostojna izvajalna okolja zagotavljajo vmesnik ukazne vrstice in API-je za izvajanje modulov Wasm izven brskalnika.

2. Izolacija pomnilnika

Izolacija pomnilnika se doseže tako, da vsak modul Wasm dobi svoj linearni pomnilniški prostor. Ta pomnilniški prostor je sosednji blok pomnilnika, iz katerega lahko modul bere in v katerega lahko piše. Modul ne more neposredno dostopati do pomnilnika izven svojega linearnega pomnilniškega prostora. Izvajalno okolje to izolacijo uveljavlja z uporabo mehanizmov za zaščito pomnilnika, ki jih zagotavlja operacijski sistem, kot so:

• Izolacija naslovnega prostora: Vsakemu modulu Wasm je dodeljen edinstven naslovni prostor, kar mu preprečuje dostop do pomnilnika, ki pripada drugim modulom ali gostiteljskemu sistemu.
• Zastavice za zaščito pomnilnika: Izvajalno okolje nastavi zastavice za zaščito pomnilnika za nadzor dostopa do različnih regij linearnega pomnilnika. Na primer, določene regije so lahko označene kot samo za branje ali samo za izvajanje.

Primer: Predstavljajte si dva modula Wasm, modul A in modul B. Linearni pomnilnik modula A se lahko nahaja na naslovu 0x1000, medtem ko se linearni pomnilnik modula B lahko nahaja na naslovu 0x2000. Če modul A poskuša pisati na naslov 0x2000, bo izvajalno okolje to kršitev zaznalo in sprožilo izjemo.

3. Integriteta nadzora pretoka (CFI)

Integriteta nadzora pretoka (CFI) je varnostni mehanizem, ki zagotavlja, da izvajanje programa sledi predvidenemu nadzoru pretoka. CFI preprečuje napadalcem, da bi ugrabili nadzor pretoka in izvajali poljubno kodo. Izvajalna okolja WebAssembly običajno implementirajo CFI s preverjanjem veljavnosti klicev funkcij in skokov. Natančneje:

• Preverjanje podpisov funkcij: Izvajalno okolje preveri, ali ima klicana funkcija pravilen podpis (tj. pravilno število in tipe argumentov ter povratnih vrednosti).
• Validacija posrednih klicev: Pri posrednih klicih (klici preko kazalcev na funkcije) izvajalno okolje preveri, ali je ciljna funkcija veljaven cilj za klic. To preprečuje napadalcem, da bi vbrizgali zlonamerne kazalce na funkcije in ugrabili nadzor pretoka.
• Upravljanje klicnega sklada: Izvajalno okolje upravlja klicni sklad, da prepreči prelive sklada in druge napade, ki temeljijo na skladu.

4. Prestrezanje sistemskih klicev

Moduli WebAssembly ne morejo neposredno izvajati sistemskih klicev operacijskemu sistemu. Namesto tega morajo potekati skozi dobro opredeljen vmesnik, ki ga zagotavlja izvajalno okolje. Ta vmesnik omogoča izvajalnemu okolju, da posreduje pri dostopu do sistemskih virov in uveljavlja varnostne politike. To se običajno izvaja preko sistemskega vmesnika WebAssembly (WASI).

Sistemski vmesnik WebAssembly (WASI)

WASI je modularni sistemski vmesnik za WebAssembly. Zagotavlja standardiziran način za interakcijo modulov Wasm z operacijskim sistemom. WASI opredeljuje nabor sistemskih klicev, ki jih lahko moduli Wasm uporabljajo za opravljanje nalog, kot so branje in pisanje datotek, dostopanje do omrežja in interakcija s konzolo. Cilj WASI je zagotoviti varen in prenosljiv način za dostop modulov Wasm do sistemskih virov. Ključne značilnosti WASI vključujejo:

• Varnost na podlagi zmožnosti: WASI uporablja varnost na podlagi zmožnosti, kar pomeni, da imajo moduli Wasm dostop samo do virov, ki so jim bili izrecno dodeljeni. Na primer, modulu se lahko dodeli zmožnost branja določene datoteke, ne pa tudi pisanja vanjo.
• Modularna zasnova: WASI je zasnovan modularno, kar pomeni, da ga je mogoče enostavno razširiti z novimi sistemskimi klici in funkcijami. To omogoča WASI, da se prilagodi potrebam različnih okolij in aplikacij.
• Prenosljivost: WASI je zasnovan tako, da je prenosljiv med različnimi operacijskimi sistemi in arhitekturami. To zagotavlja, da se bodo moduli Wasm, ki uporabljajo WASI, obnašali dosledno na različnih platformah.

Primer: Modul Wasm lahko uporabi sistemski klic `wasi_fd_read` za branje podatkov iz datoteke. Preden bi okolje dovolilo modulu branje datoteke, bi preverilo, ali ima modul potrebno zmožnost za dostop do te datoteke. Če modul nima zmožnosti, bi okolje zahtevo zavrnilo.

5. Varnost pri sprotnem prevajanju (JIT)

Številna izvajalna okolja WebAssembly uporabljajo sprotno prevajanje (JIT) za prevajanje bajtne kode Wasm v izvorno strojno kodo. Prevajanje JIT lahko znatno izboljša zmogljivost, vendar prinaša tudi potencialna varnostna tveganja. Za zmanjšanje teh tveganj morajo prevajalniki JIT izvajati več varnostnih ukrepov:

• Varnost generiranja kode: Prevajalnik JIT mora generirati strojno kodo, ki je varna in ne uvaja ranljivosti. To vključuje izogibanje prelivom medpomnilnika, celoštevilskim prelivom in drugim pogostim programerskim napakam.
• Zaščita pomnilnika: Prevajalnik JIT mora zagotoviti, da je generirana strojna koda zaščitena pred spreminjanjem s strani zlonamerne kode. To je mogoče doseči z uporabo mehanizmov za zaščito pomnilnika, ki jih zagotavlja operacijski sistem, kot je označevanje generirane kode kot samo za branje.
• Izolacija prevajalnika JIT: Sam prevajalnik JIT bi moral biti v peskovniku, da se prepreči njegovo izkoriščanje s strani napadalcev. To je mogoče doseči z izvajanjem prevajalnika JIT v ločenem procesu ali z uporabo varnega programskega jezika.

Praktični primeri peskovnika za WebAssembly

Tukaj je nekaj praktičnih primerov, kako se peskovnik za WebAssembly uporablja v resničnih aplikacijah:

• Spletni brskalniki: Spletni brskalniki uporabljajo peskovnik WebAssembly za varno izvajanje nezaupljive kode s spletnih strani. To spletnim stranem omogoča zagotavljanje bogatih in interaktivnih izkušenj brez ogrožanja varnosti uporabnikovega računalnika. Na primer, spletne igre, sodelovalni urejevalniki dokumentov in napredne spletne aplikacije pogosto uporabljajo Wasm za izvajanje računsko intenzivnih nalog v varnem okolju.
• Brezstrežniško računalništvo: Platforme za brezstrežniško računalništvo uporabljajo peskovnik WebAssembly za izolacijo brezstrežniških funkcij med seboj in od osnovne infrastrukture. To zagotavlja, da so brezstrežniške funkcije varne in zanesljive. Podjetja, kot sta Fastly in Cloudflare, uporabljajo Wasm za izvajanje uporabniško definirane logike na robu svojih omrežij, kar zagotavlja nizko latenco in varno izvajanje.
• Vgrajeni sistemi: Peskovnik WebAssembly se lahko uporablja za izolacijo različnih komponent vgrajenega sistema med seboj. To lahko izboljša zanesljivost in varnost sistema. Na primer, v avtomobilskih sistemih bi se lahko Wasm uporabil za izolacijo informacijsko-razvedrilnega sistema od kritičnih nadzornih sistemov, s čimer bi preprečili, da bi ogrožen informacijsko-razvedrilni sistem vplival na varnost vozila.
• Blockchain: Pametne pogodbe na nekaterih platformah blockchain se izvajajo v peskovniku WebAssembly za večjo varnost in determinizem. To je ključno za zagotavljanje, da se pametne pogodbe izvajajo predvidljivo in brez ranljivosti, kar ohranja integriteto verige blokov.

Prednosti peskovnika za WebAssembly

Prednosti peskovnika za WebAssembly so številne in daljnosežne:

• Izboljšana varnost: Peskovnik ščiti pred zlonamerno ali pomanjkljivo kodo in preprečuje, da bi ogrozila integriteto sistema.
• Izboljšana prenosljivost: Peskovnik zagotavlja, da se moduli Wasm obnašajo dosledno na različnih platformah.
• Povečana zanesljivost: Peskovnik izolira module Wasm, kar zmanjšuje tveganje za sesutja in napake.
• Skoraj naravna zmogljivost: Zasnova WebAssembly omogoča učinkovito izvajanje znotraj peskovnika, s čimer dosega skoraj naravno zmogljivost.
• Poenostavljen razvoj: Razvijalci se lahko osredotočijo na pisanje kode, ne da bi jih skrbele osnovne varnostne posledice. Peskovnik privzeto zagotavlja varno okolje.
• Omogoča nove primere uporabe: Peskovnik omogoča varno izvajanje nezaupljive kode v različnih okoljih, kar odpira nove možnosti za spletne aplikacije, brezstrežniško računalništvo in vgrajene sisteme.

Izzivi in premisleki

Čeprav peskovnik za WebAssembly zagotavlja robusten varnostni model, obstajajo še vedno izzivi in premisleki, ki jih je treba upoštevati:

• Napadi preko stranskih kanalov: Napadi preko stranskih kanalov izkoriščajo ranljivosti v strojni ali programski implementaciji peskovnika za pridobivanje občutljivih informacij. Te napade je težko odkriti in preprečiti. Primeri vključujejo časovne napade, napade z analizo porabe energije in napade na predpomnilnik. Strategije za ublažitev vključujejo uporabo algoritmov s konstantnim časom izvajanja, dodajanje šuma v izvajanje in skrbno analizo varnostnih posledic prevajalnika JIT.
• Varnost API-jev: Varnost API-jev, ki jih zagotavlja izvajalno okolje, je ključna za splošno varnost peskovnika. Ranljivosti v teh API-jih bi lahko napadalcem omogočile, da zaobidejo peskovnik in ogrozijo sistem. Bistvenega pomena je skrbno načrtovanje in implementacija teh API-jev ter njihovo redno preverjanje glede varnostnih ranljivosti.
• Omejitve virov: Pomembno je določiti ustrezne omejitve virov za module Wasm, da se prepreči prekomerna poraba virov in povzročanje napadov za zavrnitev storitve. Omejitve virov lahko vključujejo omejitve pomnilnika, omejitve časa CPU in omejitve V/I. Izvajalno okolje bi moralo te omejitve uveljavljati in prekiniti module, ki jih presežejo.
• Združljivost: Ekosistem WebAssembly se nenehno razvija in dodajajo se nove funkcije in razširitve. Pomembno je zagotoviti, da so različna izvajalna okolja WebAssembly med seboj združljiva in da podpirajo najnovejše funkcije.
• Formalna verifikacija: Tehnike formalne verifikacije se lahko uporabijo za formalno dokazovanje pravilnosti in varnosti izvajalnih okolij in modulov WebAssembly. To lahko pomaga prepoznati in preprečiti ranljivosti, ki bi sicer ostale neopažene. Vendar pa je lahko formalna verifikacija zapleten in dolgotrajen postopek.

Prihodnost peskovnika za WebAssembly

Prihodnost peskovnika za WebAssembly je obetavna. Nenehne raziskave in razvojni napori so osredotočeni na izboljšanje varnosti, zmogljivosti in funkcionalnosti izvajalnih okolij WebAssembly. Nekatera ključna področja razvoja vključujejo:

• Izboljšana zaščita pomnilnika: Razvijajo se novi mehanizmi za zaščito pomnilnika za nadaljnjo izolacijo modulov Wasm in preprečevanje napadov, povezanih s pomnilnikom.
• Izboljšana integriteta nadzora pretoka: Razvijajo se naprednejše tehnike CFI za zagotavljanje močnejše zaščite pred ugrabitvijo nadzora pretoka.
• Fino zrnate zmožnosti: Uvajajo se bolj fino zrnate zmožnosti, ki omogočajo natančnejši nadzor nad viri, do katerih lahko dostopajo moduli Wasm.
• Formalna verifikacija: Tehnike formalne verifikacije se vse pogosteje uporabljajo za preverjanje pravilnosti in varnosti izvajalnih okolij in modulov WebAssembly.
• Evolucija WASI: Standard WASI se še naprej razvija, dodaja nove sistemske klice in funkcije za podporo širšemu spektru aplikacij. V teku so prizadevanja za nadaljnjo izboljšavo varnostnega modela na podlagi zmožnosti in izboljšanje prenosljivosti aplikacij WASI.
• Varnost na podlagi strojne opreme: Raziskuje se integracija z varnostnimi funkcijami strojne opreme, kot sta Intel SGX in AMD SEV, za zagotavljanje še močnejše izolacije in zaščite za module WebAssembly.

Zaključek

Peskovnik za WebAssembly je ključna tehnologija za gradnjo varnih, prenosljivih in zanesljivih aplikacij. Z izolacijo modulov Wasm od gostiteljskega okolja in drugih modulov peskovnik preprečuje, da bi zlonamerna ali pomanjkljiva koda ogrozila integriteto sistema. Ker WebAssembly postaja vse bolj priljubljen, se bo pomen peskovnika samo še povečeval. Z razumevanjem načel in tehnik implementacije peskovnika za WebAssembly lahko razvijalci gradijo aplikacije, ki so hkrati varne in zmogljive. Z zorenjem ekosistema lahko pričakujemo nadaljnje napredke v varnostnih ukrepih, kar bo spodbudilo sprejetje Wasm na širšem spektru platform in aplikacij po vsem svetu.