Wasm 沙盒揭秘：如何用 WASI 构建安全可靠的第三方代码运行环境

引言

大家好，我是你们的“代码安全砖家”阿强。今天咱们聊聊一个既时髦又实用的话题：WebAssembly (Wasm) 和 WebAssembly System Interface (WASI)。

你可能听说过 Wasm，它能让你的浏览器像运行原生应用一样飞快地跑各种复杂的程序。但Wasm的厉害之处远不止于此。结合 WASI，Wasm 还能变身成一个“金钟罩”，把来路不明的第三方代码牢牢地关在“沙盒”里，不让它有任何作恶的机会。这对我们这些需要跟各种代码打交道的程序员来说，简直是天大的福音！

为啥要这么麻烦呢？你想啊，现在哪个应用不得用点第三方库、插件什么的？这些代码要是出了问题，轻则程序崩溃，重则数据泄露，甚至被黑客利用。所以，我们得想个办法，既能用别人的代码，又能保证自己的系统安全。Wasm 和 WASI 就是解决这个问题的“神器”。

这篇文章，我会结合实际案例，一步步教你如何用 Wasm 和 WASI 搭建一个安全可靠的沙盒环境。还会深入分析这种沙盒的性能和安全性，让你彻底搞明白它的原理和使用方法。

什么是 Wasm 和 WASI？

Wasm：浏览器里的“虚拟机”

Wasm，全称 WebAssembly，是一种可以在现代 Web 浏览器中运行的二进制代码格式。你可以把它想象成一个“虚拟机”，它不依赖于特定的操作系统或硬件，只要有浏览器就能运行。Wasm 的设计目标是高性能和安全性，所以它运行速度快，而且天然具有沙盒隔离的特性。

Wasm 代码通常是由 C、C++、Rust 等高级语言编译而来。这意味着你可以用自己熟悉的语言编写代码，然后编译成 Wasm，就能在浏览器中运行。这大大扩展了 Web 应用的可能性，比如在线游戏、视频编辑、3D 建模等等，这些以前只能在原生应用中实现的功能，现在都可以搬到浏览器里了。

WASI：Wasm 的“系统接口”

WASI，全称 WebAssembly System Interface，是一套标准化的系统接口，用于 Wasm 模块与底层操作系统之间的交互。你可以把它理解为 Wasm 的“翻译官”，它负责把 Wasm 模块的请求翻译成操作系统能理解的指令，比如文件读写、网络通信等等。

WASI 的设计原则是“最小权限原则”，也就是说，Wasm 模块默认情况下没有任何权限，它不能访问文件系统、网络，也不能执行任何系统调用。只有当你明确授权给它某个权限，它才能执行相应的操作。这种设计从根本上保证了 Wasm 模块的安全性，即使它包含了恶意代码，也无法对系统造成任何破坏。

为什么要用 Wasm 和 WASI 构建沙盒？

在软件开发中，我们经常需要使用第三方代码，比如各种开源库、插件等等。这些代码虽然方便了我们的开发，但也带来了安全隐患。因为我们无法保证第三方代码的质量和安全性，如果其中包含了恶意代码，或者存在安全漏洞，就可能导致我们的系统被攻击，数据被泄露。

传统的解决方案，比如代码审计、静态分析等，虽然能起到一定的作用，但并不能完全解决问题。因为这些方法要么成本太高，要么难以发现隐藏的漏洞。而 Wasm 和 WASI 提供了一种更彻底的解决方案：沙盒。

沙盒是一种安全机制，它可以将不可信的代码隔离在一个受限的环境中运行，防止它对系统造成破坏。Wasm 天然具有沙盒特性，而 WASI 则进一步增强了这种隔离性。通过将第三方代码编译成 Wasm 模块，并使用 WASI 来控制它的权限，我们可以确保它只能在沙盒中运行，无法访问沙盒外的任何资源。这样，即使第三方代码存在问题，也不会影响到我们系统的安全。

如何用 Wasm 和 WASI 构建沙盒？

1. 选择合适的 Wasm 运行时

要运行 Wasm 模块，我们需要一个 Wasm 运行时。目前有很多优秀的 Wasm 运行时可供选择，比如：

• Wasmer: 一个流行的开源 Wasm 运行时，支持多种操作系统和编程语言。
• Wasmtime: 由 Bytecode Alliance 开发的 Wasm 运行时，注重安全性和性能。
• WasmEdge: 一个轻量级、高性能的 Wasm 运行时，特别适合边缘计算场景。

你可以根据自己的需求选择合适的运行时。这里，我们以 Wasmtime 为例，演示如何构建沙盒。

2. 编写第三方代码（以 C 语言为例）

假设我们要运行一个简单的 C 语言程序，它接受一个字符串作为输入，然后将字符串反转并输出。代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
void reverse_string(char *str) {
 int len = strlen(str);
 for (int i = 0; i < len / 2; i++) {
 char temp = str[i];
 str[i] = str[len - i - 1];
 str[len - i - 1] = temp;
 }
}
 
int main() {
 char str[100];
 printf("Enter a string: ");
 fgets(str, sizeof(str), stdin);
 str[strcspn(str, "\n")] = 0; // Remove trailing newline
 reverse_string(str);
 printf("Reversed string: %s\n", str);
 return 0;
}

3. 将 C 代码编译成 Wasm 模块

我们需要使用一个支持 WASI 的编译器，将 C 代码编译成 Wasm 模块。这里，我们使用 Clang 和 wasi-sdk。

首先，你需要下载并安装 wasi-sdk。然后，使用以下命令编译 C 代码：

clang --target=wasm32-wasi -O2 -o reverse.wasm reverse.c

这个命令会将 reverse.c 编译成 reverse.wasm，这是一个 Wasm 模块。

4. 使用 Wasmtime 运行 Wasm 模块

现在，我们可以使用 Wasmtime 来运行这个 Wasm 模块了。Wasmtime 提供了一个命令行工具，可以方便地运行 Wasm 模块。使用以下命令运行 reverse.wasm：

wasmtime run reverse.wasm

运行这个命令后，你会看到程序提示你输入一个字符串。输入字符串后，程序会将字符串反转并输出。由于我们使用了 WASI，这个 Wasm 模块被限制在沙盒中运行，它无法访问文件系统、网络等资源。

5. 控制 Wasm 模块的权限

WASI 允许我们精细地控制 Wasm 模块的权限。例如，我们可以禁止 Wasm 模块访问文件系统。在 Wasmtime 中，可以使用 --dir 选项来指定 Wasm 模块可以访问的目录。如果我们将 --dir 设置为一个不存在的目录，或者不设置 --dir 选项，Wasm 模块就无法访问任何目录。

wasmtime run --dir=/nonexistent_dir reverse.wasm # 模块无法访问文件系统

我们还可以使用其他选项来控制 Wasm 模块的网络访问、环境变量等。具体可以参考 Wasmtime 的文档。

沙盒的性能和安全性分析

性能

Wasm 的设计目标之一就是高性能。Wasm 代码接近原生代码的执行速度，在很多场景下，性能甚至可以超过 JavaScript。这使得 Wasm 非常适合用于性能敏感的应用，比如游戏、视频编辑等。

当然，Wasm 的性能也受到 Wasm 运行时的影响。不同的运行时有不同的优化策略，性能也会有所差异。一般来说，像 Wasmtime、Wasmer 这些主流的运行时都经过了大量的优化，性能表现都非常不错。

安全性

Wasm 的沙盒机制提供了非常高的安全性。Wasm 模块运行在一个隔离的环境中，它无法直接访问宿主机的内存、文件系统、网络等资源。所有与宿主机的交互都必须通过 WASI 进行，而 WASI 的“最小权限原则”保证了 Wasm 模块只能执行被明确授权的操作。

此外，Wasm 运行时通常还会实现一些额外的安全机制，比如内存保护、控制流完整性检查等，进一步增强 Wasm 模块的安全性。

实际案例分析

案例一：在线代码编辑器

假设我们要开发一个在线代码编辑器，用户可以在浏览器中编写并运行代码。为了安全起见，我们需要将用户提交的代码隔离在沙盒中运行，防止恶意代码对服务器造成破坏。

我们可以将用户提交的代码（比如 C、C++、Rust）编译成 Wasm 模块，然后使用 Wasmtime 或其他 Wasm 运行时在服务器上运行。通过 WASI，我们可以限制 Wasm 模块的权限，比如禁止它访问文件系统和网络，只允许它进行标准输入输出。这样，即使代码中存在恶意代码，也无法对服务器造成任何损害。

案例二：插件系统

假设我们要开发一个应用程序，并允许用户通过插件来扩展应用程序的功能。为了防止恶意插件破坏系统，我们可以使用 Wasm 和 WASI 来构建一个安全的插件系统。

我们可以将插件编译成 Wasm 模块，然后在应用程序中加载和运行这些模块。通过 WASI，我们可以控制插件的权限，比如只允许它访问特定的 API，或者限制它的资源使用。这样，即使插件存在问题，也不会影响到应用程序的稳定性和安全性。

总结

Wasm 和 WASI 为我们提供了一种构建安全沙盒环境的强大工具。通过将不可信的第三方代码隔离在沙盒中运行，我们可以有效地防止恶意代码对系统造成破坏。这对于需要使用大量第三方代码的现代软件开发来说，具有非常重要的意义。

希望这篇文章能帮助你了解 Wasm 和 WASI 的基本原理和使用方法。如果你有任何问题，欢迎在评论区留言，我会尽力解答。

记住，安全无小事，用好 Wasm 和 WASI，让你的代码更安全！