WebAssembly WASI Filsystem: En Djupdykning i Implementeringen av ett Virtuellt Filsystem

WebAssembly (Wasm) har revolutionerat landskapet för applikationsutveckling genom att erbjuda en portabel, effektiv och säker exekveringsmiljö. Men WebAssembly är avsiktligen isolerat och saknar direktåtkomst till systemresurser. Det är här WebAssembly System Interface (WASI) kommer in i bilden. WASI tillhandahåller ett standardiserat gränssnitt för WebAssembly-moduler för att interagera med operativsystemet, och en avgörande del av WASI är dess virtuella filsystemsimplementering.

Vad är WASI?

WASI (WebAssembly System Interface) är ett modulärt systemgränssnitt för WebAssembly. Det syftar till att tillhandahålla ett säkert och portabelt sätt för WebAssembly-moduler att komma åt operativsystemresurser som filsystemet, nätverket och klockan. Traditionella metoder för att exekvera WebAssembly utanför webbläsare förlitade sig på webbläsarspecifika API:er eller ad hoc-plattformsspecifika bindningar. WASI standardiserar detta, vilket gör det möjligt för WebAssembly-moduler att köras i olika miljöer, från inbyggda system till molnservrar, utan omkompilering.

Behovet av ett Virtuellt Filsystem

Direktåtkomst till värdfilsystemet skulle innebära betydande säkerhetsrisker. En skadlig eller komprometterad WebAssembly-modul skulle potentiellt kunna läsa, skriva eller radera känslig data. För att mildra dessa risker implementerar WASI ett virtuellt filsystem. Detta virtuella filsystem fungerar som ett mellanliggande lager mellan WebAssembly-modulen och värdfilsystemet. Det tillåter WebAssembly-modulen att interagera med filer och kataloger på ett kontrollerat och säkert sätt.

Viktiga Fördelar med ett Virtuellt Filsystem:

• Säkerhet: Det virtuella filsystemet begränsar WebAssembly-modulens åtkomst till endast de kataloger och filer som uttryckligen beviljats av värdmiljön. Denna sandlådemekanism förhindrar obehörig åtkomst till känslig data.
• Portabilitet: WebAssembly-modulen interagerar med ett konsekvent virtuellt filsystemgränssnitt, oavsett det underliggande värdoperativsystemet. Detta säkerställer att modulen beter sig förutsägbart på olika plattformar.
• Reproducerbarhet: Genom att kontrollera innehållet och strukturen i det virtuella filsystemet kan värdmiljön säkerställa att WebAssembly-modulens exekvering är reproducerbar. Detta är avgörande för applikationer som kräver deterministiskt beteende.
• Testbarhet: Det virtuella filsystemet tillåter utvecklare att enkelt skapa isolerade testmiljöer för WebAssembly-moduler. Detta förenklar processen att verifiera kodens korrekthet och robusthet.

Hur WASI Filsystem Fungerar

WASI-filsystemet tillhandahåller ett POSIX-liknande API (t.ex. `open`, `read`, `write`, `mkdir`, `rmdir`) för WebAssembly-moduler. Dessa API-anrop mappas dock inte direkt till värdoperativsystemets filsystem. Istället medieras de av WASI-körtiden, som översätter de virtuella filsystemoperationerna till lämpliga åtgärder på värdfilsystemet, med förbehåll för de definierade åtkomstbegränsningarna.

Viktiga Komponenter:

• Filbeskrivare: WASI använder filbeskrivare för att representera öppna filer och kataloger. Dessa filbeskrivare är ogenomskinliga heltal som hanteras av WASI-körtiden. WebAssembly-modulen interagerar med filer och kataloger genom dessa filbeskrivare.
• Föröppnade Kataloger: Värdmiljön kan föröppna kataloger och tilldela dem filbeskrivare. Dessa föröppnade kataloger fungerar som rotkataloger för WebAssembly-modulens filsystemsåtkomst. WebAssembly-modulen kan sedan navigera inom dessa föröppnade kataloger för att komma åt filer och underkataloger.
• Kapaciteter: WASI använder en kapacitetsbaserad säkerhetsmodell. När en katalog föröppnas kan värdmiljön bevilja specifika kapaciteter till WebAssembly-modulen, såsom läsbehörighet, skrivbehörighet eller möjligheten att skapa nya filer och kataloger.
• Sökvägsupplösning: När WebAssembly-modulen försöker komma åt en fil eller katalog med hjälp av en sökväg, löser WASI-körtiden sökvägen relativt de föröppnade katalogerna. Denna process innebär att man kontrollerar de kapaciteter som är associerade med varje katalog i sökvägen för att säkerställa att WebAssembly-modulen har de nödvändiga behörigheterna.

Exempel: Åtkomst till en Fil i WASI

Låt oss säga att värdmiljön föröppnar en katalog som heter `/data` och tilldelar den filbeskrivare 3. WebAssembly-modulen kan sedan öppna en fil som heter `input.txt` inuti katalogen `/data` med följande kod (pseudokod):

            
file_descriptor = wasi_open(3, "input.txt", ...);

            

              
                Copy
              
            
          

Funktionen `wasi_open` tar filbeskrivaren för den föröppnade katalogen (3) och den relativa sökvägen till filen (`input.txt`) som argument. WASI-körtiden kommer sedan att kontrollera om WebAssembly-modulen har de nödvändiga behörigheterna för att öppna filen. Om behörigheterna beviljas kommer WASI-körtiden att returnera en ny filbeskrivare som representerar den öppnade filen.

Verkliga Applikationer

• Serverlös Databehandling: WASI kan användas för att köra WebAssembly-funktioner i serverlösa miljöer. Det virtuella filsystemet tillåter dessa funktioner att komma åt data- och konfigurationsfiler säkert och effektivt.
• Edge Computing: WASI är väl lämpad för edge computing-scenarier, där applikationer behöver köras på enheter med begränsade resurser. WASI-filsystemet tillhandahåller ett lättviktigt och portabelt sätt att hantera data och konfiguration på dessa enheter. Till exempel kan industriella sensorer använda WASI för att bearbeta data lokalt innan de skickar den till molnet.
• Inbäddade System: WASI kan användas för att utveckla applikationer för inbäddade system, såsom mikrokontroller och IoT-enheter. Det virtuella filsystemet tillåter dessa applikationer att komma åt hårdvaruresurser och kommunicera med andra enheter på ett kontrollerat sätt.
• Kommandoradsverktyg: WASI gör det möjligt att bygga portabla kommandoradsverktyg som kan köras på alla operativsystem. Till exempel kan en utvecklare skapa ett WASI-baserat bildbehandlingsverktyg som fungerar sömlöst på Linux, macOS och Windows.
• Databasystem: Flera databasystem experimenterar med WASI för att möjliggöra körning av databaslogik (t.ex. lagrade procedurer eller användardefinierade funktioner) på ett säkert och portabelt sätt inuti WebAssembly-körtider. Detta möjliggör större isolering och säkerhet, vilket förhindrar skadlig kod från att direkt påverka databasservern.

Säkerhetsöverväganden

Även om WASI ger en betydande förbättring av säkerheten jämfört med direktåtkomst till värdfilsystemet, är det viktigt att förstå de säkerhetsöverväganden som är involverade. Säkerheten i WASI-filsystemet förlitar sig på korrekt implementering av WASI-körtiden och den noggranna konfigurationen av värdmiljön.

Potentiella Säkerhetsrisker:

• Bugg i WASI-körtiden: Bugg i WASI-körtiden kan potentiellt tillåta WebAssembly-moduler att kringgå säkerhetsbegränsningarna och få obehörig åtkomst till värdfilsystemet.
• Felkonfiguration av Föröppnade Kataloger: Om värdmiljön felaktigt konfigurerar de föröppnade katalogerna eller beviljar överdrivna kapaciteter till WebAssembly-modulen, kan det exponera känslig data eller funktionalitet.
• Leveranskedjeattacker: Om WebAssembly-modulen är beroende av opålitliga tredjepartsbibliotek kan den vara sårbar för leveranskedjeattacker. Ett komprometterat bibliotek kan potentiellt få åtkomst till det virtuella filsystemet och stjäla känslig data.
• Överbelastningsattacker: En skadlig WebAssembly-modul kan potentiellt starta överbelastningsattacker genom att konsumera överdrivna resurser, såsom CPU-tid eller minne.

Bästa Metoder för Säkerhet:

• Använd en Ansedd WASI-körtid: Välj en WASI-körtid som aktivt underhålls och har en bra säkerhetshistorik.
• Konfigurera Föröppnade Kataloger Noggrant: Bevilja endast de nödvändiga kapaciteterna till WebAssembly-modulen. Undvik att föröppna kataloger som innehåller känslig data.
• Använd Statisk Analys och Fuzzing: Använd statisk analys och fuzzingverktyg för att identifiera potentiella säkerhetsbrister i WebAssembly-modulen och WASI-körtiden.
• Övervaka Resursanvändning: Övervaka WebAssembly-modulens resursanvändning för att upptäcka potentiella överbelastningsattacker.
• Implementera Sandlådor: Använd ytterligare sandlådetekniker, såsom seccomp, för att ytterligare begränsa WebAssembly-modulens åtkomst till systemresurser.
• Regelbundna Säkerhetsgranskningar: Utför regelbundna säkerhetsgranskningar av WASI-körtiden och WebAssembly-modulerna för att identifiera och åtgärda potentiella sårbarheter.

Framtiden för WASI Filsystem

• Standardiserat Virtuellt Filsystemsformat: Att definiera ett standardiserat format för att representera virtuella filsystem kan underlätta delning och distribution av WASI-baserade applikationer. Detta kan innebära att man använder ett containerliknande format för att paketera WebAssembly-modulen och dess associerade virtuella filsystem.
• Förbättrad Prestanda: Att optimera prestandan för WASI-körtiden och implementeringen av det virtuella filsystemet är avgörande för att möjliggöra högpresterande applikationer. Detta kan innebära att man använder tekniker som cachelagring och asynkron I/O.
• Förbättrad Säkerhet: Att ytterligare förbättra säkerheten i WASI-filsystemet är en pågående ansträngning. Detta kan innebära att man implementerar mer finkorniga åtkomstkontrollmekanismer och förbättrar robustheten i WASI-körtiden.
• Integration med Molntjänster: Att integrera WASI-filsystemet med molnlagringstjänster kan göra det möjligt för WebAssembly-moduler att komma åt data som lagras i molnet på ett säkert och portabelt sätt.
• Stöd för Nya Filsystemsfunktioner: Att lägga till stöd för nya filsystemsfunktioner, såsom symboliska länkar och hårda länkar, kan utöka kapaciteten hos WASI-filsystemet och möjliggöra ett bredare spektrum av applikationer.

Exempel från Runt om i Världen

• Europa: Flera forskningsinstitutioner i Europa utforskar användningen av WASI för säker och portabel exekvering av vetenskapliga simuleringar. WASI-filsystemet tillåter dessa simuleringar att komma åt data- och konfigurationsfiler på ett kontrollerat sätt, vilket säkerställer reproducerbarhet och säkerhet.
• Nordamerika: Stora molnleverantörer i Nordamerika erbjuder WASI-baserade serverlösa databehandlingsplattformar. Dessa plattformar tillåter utvecklare att köra WebAssembly-funktioner i molnet utan att behöva hantera den underliggande infrastrukturen. WASI-filsystemet tillhandahåller ett säkert och effektivt sätt att komma åt data- och konfigurationsfiler.
• Asien: Företag i Asien använder WASI för att utveckla inbäddade system och IoT-enheter. WASI-filsystemet tillhandahåller ett lättviktigt och portabelt sätt att hantera data och konfiguration på dessa enheter.
• Afrika: Utvecklare i Afrika utforskar användningen av WASI för att bygga offline-först webbapplikationer. WASI-filsystemet tillåter dessa applikationer att lagra data lokalt och synkronisera den med molnet när en nätverksanslutning är tillgänglig.
• Sydamerika: Universitet i Sydamerika integrerar WASI i sina datavetenskapliga läroplaner. Detta hjälper till att utbilda nästa generation av utvecklare i användningen av WebAssembly och WASI.

Användbara Insikter för Utvecklare

Om du är en utvecklare som är intresserad av att använda WASI och dess virtuella filsystem, här är några användbara insikter:

• Börja med Enkla Exempel: Börja med att experimentera med enkla exempel för att förstå grunderna i WASI och WASI-filsystemet. Det finns många handledningar och exempel tillgängliga online.
• Använd en WASI SDK: Använd en WASI SDK (Software Development Kit) för att förenkla processen att utveckla WebAssembly-moduler för WASI. Dessa SDK:er tillhandahåller verktyg och bibliotek som gör det enklare att kompilera och länka din kod.
• Välj Rätt Programmeringsspråk: WASI stöder en mängd olika programmeringsspråk, inklusive C, C++, Rust och Go. Välj det programmeringsspråk som är bäst lämpat för ditt projekt.
• Testa Noggrant: Testa dina WebAssembly-moduler noggrant för att säkerställa att de är säkra och tillförlitliga. Använd fuzzing- och statiska analysverktyg för att identifiera potentiella sårbarheter.
• Håll Dig Uppdaterad: WASI är en teknik som utvecklas snabbt, så håll dig uppdaterad med den senaste utvecklingen. Följ WASI-standarderna och delta i WASI-communityn.

Slutsats

Ytterligare Resurser:

• WASI Officiell Webbplats
• WASI GitHub Repository