Розблокування безпечного виконання коду: глибоке занурення в систему надання повноважень WASI для WebAssembly

Сфера розробки програмного забезпечення постійно розвивається, що зумовлено потребою в більш безпечних, портативних та продуктивних рішеннях. WebAssembly (Wasm) став ключовою технологією, що обіцяє майже нативну продуктивність та безпечне середовище виконання для коду, який працює на різноманітних платформах. Однак, щоб Wasm міг по-справжньому реалізувати свій потенціал, особливо при взаємодії з базовою системою та зовнішніми ресурсами, необхідна надійна та гранулярна система дозволів. Саме тут на допомогу приходить система надання повноважень (capability grant) WebAssembly System Interface (WASI), яка пропонує новий і потужний підхід до керування тим, що модулі Wasm можуть і не можуть робити.

Еволюція WebAssembly та потреба у взаємодії з системою

Спочатку задуманий як ціль компіляції для веб-браузерів, що дозволяє мовам, таким як C++, Rust та Go, ефективно працювати в Інтернеті, амбіції WebAssembly швидко вийшли за межі пісочниці браузера. Можливість запускати модулі Wasm на серверах, у хмарних середовищах і навіть на граничних пристроях відкриває цілий всесвіт можливостей. Однак це розширення вимагає безпечного способу взаємодії модулів Wasm з хост-системою — для доступу до файлів, здійснення мережевих запитів, взаємодії з операційною системою та використання інших системних ресурсів. Саме цю проблему і має на меті вирішити WASI.

Що таке WASI?

WASI — це стандарт, що розвивається, який визначає модульний системний інтерфейс для WebAssembly. Його основна мета — дозволити модулям Wasm взаємодіяти з хост-середовищем стандартизованим та безпечним чином, незалежно від базової операційної системи чи апаратного забезпечення. Уявляйте WASI як набір API, які модулі Wasm можуть викликати для виконання операцій системного рівня, подібно до традиційних системних викликів. Ці API розроблені так, щоб бути портативними та узгодженими між різними середовищами виконання Wasm.

Виклики у взаємодії з системою

Пряма інтеграція модулів Wasm із системними ресурсами становить значну загрозу безпеці. Без належного контролю модуль Wasm потенційно може:

• Отримувати доступ до чутливих файлів на хост-системі.
• Здійснювати довільні мережеві запити, що може призвести до атак типу "відмова в обслуговуванні" або витоку даних.
• Маніпулювати системними конфігураціями або виконувати шкідливий код.
• Споживати надмірні ресурси, впливаючи на стабільність хоста.

Традиційні механізми пісочниці часто покладаються на ізоляцію процесів або дозволи на рівні операційної системи. Хоча вони є ефективними, вони можуть бути важковаговими і не пропонувати того дрібнозернистого контролю, який необхідний для сучасних, розподілених та модульних застосунків, де компоненти можуть динамічно завантажуватися та виконуватися.

Представляємо систему надання повноважень WASI

Система надання повноважень WASI є парадигматичним зсувом у тому, як керуються дозволами для модулів WebAssembly. Замість широкого надання доступу або підходу "заборонити все", вона працює за принципом надання конкретних, дрібнозернистих повноважень (capabilities) модулям Wasm. Цей підхід черпає натхнення з моделей безпеки на основі повноважень, які давно визнані за їхній потенціал для підвищення безпеки системи, роблячи контроль доступу більш явним та перевірюваним.

Основні концепції надання повноважень

В основі системи надання повноважень лежать такі принципи:

• Явні дозволи: Замість неявного доступу, модулям Wasm повинні бути явно надані повноваження, необхідні для виконання конкретних операцій.
• Найменші привілеї: Система забезпечує дотримання принципу найменших привілеїв, що означає, що модулю Wasm слід надавати лише мінімальний набір дозволів, необхідних для його запланованої функції.
• Непідробні повноваження: Повноваження розглядаються як непідробні токени. Після надання модуль Wasm може їх використовувати, але не може створювати нові повноваження або передавати їх іншим модулям без явного дозволу. Це запобігає ескалації привілеїв.
• Модульність та компонованість: Система розроблена так, щоб бути модульною, дозволяючи надавати різні повноваження незалежно, що призводить до висококомпонованої моделі безпеки.

Як це працює: спрощена аналогія

Уявіть, що модуль Wasm — це відвідувач, який заходить до безпечного об'єкта. Замість того, щоб дати йому майстер-ключ (що було б широким наданням доступу), йому видають конкретні картки-ключі для кожної зони, до якої йому потрібен доступ. Наприклад, відвідувач може отримати картку для входу до кімнати для переговорів (доступ на читання файлу), іншу — для їдальні (мережевий доступ до певного сервера), і ще одну — для шафи з канцтоварами (доступ до певного конфігураційного файлу). Він не може використовувати ці картки для входу до закритих лабораторій чи інших неавторизованих зон. Більше того, він не може робити копії цих карток або позичати їх комусь іншому.

Технічні деталі реалізації

У контексті WASI повноваження часто представлені у вигляді непрозорих дескрипторів або токенів, які отримує модуль Wasm. Коли модуль Wasm хоче виконати операцію, що вимагає доступу до системи, він не викликає системну функцію безпосередньо. Натомість він викликає функцію WASI, передаючи відповідне повноваження. Середовище виконання Wasm (хост-середовище) потім перевіряє, чи має модуль необхідне повноваження, перш ніж дозволити операцію.

Наприклад, якщо модулю Wasm потрібно прочитати файл з назвою /data/config.json, він не буде безпосередньо використовувати системний виклик, як-от open(). Натомість він може викликати функцію WASI, наприклад fd_read(), але цей виклик вимагатиме попередньо наданого повноваження у вигляді файлового дескриптора для цього конкретного файлу або каталогу. Хост мав би попередньо встановити це повноваження, можливо, шляхом зіставлення файлового дескриптора хоста з видимим для Wasm файловим дескриптором і передачі його модулю.

Ключові залучені інтерфейси WASI

Кілька інтерфейсів WASI розроблено для роботи з системою надання повноважень, зокрема:

• wasi-filesystem: Цей інтерфейс надає повноваження для взаємодії з файловою системою. Замість надання доступу до всієї файлової системи, можна зробити доступними конкретні каталоги або файли.
• wasi-sockets: Цей інтерфейс дозволяє модулям Wasm виконувати мережеві операції. Повноваження тут можуть бути гранулярними, вказуючи, до яких мережевих інтерфейсів, портів або навіть віддалених хостів модуль має дозвіл на підключення.
• wasi-clocks: Для доступу до часу та таймерів.
• wasi-random: Для генерації випадкових чисел.

Система надання повноважень гарантує, що навіть ці базові можливості не надаються за замовчуванням. Хост-середовище відповідає за визначення та впровадження відповідних повноважень у середовище модуля Wasm під час виконання.

Переваги надання повноважень WASI

Запровадження системи надання повноважень для WASI пропонує численні переваги:

Підвищена безпека

Це найвагоміша перевага. Завдяки застосуванню принципу найменших привілеїв та чіткому визначенню дозволів, поверхня атаки значно зменшується. Скомпрометований модуль Wasm може робити лише те, що йому було явно дозволено, обмежуючи потенційну шкоду. Це критично важливо для запуску недовіреного коду в чутливих середовищах.

Покращена модульність та можливість повторного використання

Модулі Wasm можна проектувати як високо модульні, з чітко визначеними залежностями від системних ресурсів через повноваження, які вони вимагають. Це полегшує їх аналіз, тестування та повторне використання в різних застосунках та середовищах. Модуль, якому потрібен лише доступ на читання до певного конфігураційного файлу, можна безпечно розгортати в різних контекстах без побоювань щодо ненавмисного доступу до системи.

Збільшена портативність

WASI прагне до незалежності від платформи. Абстрагуючи системні взаємодії через повноваження, модулі Wasm можуть працювати на будь-якому хості, що реалізує відповідні інтерфейси WASI, незалежно від базової операційної системи. Хост-середовище займається зіставленням загальних повноважень з конкретними дозволами на рівні ОС.

Дрібнозернистий контроль

Модель повноважень дозволяє надзвичайно гранулярно контролювати, що може робити модуль Wasm. Наприклад, замість надання мережевого доступу до всіх хостів, модулю можна надати дозвіл на підключення лише до конкретної кінцевої точки API на певному домені та порту. Цього рівня контролю часто важко досягти за допомогою традиційних дозволів операційної системи.

Підтримка різноманітних середовищ виконання

Гнучкість надання повноважень робить Wasm придатним для широкого спектра середовищ:

• Хмарні обчислення: Безпечне виконання стороннього коду, мікросервісів та безсерверних функцій.
• Граничні обчислення: Розгортання застосунків на пристроях з обмеженими ресурсами та потенційно менш довірених граничних пристроях.
• Блокчейн та смарт-контракти: Надання безпечного та детермінованого середовища виконання для смарт-контрактів, гарантуючи, що вони не можуть втручатися в роботу блокчейн-мережі або хоста.
• Десктопні застосунки: Забезпечення безпечнішого виконання плагінів або розширень для застосунків.

Реалізація надання повноважень WASI на практиці

Впровадження системи надання повноважень WASI вимагає координації між розробником модуля Wasm, середовищем виконання Wasm та, можливо, оркестратором або середовищем розгортання.

Для розробників модулів Wasm

Розробники, які пишуть модулі Wasm, повинні:

• Знати про залежності: Розуміти, які системні ресурси знадобляться вашому модулю (файли, мережа тощо).
• Використовувати API WASI: Застосовувати інтерфейси WASI для взаємодії з системою.
• Проектувати з урахуванням найменших привілеїв: Прагнути вимагати лише необхідні повноваження. Якщо вашому модулю потрібно лише читати один конфігураційний файл, спроектуйте його так, щоб він приймав повноваження для цього файлу, а не очікував повного доступу до файлової системи.
• Повідомляти про вимоги: Чітко документуйте повноваження, які очікує отримати ваш модуль.

Для хостів середовищ виконання Wasm та оркестраторів

Хост-середовище відіграє критичну роль у наданні повноважень:

• Конфігурація середовища: Хост повинен налаштувати середовище виконання Wasm з конкретними повноваженнями, які будуть впроваджені в середовище модуля. Ця конфігурація може виконуватися динамічно на основі потреб застосунку або статично під час збірки.
• Зіставлення повноважень: Хост відповідає за зіставлення абстрактних повноважень WASI з конкретними системними ресурсами. Наприклад, зіставлення файлового дескриптора Wasm з конкретним шляхом до файлу на хості або мережевою кінцевою точкою.
• Примусове виконання під час роботи: Середовище виконання Wasm забезпечує, щоб модулі Wasm могли використовувати лише ті повноваження, які їм були надані.

Приклад: надання доступу до файлів у хмарному середовищі

Розглянемо безсерверну функцію, написану на Rust та скомпільовану в Wasm, призначену для читання даних користувача з певного S3-бакету та їх обробки. Замість надання модулю Wasm широкого доступу до мережі та файлової системи, середовище виконання Wasm хмарного провайдера могло б:

1. Впровадити мережеве повноваження: Надати дозвіл на підключення до кінцевої точки сервісу S3 (наприклад, s3.amazonaws.com на порту 443).
2. Впровадити повноваження на читання файлу: Потенційно зіставити конкретний об'єкт S3 (після його отримання) з тимчасовим файловим дескриптором або буфером пам'яті, який може читати модуль Wasm, не надаючи йому загального доступу на запис до файлової системи.
3. Або використовувати WASI-FS з попередньо відкритими каталогами: Хост міг би попередньо відкрити певний каталог, що містить конфігурацію або дані, необхідні модулю Wasm, і передати йому файловий дескриптор. Тоді модуль Wasm мав би доступ лише до файлів у цьому попередньо відкритому каталозі.

Цей підхід ізолює функцію Wasm, запобігаючи її доступу до інших хмарних ресурсів або здійсненню ненавмисних мережевих викликів.

Приклад: захист смарт-контрактів на блокчейні

У сфері блокчейну Wasm все частіше використовується для смарт-контрактів. Система надання повноважень тут є життєво важливою для запобігання тому, щоб смарт-контракти:

• Втручалися в механізм консенсусу.
• Отримували доступ до чутливих офчейн-даних без явного дозволу.
• Спричиняли атаки типу "відмова в обслуговуванні" на блокчейн-мережу.

Смарт-контракту можуть бути надані повноваження для:

• Читання конкретних змінних стану на блокчейні.
• Виклику подій.
• Виконання криптографічних операцій.
• Здійснення викликів до інших попередньо затверджених смарт-контрактів.

Будь-яка спроба доступу до неавторизованих ресурсів буде заблокована середовищем виконання, яке забезпечує дотримання цих обмежених повноважень.

Виклики та майбутні напрямки

Хоча система надання повноважень WASI є потужною, існують поточні виклики та напрямки для розвитку:

• Стандартизація та інтероперабельність: Забезпечення послідовної реалізації механізмів надання повноважень у різних середовищах виконання Wasm та хост-середовищах є вирішальним для справжньої портативності.
• Досвід розробника: Полегшення для розробників розуміння, визначення та керування повноваженнями, які вимагають їхні модулі. Потрібні інструменти та абстракції для спрощення цього процесу.
• Динамічне керування повноваженнями: Для більш складних сценаріїв може бути корисним дослідження механізмів динамічного відкликання або модифікації повноважень під час виконання.
• Обмеження ресурсів: Хоча повноваження контролюють, до чого можна отримати доступ, встановлення обмежень на ресурси (ЦП, пам'ять, пропускна здатність мережі) також є критичним для запобігання DoS-атакам. Це часто вирішується разом із наданням повноважень.

Робоча група WASI активно працює над цими викликами, постійно розвиваючи специфікації WASI та пов'язані з ними інтерфейси.

Глобальний вплив безпечного виконання WebAssembly

Система надання повноважень для WASI має глибокі наслідки для глобальної екосистеми програмного забезпечення:

• Демократизація безпечних обчислень: Вона знижує бар'єр для входу в розробку та розгортання безпечних застосунків, роблячи передові парадигми безпеки доступними для ширшого кола розробників та організацій у всьому світі.
• Сприяння інноваціям: Надаючи безпечне середовище для виконання різноманітного коду, вона заохочує експерименти та інновації в різних галузях, від фінансів та охорони здоров'я до розваг та логістики.
• Уможливлення нових архітектур: Вона прокладає шлях до нових архітектур застосунків, таких як високорозподілені системи, федеративне навчання та безпечні багатосторонні обчислення, де компоненти повинні спілкуватися та працювати безпечно без неявної довіри.
• Вирішення питань регуляторної відповідності: Для організацій, що працюють у рамках суворих правил конфіденційності даних (як GDPR або CCPA), гранулярний контроль, що пропонується системою надання повноважень, може бути інструментальним у демонстрації відповідності та захисті чутливих даних.

Універсальна платформа для надійного коду

WebAssembly, посилений WASI та його системою надання повноважень, швидко стає універсальною платформою для виконання надійного коду. Він долає розрив між високорівневими мовами програмування та низькорівневими системними ресурсами, зберігаючи при цьому сильну позицію в галузі безпеки.

Незалежно від того, чи створюєте ви наступне покоління хмарних сервісів, розгортаєте застосунки на граничних пристроях або захищаєте інфраструктуру блокчейну, розуміння та використання системи надання повноважень WASI буде ставати все більш важливим. Це знаменує собою значний крок вперед у створенні більш безпечного, портативного та інтероперабельного майбутнього обчислень для всіх і всюди.

Висновок

Система надання повноважень WASI є наріжним каменем еволюції WebAssembly в справді універсальне середовище виконання. Переходячи від широких дозволів до явних, непідробних та з найменшими привілеями повноважень, вона вирішує критичні проблеми безпеки, що виникають, коли WebAssembly виходить за межі браузера. Ця надійна модель дозволів відкриває нові можливості для запуску недовіреного або складного коду в різноманітних середовищах, від чутливих хмарних розгортань до децентралізованих блокчейн-мереж. Оскільки WASI продовжує розвиватися, система надання повноважень, безсумнівно, відіграватиме все більшу роль у формуванні майбутнього безпечного та портативного виконання програмного забезпечення в глобальному масштабі.