WebAssembly 自定义段验证：深入探讨元数据完整性

WebAssembly (Wasm) 的发展已经远远超出了最初作为基于浏览器的 Web 应用程序性能助推器的角色。它已成为云原生环境、边缘计算、物联网、区块链和插件架构的通用、可移植且安全的编译目标。它的沙盒执行模型提供了强大的安全基础，但与任何强大的技术一样，魔鬼藏在细节中。其中一个细节，既是巨大灵活性的来源，也是潜在的安全盲点，就是自定义段。

虽然 WebAssembly 运行时严格验证模块的代码和内存段，但它被设计为完全忽略它无法识别的自定义段。此功能使工具链和开发人员可以嵌入任意元数据（从调试符号到智能合约 ABI），而不会破坏兼容性。但是，这种“默认忽略”行为也为元数据篡改、供应链攻击和其他漏洞打开了一扇门。您如何信任这些段中的数据？如何确保它没有被恶意更改？

本综合指南深入探讨了 WebAssembly 自定义段验证的关键实践。我们将探讨为什么此过程对于构建安全系统至关重要，剖析各种用于完整性检查的技术（从简单的哈希到强大的数字签名），并提供可操作的见解，以便在您自己的应用程序中实施这些检查。

了解 WebAssembly 二进制格式：快速回顾

要理解自定义段验证的挑战，首先必须了解 Wasm 二进制模块的基本结构。一个 .wasm 文件不仅仅是一段机器代码；它是一种高度结构化的二进制格式，由不同的“段”组成，每个段都有特定的用途。

一个典型的 Wasm 模块以一个幻数 (\0asm) 和一个版本号开始，后面跟着一系列段。这些段分为以下几类：

• 已知段： 这些段由 WebAssembly 规范定义，并且被所有兼容运行时所理解。它们具有非零的段 ID。 示例包括：
  • 类型段 (ID 1)： 定义模块中使用的函数签名。
  • 函数段 (ID 3)： 将每个函数与类型段中的签名关联。
  • 内存段 (ID 5)： 定义模块的线性内存。
  • 导出段 (ID 7)： 使函数、内存或全局变量可用于宿主环境。
  • 代码段 (ID 10)： 包含每个函数的实际可执行字节码。
• 自定义段： 这是我们关注的领域。自定义段由段 ID 0 标识。 Wasm 规范规定，运行时和工具必须静默地忽略它们不理解的任何自定义段。

自定义段的剖析

自定义段的结构是故意通用的，以允许最大的灵活性。它由三个部分组成：

1. 段 ID： 始终为 0。
2. 名称： 一个字符串，用于标识自定义段的用途（例如，“name”、“dwarf_info”、“component-type”）。 此名称允许工具查找和解释它们关心的段。
3. 有效负载： 任意的字节序列。 此有效负载的内容和格式完全取决于创建它的工具或应用程序。 Wasm 运行时本身对此数据没有任何约束。

这种设计是一把双刃剑。它使生态系统能够创新，嵌入丰富的元数据，例如 Rust panic 信息、Go 运行时数据或组件模型定义。但这也是为什么标准的 Wasm 运行时无法验证此数据的原因 - 它不知道数据应该是什么。

安全盲点：为什么未验证的元数据存在风险

核心安全问题源于 Wasm 模块与使用其元数据的工具或宿主应用程序之间的信任关系。虽然 Wasm 运行时安全地执行代码，但您的系统的其他部分可能隐式地信任自定义段中的数据。这种信任可以通过多种方式被利用。

通过自定义段的攻击向量

• 元数据篡改： 攻击者可以修改自定义段以误导开发人员或工具。想象一下，更改调试信息 (DWARF) 以指向错误的代码行，在安全审计期间隐藏恶意逻辑。或者，在区块链上下文中，修改存储在自定义段中的智能合约的 ABI（应用程序二进制接口）可能会导致去中心化应用程序 (dApp) 调用错误的函数，从而导致经济损失。
• 拒绝服务 (DoS)： 虽然 Wasm 运行时忽略未知的自定义段，但工具链不会。编译器、链接器、调试器和静态分析工具通常会解析特定的自定义段。攻击者可以精心制作一个格式错误的自定义段（例如，具有不正确的长度前缀或无效的内部结构），专门用于使这些工具崩溃，从而扰乱开发和部署管道。
• 供应链攻击： 作为 Wasm 模块分发的流行库可能已被受损的构建服务器或中间人攻击注入了恶意自定义段。此段可能包含恶意配置数据，该数据随后由宿主应用程序或构建工具读取，指示其下载恶意依赖项或渗漏敏感数据。
• 误导性的来源信息： 自定义段通常用于存储构建信息、源代码哈希或许可数据。攻击者可以更改此数据以掩盖恶意模块的来源，将其归因于受信任的开发人员，或将其许可从限制性许可更改为允许性许可。

在所有这些场景中，Wasm 模块本身可能会在沙盒中完美地执行。漏洞存在于 Wasm 模块周围的生态系统中，该生态系统基于被认为值得信赖的元数据做出决策。

元数据完整性检查技术

为了缓解这些风险，您必须从隐式信任模型转变为显式验证模型。这涉及实施一个验证层，该层在关键自定义段使用之前检查其完整性和真实性。让我们探索几种技术，从简单的到密码学安全的。

1. 哈希和校验和

最简单的完整性检查形式是使用密码哈希函数（如 SHA-256）。

• 工作原理： 在构建过程中，在创建自定义段（例如，`my_app_metadata`）之后，您计算其 SHA-256 哈希。然后，将此哈希存储在另一个专用的自定义段（例如，`my_app_metadata.sha256`）中，或者存储在伴随 Wasm 模块的外部清单文件中。
• 验证： 使用应用程序或工具读取 `my_app_metadata` 段，计算其哈希值，并将其与存储的哈希值进行比较。如果它们匹配，则自计算哈希值以来数据未被更改。如果它们不匹配，则该模块被拒绝为已篡改。

优点：

• 易于实现且计算速度快。
• 提供出色的保护，防止意外损坏和故意修改。

缺点：

• 无真实性： 哈希证明数据没有改变，但它不能证明谁创建了它。攻击者可以修改自定义段，重新计算哈希值，并更新哈希段。它仅在哈希值本身存储在安全的、防篡改的位置时才有效。
• 需要辅助渠道来信任哈希本身。

2. 数字签名（非对称密码学）

为了获得更强的保证，同时提供完整性和真实性，数字签名是黄金标准。

• 工作原理： 此技术使用公钥/私钥对。 Wasm 模块的创建者拥有私钥。
  1. 首先，计算自定义段有效负载的密码哈希，就像在前面的方法中一样。
  2. 然后，使用创建者的私钥加密（签名）此哈希。
  3. 生成的签名存储在另一个自定义段（例如，`my_app_metadata.sig`）中。 相应的公钥必须分发给验证者。 公钥可以嵌入到宿主应用程序中，从受信任的注册表中获取，甚至可以放置在另一个自定义段中（尽管这需要一个单独的机制来信任公钥本身）。
• 验证： Wasm 模块的使用者执行以下步骤：
  1. 它计算 `my_app_metadata` 段的有效负载的哈希值。
  2. 它从 `my_app_metadata.sig` 段读取签名。
  3. 使用创建者的公钥，它解密签名以显示原始哈希值。
  4. 它将解密的哈希值与它在第一步中计算的哈希值进行比较。 如果它们匹配，则签名有效。 这证明了两件事：数据没有被篡改（完整性），并且它是由私钥的持有者签名的（真实性/来源）。

优点：

• 提供对完整性和真实性的有力保证。
• 公钥可以广泛分发，而不会损害安全性。
• 构成安全软件供应链的基础。

缺点：

• 实现和管理更复杂（密钥生成、分发和吊销）。
• 与简单的哈希相比，验证期间的计算开销略高。

3. 基于模式的验证

完整性和真实性检查可确保数据未更改且来自受信任的来源，但它们不能保证数据格式正确。 结构无效的自定义段仍然可能使解析器崩溃。 基于模式的验证解决了这个问题。

• 工作原理： 您为自定义段有效负载的二进制格式定义一个严格的模式。 可以使用 Protocol Buffers、FlatBuffers 甚至自定义规范之类的格式定义此模式。 该模式规定了数据类型、长度和结构的预期序列。
• 验证： 验证器是一个解析器，它尝试根据预定义的模式解码自定义段的有效负载。 如果解析成功且没有错误（例如，没有缓冲区溢出，没有类型不匹配，所有预期的字段都存在），则该段被认为是结构上有效的。 如果解析在任何时候失败，则拒绝该段。

优点：

• 保护解析器免受格式错误的数据的侵害，从而防止一类 DoS 攻击。
• 强制执行元数据的一致性和正确性。
• 充当自定义数据格式的一种文档形式。

缺点：

• 不能防止创建结构上有效但语义上恶意的有效负载的熟练攻击者。
• 需要维护模式和验证器代码。

分层方法：两全其美

这些技术并非相互排斥。 事实上，当它们以分层安全策略组合在一起时，它们最强大：

推荐的验证管道：

1. 查找和隔离： 首先，解析 Wasm 模块以找到目标自定义段（例如，`my_app_metadata`）及其相应的签名段（`my_app_metadata.sig`）。
2. 验证真实性和完整性： 使用数字签名验证 `my_app_metadata` 段是真实的且未被篡改。 如果此检查失败，请立即拒绝该模块。
3. 验证结构： 如果签名有效，请继续使用基于模式的验证器解析 `my_app_metadata` 有效负载。 如果格式错误，请拒绝该模块。
4. 使用数据： 只有在两个检查都通过后，您才能安全地信任和使用元数据。

这种分层方法确保您不仅受到数据篡改的保护，而且还受到基于解析的攻击的保护，从而提供强大的纵深防御安全态势。

实际实施和工具

实施此验证需要可以操作和检查 Wasm 二进制文件的工具。 该生态系统提供了几个出色的选项。

用于操作自定义段的工具

• wasm-tools： 一套命令行工具和一个 Rust crate，用于解析、打印和操作 Wasm 二进制文件。 您可以使用它来添加、删除或检查自定义段作为构建脚本的一部分。 例如，`wasm-tools strip` 命令可用于删除自定义段，而可以使用 `wasm-tools` crate 构建自定义程序以添加签名。
• Binaryen： 一个用于 WebAssembly 的编译器和工具链基础设施库。 它的 `wasm-opt` 工具可用于各种转换，并且它的 C++ API 提供了对模块结构的细粒度控制，包括自定义段。
• 特定于语言的工具链： 诸如 `wasm-bindgen`（对于 Rust）之类的工具或其他语言的编译器通常提供机制或插件，以在编译过程中注入自定义段。

验证器的伪代码

以下是宿主应用程序中验证器函数可能看起来的概念性、高级示例：

function validateWasmModule(wasmBytes, trustedPublicKey) { // Step 1: Parse the module to find relevant sections const module = parseWasmSections(wasmBytes); const metadataSection = module.findCustomSection("my_app_metadata"); const signatureSection = module.findCustomSection("my_app_metadata.sig"); if (!metadataSection || !signatureSection) { throw new Error("Required metadata or signature section is missing."); } // Step 2: Verify the digital signature const metadataPayload = metadataSection.payload; const signature = signatureSection.payload; const isSignatureValid = crypto.verify(metadataPayload, signature, trustedPublicKey); if (!isSignatureValid) { throw new Error("Metadata signature is invalid. Module may be tampered."); } // Step 3: Perform schema-based validation try { const parsedMetadata = MyAppSchema.decode(metadataPayload); // The data is valid and can be trusted return { success: true, metadata: parsedMetadata }; } catch (error) { throw new Error("Metadata is structurally invalid: " + error.message); } }

现实世界的用例

对自定义段验证的需求不是理论上的。 它是许多现代 Wasm 用例中的实际要求。

• 区块链上的安全智能合约： 智能合约的 ABI 描述了它的公共函数。 如果此 ABI 存储在自定义段中，则必须对其进行签名。 这可以防止恶意行为者通过呈现欺诈性 ABI 来欺骗用户的钱包或 dApp 以错误的方式与合约交互。
• 可验证的软件物料清单 (SBOM)： 为了增强供应链安全性，Wasm 模块可以在自定义段中嵌入其自身的 SBOM。 对此段进行签名可确保依赖项列表是真实的，并且没有被更改以隐藏易受攻击或恶意的组件。 模块的使用者随后可以在使用前自动验证其内容。
• 安全插件系统： 宿主应用程序（如代理、数据库或创意工具）可以使用 Wasm 作为其插件架构。 在加载第三方插件之前，宿主可以检查是否有签名的 `permissions` 自定义段。 此段可以声明插件所需的功能（例如，文件系统访问、网络访问）。 签名保证权限在发布后没有被攻击者提升。
• 内容可寻址分发： 通过哈希 Wasm 模块的所有段（包括元数据），可以为该确切构建创建一个唯一的标识符。 这用于内容可寻址存储系统（如 IPFS）中，其中完整性是核心原则。 验证自定义段是确保此确定性身份的关键部分。

未来：标准化和组件模型

WebAssembly 社区认识到模块完整性的重要性。 Wasm 社区组内正在进行关于标准化模块签名和其他安全原语的讨论。 标准化方法将允许运行时和工具以原生方式执行验证，从而简化开发人员的过程。

此外，新兴的 WebAssembly 组件模型 旨在标准化 Wasm 模块如何相互交互以及与宿主交互。 它在名为 `component-type` 的自定义段中定义了高级接口。 此段的完整性对于整个组件生态系统的安全性至关重要，这使得此处讨论的验证技术更加重要。

结论：从信任到验证

WebAssembly 自定义段提供了必不可少的灵活性，允许生态系统将丰富的、特定于领域的元数据直接嵌入到模块中。 但是，这种灵活性伴随着验证的责任。 Wasm 运行时的默认行为（忽略它们不理解的内容）会产生一个信任差距，该差距可能会被利用。

作为使用 WebAssembly 构建的开发人员或架构师，您必须将您的心态从隐式信任元数据转变为显式验证元数据。 通过实施分层验证策略，将模式检查与结构正确性相结合，并将数字签名与完整性和真实性相结合，您可以弥合此安全差距。

构建安全、稳健和值得信赖的 Wasm 生态系统需要在每一层都保持勤奋。 不要让您的元数据成为您安全链中的薄弱环节。 验证您的自定义段，保护您的应用程序，并充满信心地构建。