JS `WebAssembly System Interface (WASI)` `Capabilities-Based Security` 模型

嘿，各位代码爱好者们，欢迎来到今天的“WASI Capabilities-Based Security”讲座！ 今天咱们要聊聊WebAssembly，还有它那听起来有点高大上的WASI（WebAssembly System Interface），以及更酷炫的Capabilities-Based Security模型。

开场白：WebAssembly，不再只是浏览器的玩具

首先，咱们得明确一点：WebAssembly (Wasm) 已经不是当年那个只能在浏览器里跑跑特效的小弟了。它现在可是个能独当一面的大人物，可以跑在服务器上，嵌入到各种各样的应用里。 但问题来了，如果Wasm代码想访问系统资源（比如文件、网络），该怎么办？ 难道直接 fs.readFile() 或者 fetch()？ 这样搞安全吗？想想都觉得可怕。

WASI：WebAssembly 的系统调用翻译官

这时候，WASI 就闪亮登场了。WASI 就像一个翻译官，它定义了一套标准的系统接口，让Wasm代码可以通过这套接口来访问系统资源。 这样一来，Wasm代码就不用直接和底层操作系统打交道了，提高了可移植性和安全性。

举个例子，Wasm代码想读取一个文件，它不会直接调用操作系统的 open() 函数，而是调用WASI提供的 fd_read() 函数。 然后WASI会负责把这个 fd_read() 调用转换成操作系统可以理解的指令。

Capabilities-Based Security：授人以渔，而非直接给鱼

接下来，我们来聊聊Capabilities-Based Security（基于能力的安全性）。 想象一下，你是一家公司的CEO，你不会把整个公司的钥匙都交给每个员工吧？ 你只会根据他们的职位和职责，给他们相应的权限。 Capabilities-Based Security 就是这个道理。

它不是基于用户的身份来判断权限，而是基于“能力”（capabilities）。 能力就像一把钥匙，只有拥有这把钥匙，才能访问对应的资源。 比如说，如果你有一把打开 my_secret.txt 文件的钥匙（capability），你就可以读取这个文件。 如果你没有这把钥匙，就算你是超级管理员，你也无权访问。

WASI + Capabilities-Based Security：天作之合

WASI和Capabilities-Based Security简直是天作之合。 WASI定义了一套标准的系统接口，而Capabilities-Based Security 则负责控制Wasm代码对这些接口的访问权限。 通过这种方式，我们可以构建出非常安全可靠的Wasm应用。

代码示例：一个简单的文件读取示例

为了更好地理解，咱们来看一个简单的文件读取示例。 假设我们有一个Wasm模块，它想读取一个名为 input.txt 的文件。

首先，我们需要创建一个WASI环境，并授予它读取 input.txt 文件的能力。

const fs = require('fs');
const { WASI } = require('wasi');

// 创建一个WASI实例
const wasi = new WASI({
  args: [],
  env: {},
  preopens: {
    '/': '/', // 授予根目录的访问权限 (注意: 生产环境要谨慎使用)
  },
});

// 读取Wasm模块
const wasmBinary = fs.readFileSync('my_module.wasm');

// 编译Wasm模块
WebAssembly.compile(wasmBinary)
  .then(module => {
    // 创建Wasm实例
    const importObject = {
      wasi_snapshot_preview1: wasi.wasiImport,
    };
    const instance = new WebAssembly.Instance(module, importObject);

    // 启动WASI
    wasi.start(instance);

    // 调用Wasm模块中的函数 (假设函数名为 read_file)
    const readFile = instance.exports.read_file;
    readFile(); // 函数内部会调用WASI的 fd_read 函数

  })
  .catch(error => {
    console.error('Error:', error);
  });

在这个例子中，preopens 选项指定了WASI可以访问的文件系统路径。 我们授予了根目录 / 的访问权限，这意味着Wasm模块可以访问根目录下的所有文件（包括 input.txt）。 注意：在生产环境中，应该尽可能限制WASI的访问权限，只授予它必要的权限。

Wasm模块代码 (C语言示例):

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

__attribute__((import_module("wasi_snapshot_preview1"), import_name("fd_read")))
int fd_read(int fd, const void *iov, int iovcnt, int *pnum);

__attribute__((import_module("wasi_snapshot_preview1"), import_name("fd_write")))
int fd_write(int fd, const void *iov, int iovcnt, int *pnum);

__attribute__((import_module("wasi_snapshot_preview1"), import_name("fd_open")))
int fd_open(const char *path, int oflags, int fdflags, int *fd);

__attribute__((import_module("wasi_snapshot_preview1"), import_name("fd_close")))
int fd_close(int fd);

int read_file() {
  int fd;
  int result = fd_open("input.txt", O_RDONLY, 0, &fd);
  if (result != 0) {
    fprintf(stderr, "Failed to open file: %dn", result);
    return 1;
  }

  char buffer[256];
  int bytes_read;
  int num;

  // 构造 iovec 结构体 (WASI 要求使用 iovec)
  struct iovec {
    void  *iov_base;    /* Starting address of buffer */
    size_t iov_len;     /* Number of bytes to transfer */
  };

  struct iovec iov = { buffer, sizeof(buffer) };

  result = fd_read(fd, &iov, 1, &num);
  bytes_read = num;

  if (result != 0) {
    fprintf(stderr, "Failed to read file: %dn", result);
    fd_close(fd);
    return 1;
  }

  // 将读取的内容写入标准输出
  struct iovec iov_out = { buffer, bytes_read };
  int bytes_written;
  result = fd_write(1, &iov_out, 1, &num);
  bytes_written = num;

  if(result != 0) {
      fprintf(stderr, "Failed to write to stdout: %dn", result);
      fd_close(fd);
      return 1;
  }

  fd_close(fd);
  return 0;
}

这个C代码示例展示了如何使用WASI的 fd_open, fd_read 和 fd_write 函数来读取文件并将其内容输出到标准输出。 注意 iov 结构体的使用，这是WASI fd_read 和 fd_write 函数所要求的参数格式。

更细粒度的权限控制：Capabilities 的进阶用法

上面的例子只是一个最简单的示例，我们只是简单地授予了WASI对整个根目录的访问权限。 在实际应用中，我们需要更细粒度的权限控制。 例如，我们只想让Wasm模块读取 input.txt 文件，而不能读取其他文件。 或者我们只想让Wasm模块写入 output.txt 文件，而不能写入其他文件。

这就需要用到更高级的Capabilities技巧。 我们可以使用一些库（例如 cap-std，适用于 Rust）来创建和管理Capabilities。

Rust 代码示例 (使用 cap-std 库):

use cap_std::fs::Dir;
use cap_std::ambient::DirExt;
use std::fs;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 创建一个目录 capability，指向当前目录
    let dir = Dir::open_ambient_dir(".", cap_std::ambient::Permissions::READ)?;

    // 创建一个新的目录 capability，只允许读取 input.txt
    let restricted_dir = dir.open_dir(".",&cap_std::fs::DirOpenOptions::new().read(true))?;

    // 创建一个文件 capability，只允许读取 input.txt
    let restricted_file = restricted_dir.open("input.txt", &cap_std::fs::FileOptions::new().read(true))?;

    // 现在你可以将 `restricted_file` 传递给 Wasm 模块，
    // 这样 Wasm 模块只能读取 input.txt 文件。

    // 注意: 这只是一个示例，你需要将 `restricted_file` 转换为 Wasi 文件描述符，
    // 并传递给 Wasm 模块的 `fd_read` 函数。  这通常需要一些额外的胶水代码。

    Ok(())
}

这个 Rust 代码示例展示了如何使用 cap-std 库来创建 Capabilities，并限制对文件系统的访问权限。 通过这种方式，我们可以构建出更加安全可靠的Wasm应用。

Capabilities 的优势：

特性	描述
细粒度权限控制	可以精确控制Wasm代码对系统资源的访问权限，只授予它必要的权限。
最小权限原则	遵循最小权限原则，降低安全风险。
可移植性	Capabilities 不依赖于特定的操作系统或用户身份，因此可以提高Wasm应用的可移植性。
审计性	可以方便地审计Wasm代码的权限，了解它能访问哪些资源。
灵活性	可以动态地修改Wasm代码的权限，而不需要重新编译或部署。

WASI 的未来：

WASI 还在不断发展中，未来将会支持更多的系统接口和更强大的Capabilities功能。 例如，WASI 可能会支持网络访问、多线程、图形界面等功能。 同时，WASI 社区也在积极探索如何更好地利用Capabilities来构建更加安全可靠的Wasm应用。

总结：WASI + Capabilities-Based Security = 安全的未来

总而言之，WASI 和 Capabilities-Based Security 是构建安全可靠的Wasm应用的关键技术。 通过合理地使用WASI和Capabilities，我们可以有效地控制Wasm代码对系统资源的访问权限，降低安全风险。

希望今天的讲座能够帮助大家更好地理解WASI和Capabilities-Based Security。 记住，安全无小事，让我们一起努力，构建一个更加安全的Wasm世界！

Q&A 环节：

好了，今天的讲座就到这里。 现在是Q&A环节，大家有什么问题可以提出来。 不要害羞，大胆提问！ 我会尽力解答大家的疑惑。