Обмеження типів таблиць WebAssembly: Забезпечення типової безпеки таблиць функцій

WebAssembly (Wasm) стала ключовою технологією для створення високопродуктивних, портативних і безпечних застосунків на різних платформах. Ключовим компонентом архітектури WebAssembly є таблиця, масив динамічного розміру, що складається з елементів externref або funcref. Забезпечення безпеки типів у цих таблицях, особливо в таблицях функцій, є надзвичайно важливим для підтримки цілісності та безпеки модулів WebAssembly. Цей допис у блозі присвячений обмеженням типів таблиць WebAssembly, з особливим акцентом на безпеці типів таблиць функцій, її значенні, деталях реалізації та перевагах.

Розуміння таблиць WebAssembly

Таблиці WebAssembly — це, по суті, динамічні масиви, які можуть зберігати посилання на функції або зовнішні (непрозорі) значення. Вони є фундаментальним механізмом для досягнення динамічної диспетчеризації та полегшення взаємодії між модулями WebAssembly та їхніми хост-середовищами. Існує два основні типи таблиць:

• Таблиці функцій (funcref): Ці таблиці зберігають посилання на функції WebAssembly. Вони використовуються для реалізації динамічних викликів функцій, де функція, що викликається, визначається під час виконання.
• Таблиці зовнішніх посилань (externref): Ці таблиці містять непрозорі посилання на об'єкти, керовані хост-середовищем (наприклад, об'єкти JavaScript у веб-браузері). Вони дозволяють модулям WebAssembly взаємодіяти з API хоста та зовнішніми даними.

Таблиці визначаються за допомогою типу та розміру. Тип вказує, який вид елемента може зберігатися в таблиці (наприклад, funcref або externref). Розмір визначає початкову та максимальну кількість елементів, яку може містити таблиця. Розмір може бути фіксованим або змінюваним. Наприклад, визначення таблиці може виглядати так (у WAT, текстовому форматі WebAssembly):

            (table $my_table (ref func) (i32.const 10) (i32.const 20))
            

              
                Copy
              
            
          

Цей приклад визначає таблицю з назвою $my_table, яка зберігає посилання на функції (ref func), з початковим розміром 10 і максимальним розміром 20. Таблиця може зростати до максимального розміру, що запобігає доступу за межі масиву та вичерпанню ресурсів.

Важливість безпеки типів таблиць функцій

Таблиці функцій відіграють життєво важливу роль у забезпеченні динамічних викликів функцій у WebAssembly. Однак без належних обмежень типів вони можуть стати джерелом уразливостей безпеки. Розглянемо сценарій, коли модуль WebAssembly динамічно викликає функцію на основі індексу в таблиці функцій. Якщо запис у таблиці за цим індексом не містить функції з очікуваною сигнатурою (тобто правильною кількістю та типами параметрів і значення, що повертається), виклик може призвести до невизначеної поведінки, пошкодження пам'яті або навіть виконання довільного коду.

Безпека типів гарантує, що функція, викликана через таблицю функцій, має правильну сигнатуру, очікувану викликаючою стороною. Це має вирішальне значення з кількох причин:

• Безпека: Запобігає зловмисникам впроваджувати шкідливий код шляхом перезапису записів у таблиці функцій посиланнями на функції, що виконують несанкціоновані дії.
• Стабільність: Забезпечує передбачуваність викликів функцій і запобігає неочікуваним збоям або помилкам.
• Коректність: Гарантує, що правильна функція викликається з правильними аргументами, запобігаючи логічним помилкам у застосунку.
• Продуктивність: Дозволяє середовищу виконання WebAssembly проводити оптимізації, оскільки воно може покладатися на інформацію про типи для припущень щодо поведінки викликів функцій.

Без обмежень типів таблиць WebAssembly був би вразливим до різноманітних атак, що робить його непридатним для застосунків, чутливих до безпеки. Наприклад, зловмисник потенційно міг би перезаписати вказівник на функцію в таблиці вказівником на власну шкідливу функцію. Коли оригінальна функція буде викликана через таблицю, замість неї буде виконана функція зловмисника, що скомпрометує систему. Це схоже на вразливості вказівників на функції, які спостерігаються в нативних середовищах виконання коду, таких як C/C++. Тому сувора безпека типів є першочерговою.

Система типів WebAssembly та сигнатури функцій

Щоб зрозуміти, як WebAssembly забезпечує безпеку типів таблиць функцій, важливо розібратися в системі типів WebAssembly. WebAssembly підтримує обмежений набір примітивних типів, зокрема:

• i32: 32-бітне ціле число
• i64: 64-бітне ціле число
• f32: 32-бітне число з плаваючою комою
• f64: 64-бітне число з плаваючою комою
• v128: 128-бітний вектор (тип SIMD)
• funcref: Посилання на функцію
• externref: Посилання на зовнішнє значення (непрозоре)

Функції в WebAssembly визначаються за допомогою конкретної сигнатури, яка включає типи їхніх параметрів і тип значення, що повертається (або відсутність такого значення). Наприклад, функція, яка приймає два параметри i32 і повертає значення i32, матиме таку сигнатуру (у WAT):

            (func $add (param i32 i32) (result i32)
  (i32.add (local.get 0) (local.get 1))
)
            

              
                Copy
              
            
          

Ця функція з назвою $add приймає два 32-бітних цілочисельних параметри та повертає 32-бітний цілочисельний результат. Система типів WebAssembly вимагає, щоб виклики функцій відповідали оголошеній сигнатурі. Якщо функція викликається з аргументами неправильного типу або намагається повернути значення неправильного типу, середовище виконання WebAssembly видасть помилку типу та зупинить виконання. Це запобігає поширенню помилок, пов'язаних із типами, та потенційному виникненню вразливостей безпеки.

Обмеження типів таблиць: Забезпечення сумісності сигнатур

WebAssembly забезпечує безпеку типів таблиць функцій за допомогою обмежень типів таблиць. Коли функція розміщується в таблиці функцій, середовище виконання WebAssembly перевіряє, чи сумісна сигнатура функції з типом елементів таблиці. Ця перевірка сумісності гарантує, що будь-яка функція, викликана через таблицю, матиме очікувану сигнатуру, запобігаючи помилкам типів і вразливостям безпеки.

Декілька механізмів сприяють забезпеченню цієї сумісності:

1. Явні анотації типів: WebAssembly вимагає явних анотацій типів для параметрів функцій і значень, що повертаються. Це дозволяє середовищу виконання статично перевіряти, чи відповідають виклики функцій оголошеним сигнатурам.
2. Визначення таблиці функцій: Коли створюється таблиця функцій, вона оголошується як така, що містить посилання на функції (funcref) або зовнішні посилання (externref). Це оголошення обмежує типи значень, які можуть зберігатися в таблиці. Спроба зберегти значення несумісного типу призведе до помилки типу під час валідації або інстанціювання модуля.
3. Непрямі виклики функцій: Коли виконується непрямий виклик функції через таблицю функцій, середовище виконання WebAssembly перевіряє, чи відповідає сигнатура викликаної функції очікуваній сигнатурі, вказаній в інструкції call_indirect. Інструкція call_indirect вимагає індекс типу, який посилається на конкретну сигнатуру функції. Середовище виконання порівнює цю сигнатуру з сигнатурою функції за вказаним індексом у таблиці. Якщо сигнатури не збігаються, виникає помилка типу.

Розглянемо наступний приклад (у WAT):

            (module
  (type $sig (func (param i32 i32) (result i32)))
  (table $my_table (ref $sig) (i32.const 1))
  (func $add (type $sig) (param i32 i32) (result i32)
    (i32.add (local.get 0) (local.get 1))
  )
  (func $main (export "main") (result i32)
    (call_indirect (type $sig) (i32.const 0))
  )
  (elem (i32.const 0) $add)
)
            

              
                Copy
              
            
          

У цьому прикладі ми визначаємо сигнатуру функції $sig, яка приймає два параметри i32 і повертає i32. Потім ми визначаємо таблицю функцій $my_table, яка обмежена для зберігання посилань на функції типу $sig. Функція $add також має сигнатуру $sig. Сегмент elem ініціалізує таблицю функцією $add. Потім функція $main викликає функцію за індексом 0 у таблиці за допомогою call_indirect з сигнатурою типу $sig. Оскільки функція за індексом 0 має правильну сигнатуру, виклик є валідним.

Якби ми спробували помістити в таблицю функцію з іншою сигнатурою або викликати функцію з іншою сигнатурою за допомогою call_indirect, середовище виконання WebAssembly видало б помилку типу.

Деталі реалізації в компіляторах та ВМ WebAssembly

Компілятори та віртуальні машини (ВМ) WebAssembly відіграють вирішальну роль у забезпеченні дотримання обмежень типів таблиць. Деталі реалізації можуть відрізнятися залежно від конкретного компілятора та ВМ, але загальні принципи залишаються незмінними:

• Статичний аналіз: Компілятори WebAssembly виконують статичний аналіз коду для перевірки, чи є доступи до таблиць та непрямі виклики безпечними з точки зору типів. Цей аналіз включає перевірку відповідності типів аргументів, переданих викликаній функції, очікуваним типам, визначеним у сигнатурі функції.
• Перевірки під час виконання: На додаток до статичного аналізу, ВМ WebAssembly виконують перевірки під час виконання для забезпечення безпеки типів. Ці перевірки особливо важливі для непрямих викликів, де цільова функція визначається під час виконання на основі індексу таблиці. Середовище виконання перевіряє, чи має функція за вказаним індексом правильну сигнатуру, перш ніж виконати виклик.
• Захист пам'яті: ВМ WebAssembly використовують механізми захисту пам'яті для запобігання несанкціонованому доступу до пам'яті таблиці. Це не дозволяє зловмисникам перезаписувати записи таблиці функцій шкідливим кодом.

Наприклад, розглянемо рушій V8 JavaScript, який включає ВМ WebAssembly. V8 виконує як статичний аналіз, так і перевірки під час виконання для забезпечення безпеки типів таблиць функцій. Під час компіляції V8 перевіряє, чи всі непрямі виклики є безпечними з точки зору типів. Під час виконання V8 виконує додаткові перевірки для захисту від потенційних уразливостей. Аналогічно, інші ВМ WebAssembly, такі як SpiderMonkey (рушій JavaScript Firefox) та JavaScriptCore (рушій JavaScript Safari), реалізують подібні механізми для забезпечення безпеки типів.

Переваги обмежень типів таблиць

Реалізація обмежень типів таблиць у WebAssembly надає численні переваги:

• Підвищена безпека: Запобігає вразливостям, пов'язаним із типами, які можуть призвести до впровадження коду або виконання довільного коду.
• Покращена стабільність: Зменшує ймовірність помилок під час виконання та збоїв через невідповідність типів.
• Збільшена продуктивність: Дозволяє середовищу виконання WebAssembly проводити оптимізації, оскільки воно може покладатися на інформацію про типи для припущень щодо поведінки викликів функцій.
• Спрощене налагодження: Полегшує виявлення та виправлення помилок, пов'язаних із типами, під час розробки.
• Краща портативність: Забезпечує послідовну поведінку модулів WebAssembly на різних платформах та ВМ.

Ці переваги сприяють загальній надійності та стабільності застосунків WebAssembly, роблячи його придатною платформою для створення широкого спектру застосунків, від веб-застосунків до вбудованих систем.

Реальні приклади та випадки використання

Обмеження типів таблиць є важливими для широкого спектру реальних застосувань WebAssembly:

• Веб-застосунки: WebAssembly все частіше використовується для створення високопродуктивних веб-застосунків, таких як ігри, симуляції та інструменти для обробки зображень. Обмеження типів таблиць забезпечують безпеку та стабільність цих застосунків, захищаючи користувачів від шкідливого коду.
• Вбудовані системи: WebAssembly також використовується у вбудованих системах, таких як пристрої IoT та автомобільні системи. У цих середовищах безпека та надійність є першочерговими. Обмеження типів таблиць допомагають гарантувати, що модулі WebAssembly, які працюють на цих пристроях, не можуть бути скомпрометовані.
• Хмарні обчислення: WebAssembly розглядається як технологія пісочниці для середовищ хмарних обчислень. Обмеження типів таблиць забезпечують безпечне та ізольоване середовище для запуску модулів WebAssembly, не дозволяючи їм втручатися в роботу інших застосунків або операційної системи хоста.
• Технологія блокчейн: Деякі блокчейн-платформи використовують WebAssembly для виконання смарт-контрактів завдяки його детермінованій природі та функціям безпеки, включаючи безпеку типів таблиць.

Наприклад, розглянемо веб-застосунок для обробки зображень, написаний на WebAssembly. Застосунок може використовувати таблиці функцій для динамічного вибору різних алгоритмів обробки зображень на основі введення користувача. Обмеження типів таблиць гарантують, що застосунок може викликати лише валідні функції обробки зображень, запобігаючи виконанню шкідливого коду.

Майбутні напрямки та вдосконалення

Спільнота WebAssembly постійно працює над покращенням безпеки та продуктивності WebAssembly. Майбутні напрямки та вдосконалення, пов'язані з обмеженнями типів таблиць, включають:

• Підтипізація: Дослідження можливості підтримки підтипізації для сигнатур функцій, що дозволить більш гнучку перевірку типів і уможливить складніші патерни коду.
• Більш виразні системи типів: Дослідження більш виразних систем типів, які можуть фіксувати складніші зв'язки між функціями та даними.
• Формальна верифікація: Розробка методів формальної верифікації для доведення коректності модулів WebAssembly та гарантування їх відповідності обмеженням типів.

Ці вдосконалення ще більше зміцнять безпеку та надійність WebAssembly, роблячи його ще привабливішою платформою для створення високопродуктивних, портативних і безпечних застосунків.

Найкращі практики роботи з таблицями WebAssembly

Щоб забезпечити безпеку та стабільність ваших застосунків WebAssembly, дотримуйтесь цих найкращих практик при роботі з таблицями:

• Завжди використовуйте явні анотації типів: Чітко визначайте типи параметрів функцій і значень, що повертаються.
• Ретельно визначайте типи таблиць функцій: Переконайтеся, що тип таблиці функцій точно відображає сигнатури функцій, які будуть зберігатися в таблиці.
• Валідуйте таблиці функцій під час інстанціювання: Перевіряйте, чи таблиця функцій правильно ініціалізована очікуваними функціями.
• Використовуйте механізми захисту пам'яті: Захищайте пам'ять таблиці від несанкціонованого доступу.
• Слідкуйте за оновленнями безпеки WebAssembly: Будьте в курсі будь-яких відомих уразливостей і своєчасно застосовуйте виправлення.
• Використовуйте інструменти статичного аналізу: Застосовуйте інструменти, призначені для виявлення потенційних помилок типів та уразливостей безпеки у вашому коді WebAssembly. Багато лінтерів та статичних аналізаторів тепер пропонують підтримку WebAssembly.
• Ретельно тестуйте: Комплексне тестування, включаючи фаззінг, може допомогти виявити неочікувану поведінку, пов'язану з таблицями функцій.

Дотримуючись цих найкращих практик, ви можете мінімізувати ризик помилок, пов'язаних із типами, та уразливостей безпеки у ваших застосунках WebAssembly.

Висновок

Обмеження типів таблиць WebAssembly є вирішальним механізмом для забезпечення безпеки типів таблиць функцій. Забезпечуючи сумісність сигнатур і запобігаючи вразливостям, пов'язаним із типами, вони значно сприяють безпеці, стабільності та продуктивності застосунків WebAssembly. Оскільки WebAssembly продовжує розвиватися та поширюватися на нові сфери, обмеження типів таблиць залишатимуться фундаментальним аспектом його архітектури безпеки. Розуміння та використання цих обмежень є важливим для створення надійних та стабільних застосунків WebAssembly. Дотримуючись найкращих практик та залишаючись в курсі останніх розробок у галузі безпеки WebAssembly, розробники можуть використовувати весь потенціал WebAssembly, мінімізуючи потенційні ризики.