Пісочниця для модулів WebAssembly: Реалізація безпеки на основі ізоляції

WebAssembly (Wasm) стала потужною технологією для створення високопродуктивних, портативних і безпечних застосунків. Її здатність виконуватися майже з нативною швидкістю в ізольованому середовищі (пісочниці) робить її ідеальною для широкого спектра застосувань, від веб-браузерів до серверних застосунків та вбудованих систем. Ця стаття заглиблюється у ключову концепцію пісочниці для модулів WebAssembly, розглядаючи її важливість, техніки реалізації та переваги для створення безпечних і надійних застосунків.

Що таке пісочниця WebAssembly?

Пісочниця WebAssembly — це механізм безпеки, який ізолює модулі Wasm від хост-середовища та інших модулів. Ця ізоляція запобігає зловмисному або помилковому коду в модулі Wasm від компрометації цілісності системи або доступу до конфіденційних даних без явного дозволу. Уявіть її як віртуальну «пісочницю», де код Wasm може виконуватися, не впливаючи на зовнішній світ.

Ключові принципи пісочниці WebAssembly включають:

• Ізоляція пам'яті: Модулі Wasm працюють у власному лінійному просторі пам'яті, що унеможливлює прямий доступ до пам'яті хост-системи або пам'яті інших модулів.
• Обмеження потоку виконання: Середовище виконання Wasm забезпечує суворий контроль потоку виконання, запобігаючи несанкціонованим переходам або викликам довільних адрес коду.
• Перехоплення системних викликів: Усі взаємодії між модулем Wasm і хост-середовищем повинні відбуватися через чітко визначений інтерфейс, що дозволяє середовищу виконання керувати доступом до системних ресурсів і застосовувати політики безпеки.
• Безпека на основі можливостей: Модулі Wasm мають доступ лише до тих ресурсів, які їм були явно надані через можливості, що мінімізує потенціал для ескалації привілеїв.

Чому пісочниця WebAssembly важлива?

Пісочниця має першочергове значення для WebAssembly з таких причин:

• Безпека: Вона захищає хост-систему та інші застосунки від зловмисного або помилкового коду Wasm. Якщо модуль Wasm містить вразливість або навмисно створений як зловмисний, пісочниця не дозволить йому завдати шкоди за межами свого ізольованого середовища. Це критично важливо для безпечного виконання недовіреного коду, такого як сторонні бібліотеки або контент, наданий користувачами.
• Портативність: Пісочниця гарантує, що модулі Wasm поводяться однаково на різних платформах та архітектурах. Оскільки модуль ізольований, він не покладається на конкретні системні залежності або поведінку, що робить його надзвичайно портативним. Уявіть модуль Wasm, розроблений для браузера в Європі; пісочниця забезпечує його передбачувану роботу на сервері в Азії або на вбудованому пристрої в Південній Америці.
• Надійність: Ізолюючи модулі Wasm, пісочниця підвищує загальну надійність системи. Збій або помилка в модулі Wasm з меншою ймовірністю призведе до падіння всього застосунку або операційної системи.
• Продуктивність: Хоча безпека є основним пріоритетом, пісочниця також може сприяти підвищенню продуктивності. Усуваючи необхідність у великих перевірках безпеки на кожній інструкції, середовище виконання може оптимізувати виконання і досягати майже нативної продуктивності.

Техніки реалізації пісочниці WebAssembly

Пісочниця WebAssembly реалізується за допомогою комбінації апаратних і програмних технік. Ці техніки працюють разом для створення безпечного та ефективного середовища ізоляції.

1. Архітектура віртуальної машини (VM)

Модулі WebAssembly зазвичай виконуються в середовищі віртуальної машини (VM). VM забезпечує шар абстракції між кодом Wasm і базовим обладнанням, що дозволяє середовищу виконання контролювати та моніторити виконання модуля. VM забезпечує ізоляцію пам'яті, обмеження потоку виконання та перехоплення системних викликів. Приклади Wasm VM включають:

• Браузери (напр., Chrome, Firefox, Safari): Браузери мають вбудовані Wasm VM, які виконують модулі Wasm у контексті безпеки браузера.
• Автономні середовища виконання (напр., Wasmer, Wasmtime): Автономні середовища виконання надають командний рядок та API для виконання модулів Wasm поза браузером.

2. Ізоляція пам'яті

Ізоляція пам'яті досягається шляхом надання кожному модулю Wasm власного лінійного простору пам'яті. Цей простір пам'яті є неперервним блоком пам'яті, з якого модуль може читати та в який може писати. Модуль не може безпосередньо отримати доступ до пам'яті за межами свого власного лінійного простору. Середовище виконання забезпечує цю ізоляцію, використовуючи механізми захисту пам'яті, надані операційною системою, такі як:

• Ізоляція адресного простору: Кожному модулю Wasm призначається унікальний адресний простір, що не дозволяє йому отримувати доступ до пам'яті, що належить іншим модулям або хост-системі.
• Прапори захисту пам'яті: Середовище виконання встановлює прапори захисту пам'яті для контролю доступу до різних областей лінійної пам'яті. Наприклад, певні області можуть бути позначені як доступні лише для читання або лише для виконання.

Приклад: Розглянемо два модулі Wasm, Модуль А і Модуль Б. Лінійна пам'ять Модуля А може знаходитися за адресою 0x1000, тоді як лінійна пам'ять Модуля Б — за адресою 0x2000. Якщо Модуль А спробує записати за адресою 0x2000, середовище виконання виявить це порушення і згенерує виняток.

3. Цілісність потоку виконання (CFI)

Цілісність потоку виконання (Control Flow Integrity, CFI) — це механізм безпеки, який гарантує, що виконання програми слідує заздалегідь визначеному потоку управління. CFI не дозволяє зловмисникам перехоплювати потік виконання та виконувати довільний код. Середовища виконання WebAssembly зазвичай реалізують CFI шляхом перевірки валідності викликів функцій та переходів. Зокрема:

• Перевірка сигнатур функцій: Середовище виконання перевіряє, що функція, яка викликається, має правильну сигнатуру (тобто правильну кількість і типи аргументів та значень, що повертаються).
• Валідація непрямих викликів: Для непрямих викликів (викликів через вказівники на функції) середовище виконання перевіряє, що цільова функція є допустимою ціллю для виклику. Це не дозволяє зловмисникам впроваджувати шкідливі вказівники на функції та перехоплювати потік виконання.
• Управління стеком викликів: Середовище виконання управляє стеком викликів для запобігання переповненню стека та іншим атакам на основі стека.

4. Перехоплення системних викликів

Модулі WebAssembly не можуть безпосередньо робити системні виклики до операційної системи. Замість цього вони повинні проходити через чітко визначений інтерфейс, наданий середовищем виконання. Цей інтерфейс дозволяє середовищу виконання керувати доступом до системних ресурсів і застосовувати політики безпеки. Це зазвичай реалізується через системний інтерфейс WebAssembly (WASI).

Системний інтерфейс WebAssembly (WASI)

WASI — це модульний системний інтерфейс для WebAssembly. Він надає стандартизований спосіб взаємодії модулів Wasm з операційною системою. WASI визначає набір системних викликів, які модулі Wasm можуть використовувати для виконання таких завдань, як читання та запис файлів, доступ до мережі та взаємодія з консоллю. WASI має на меті забезпечити безпечний і портативний спосіб доступу модулів Wasm до системних ресурсів. Ключові особливості WASI включають:

• Безпека на основі можливостей: WASI використовує безпеку на основі можливостей, що означає, що модулі Wasm мають доступ лише до тих ресурсів, які їм були явно надані. Наприклад, модулю може бути надана можливість читати певний файл, але не записувати в нього.
• Модульний дизайн: WASI розроблений як модульний, що означає, що його можна легко розширювати новими системними викликами та функціями. Це дозволяє WASI адаптуватися до потреб різних середовищ і застосунків.
• Портативність: WASI розроблений для портативності між різними операційними системами та архітектурами. Це гарантує, що модулі Wasm, які використовують WASI, будуть поводитися однаково на різних платформах.

Приклад: Модуль Wasm може використовувати системний виклик `wasi_fd_read` для читання даних з файлу. Перш ніж дозволити модулю читати файл, середовище виконання перевірить, чи має модуль необхідну можливість для доступу до цього файлу. Якщо модуль не має такої можливості, середовище виконання відхилить запит.

5. Безпека Just-In-Time (JIT) компіляції

Багато середовищ виконання WebAssembly використовують Just-In-Time (JIT) компіляцію для перетворення байт-коду Wasm у нативний машинний код. JIT-компіляція може значно підвищити продуктивність, але також створює потенційні ризики безпеки. Щоб зменшити ці ризики, JIT-компілятори повинні впроваджувати декілька заходів безпеки:

• Безпека генерації коду: JIT-компілятор повинен генерувати машинний код, який є безпечним і не створює вразливостей. Це включає уникнення переповнень буфера, цілочисельних переповнень та інших поширених помилок програмування.
• Захист пам'яті: JIT-компілятор повинен гарантувати, що згенерований машинний код захищений від модифікації зловмисним кодом. Це можна досягти за допомогою механізмів захисту пам'яті, наданих операційною системою, таких як позначення згенерованого коду як доступного лише для читання.
• Ізоляція JIT-компілятора: Сам JIT-компілятор повинен бути ізольований, щоб запобігти його експлуатації зловмисниками. Це можна досягти, запустивши JIT-компілятор в окремому процесі або використовуючи безпечну мову програмування.

Практичні приклади пісочниці WebAssembly

Ось кілька практичних прикладів того, як пісочниця WebAssembly використовується в реальних застосунках:

• Веб-браузери: Веб-браузери використовують пісочницю WebAssembly для безпечного виконання недовіреного коду з веб-сайтів. Це дозволяє веб-сайтам надавати багатий та інтерактивний досвід без шкоди для безпеки комп'ютера користувача. Наприклад, онлайн-ігри, спільні редактори документів та передові веб-застосунки часто використовують Wasm для виконання обчислювально інтенсивних завдань у безпечному середовищі.
• Безсерверні обчислення: Платформи безсерверних обчислень використовують пісочницю WebAssembly для ізоляції безсерверних функцій одна від одної та від базової інфраструктури. Це забезпечує безпеку та надійність безсерверних функцій. Компанії, такі як Fastly та Cloudflare, використовують Wasm для виконання визначеної користувачем логіки на межі своїх мереж, забезпечуючи низьку затримку та безпечне виконання.
• Вбудовані системи: Пісочницю WebAssembly можна використовувати для ізоляції різних компонентів вбудованої системи один від одного. Це може покращити надійність та безпеку системи. Наприклад, в автомобільних системах Wasm може бути використаний для ізоляції інформаційно-розважальної системи від критичних систем управління, запобігаючи впливу скомпрометованої інформаційно-розважальної системи на безпеку автомобіля.
• Блокчейн: Смарт-контракти на деяких блокчейн-платформах виконуються в пісочниці WebAssembly для підвищення безпеки та детермінізму. Це критично важливо для забезпечення передбачуваного виконання смарт-контрактів без вразливостей, підтримуючи цілісність блокчейну.

Переваги пісочниці WebAssembly

Переваги пісочниці WebAssembly численні та далекосяжні:

• Покращена безпека: Пісочниця захищає від зловмисного або помилкового коду, запобігаючи компрометації цілісності системи.
• Покращена портативність: Пісочниця гарантує, що модулі Wasm поводяться однаково на різних платформах.
• Підвищена надійність: Пісочниця ізолює модулі Wasm, зменшуючи ризик збоїв та помилок.
• Майже нативна продуктивність: Дизайн WebAssembly дозволяє ефективне виконання в межах пісочниці, досягаючи майже нативної продуктивності.
• Спрощена розробка: Розробники можуть зосередитися на написанні коду, не турбуючись про базові наслідки для безпеки. Пісочниця забезпечує безпечне середовище за замовчуванням.
• Відкриває нові можливості використання: Пісочниця дозволяє безпечно запускати недовірений код у різноманітних середовищах, відкриваючи нові можливості для веб-застосунків, безсерверних обчислень та вбудованих систем.

Виклики та міркування

Хоча пісочниця WebAssembly забезпечує надійну модель безпеки, все ще існують виклики та міркування, які слід враховувати:

• Атаки по сторонніх каналах: Атаки по сторонніх каналах використовують вразливості в апаратній або програмній реалізації пісочниці для вилучення конфіденційної інформації. Такі атаки важко виявити та запобігти. Приклади включають атаки за часом, атаки на основі аналізу енергоспоживання та кеш-атаки. Стратегії пом'якшення включають використання алгоритмів з постійним часом виконання, додавання шуму до виконання та ретельний аналіз наслідків для безпеки JIT-компілятора.
• Безпека API: Безпека API, наданих середовищем виконання, є критично важливою для загальної безпеки пісочниці. Вразливості в цих API можуть дозволити зловмисникам обійти пісочницю та скомпрометувати систему. Важливо ретельно розробляти та впроваджувати ці API, а також регулярно перевіряти їх на наявність вразливостей безпеки.
• Обмеження ресурсів: Важливо встановлювати відповідні обмеження ресурсів для модулів Wasm, щоб запобігти споживанню ними надмірних ресурсів і спричиненню атак типу «відмова в обслуговуванні». Обмеження ресурсів можуть включати обмеження пам'яті, часу процесора та вводу-виводу. Середовище виконання повинно забезпечувати дотримання цих обмежень і припиняти роботу модулів, які їх перевищують.
• Сумісність: Екосистема WebAssembly постійно розвивається, і додаються нові функції та розширення. Важливо забезпечити сумісність різних середовищ виконання WebAssembly між собою та підтримку ними найновіших функцій.
• Формальна верифікація: Техніки формальної верифікації можуть бути використані для формального доведення правильності та безпеки середовищ виконання та модулів WebAssembly. Це може допомогти виявити та запобігти вразливостям, які інакше могли б залишитися непоміченими. Однак формальна верифікація може бути складним і трудомістким процесом.

Майбутнє пісочниці WebAssembly

Майбутнє пісочниці WebAssembly виглядає багатообіцяючим. Поточні дослідження та розробки спрямовані на покращення безпеки, продуктивності та функціональності середовищ виконання WebAssembly. Деякі ключові напрямки розвитку включають:

• Покращений захист пам'яті: Розробляються нові механізми захисту пам'яті для подальшої ізоляції модулів Wasm та запобігання атакам, пов'язаним з пам'яттю.
• Покращена цілісність потоку виконання: Розробляються більш складні техніки CFI для забезпечення сильнішого захисту від перехоплення потоку виконання.
• Дрібнозернисті можливості: Впроваджуються більш дрібнозернисті можливості, що дозволяють точніше контролювати ресурси, до яких можуть отримувати доступ модулі Wasm.
• Формальна верифікація: Техніки формальної верифікації все частіше використовуються для перевірки правильності та безпеки середовищ виконання та модулів WebAssembly.
• Еволюція WASI: Стандарт WASI продовжує розвиватися, додаючи нові системні виклики та функції для підтримки ширшого спектра застосунків. Ведеться робота над подальшим вдосконаленням моделі безпеки на основі можливостей та покращенням портативності застосунків WASI.
• Апаратна безпека: Досліджується інтеграція з апаратними функціями безпеки, такими як Intel SGX та AMD SEV, для забезпечення ще сильнішої ізоляції та захисту модулів WebAssembly.

Висновок

Пісочниця WebAssembly є критично важливою технологією для створення безпечних, портативних і надійних застосунків. Ізолюючи модулі Wasm від хост-середовища та інших модулів, пісочниця запобігає компрометації цілісності системи зловмисним або помилковим кодом. Оскільки WebAssembly продовжує набирати популярність, важливість пісочниці лише зростатиме. Розуміючи принципи та техніки реалізації пісочниці WebAssembly, розробники можуть створювати застосунки, які є одночасно безпечними та продуктивними. У міру дозрівання екосистеми очікуйте подальших удосконалень у заходах безпеки, що стимулюватиме впровадження Wasm на ширшому спектрі платформ і застосунків у всьому світі.