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【技术分享】WebAssembly入门:将字节码带入Web世界

2017-04-21 14:06:42 阅读:13064次 收藏 来源: fortinet.com 作者:興趣使然的小胃

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翻译:興趣使然的小胃

预估稿费:200RMB

投稿方式:发送邮件至linwei#360.cn,或登陆网页版在线投稿


WebAssembly(WA)是一种新兴技术,FortiGuard实验室在这篇文章里汇总了与之相关的一些常见问题。


一、何为WebAssembly


WebAssembly是针对Web设计的一种低级语言,这种可移植的二进制格式旨在提高Web应用的运行速度。这种语言的设计初衷是获得比JavaScript(JS)更快的解析速度(最高提高20倍)和执行速度。


二、WebAssembly的公布时间


WebAssembly社区小组于2015年4月成立,其使命是“为Web设计一种全新的、可移植的、能够高效加载及易于编辑的轻量级格式,以促进跨浏览器协作”。


三、从何处入手


首先你必须使用Binaryen设置Emscripten SDK,将C/C++代码或Rust代码转化为WA的“.wasm”二进制文件,或者使用与Lisp类似的S-表达式将代码转化为“.wast”(或“.wat”)文本格式,如图1所示。

http://p7.qhimg.com/t016ca162b5f3ed1244.png

图1. 从源代码到Web的处理过程

你可以从这个在线工具开始学习,快速查看代码片段。

在页面右侧的反汇编输出中,你可以看到头两行代码如下所示:

0000000: 0061 736d                                  ; WASM_BINARY_MAGIC
0000004: 0b00 0000                                  ; WASM_BINARY_VERSION

第一行与魔术数字“0x6d736100”有关,这个数字代表的是“\0asm”。第二行显示的是版本号,这里版本号为“0xb”。由于当前WA的版本号是0xd,因此这个在线工具生成的字节码不能用于当前版本的Web浏览器,不过这段代码还是值得一看的。当WebAssembly最终发布时,其版本号会被设定为0x1。


四、WebAssembly如何工作


目前WebAssembly需要通过JavaScript加载和编译。主要包括以下四个步骤:

1、加载wasm字节码。

2、将wasm字节码编译为模块。

3、实例化模块。

4、运行函数。

翻译过来就是:

fetch('your_code.wasm').then(response => response.arrayBuffer()
).then(bytes => WebAssembly.instantiate(bytes, {})
).then(instance => instance.exports.your_exported_function ()

从上述代码可知,“WebAssembly.instantiate”可以同时用于编译和实例化模块。


五、WebAssembly的使用场景


作为asm.js的下一代改进版,WebAssembly使用了JavaScript中一个非常受限的指令子集,该子集最适合作为C编译器的编译目标。WebAssembly不包含JavaScript对象,也不直接访问文档对象模型(Document Object Model,DOM)。从本质上来讲,WebAssembly只允许对类型数组进行算术运算和操作。

一些初步样例表明,使用wasm实现的斐波那契数生成算法比对应的JS实现性能上更优,有超过350%的性能提升。

目前,WebAssembly只是在简单模仿JS的功能,但人们计划扩展WebAssembly的使用场景,以处理JS中难以处理的事情,同时不增加语言的复杂度。比如,人们计划使WebAssembly默认支持SIMD(Single Instruction,Multiple Data,单指令流多数据流)、线程、共享内存等等功能。

许多流行视频游戏编辑器已经准备就绪,开始将WebAssembly技术与WebGL 2.0相结合,将部分3D功能引擎移植到这个全新平台上。你可以试一下Epic出品的Zen Garden,体验这种全新技术。


六、这是否就是JavaScript的末日


WebAssembly会促进JavaScript的发展,而不是导致其灭亡,它可以为Web中的关键功能带来语言上的多样性并提高性能。WebAssembly不单单给JS带来性能上的提升,同时也造福了Web浏览器。

可以预想的是,五年后,我们使用JS的方式将大大不同。目前,我们在很多场景中都难以使用JS代码完成任务,大部分功能都需要借助复杂库来实现。

由于WebAssembly的易用性和简单性,我们预测会有越来越多的代码从C++或Python转化为JS,甚至直接转化为WebAssembly。这意味着你不需要去学习一门全新的语言。JS虚拟机还是会存在,但对应工具会不断发展,以获取更优的性能。


七、WebAssembly与基于MS ActiveX/Adobe Flash/Orcale Java Applet/MS Silverlight/Google NaCl构建的富因特网应用之间有何区别


由于不同的公司各自推出了不同的标准,因此富因特网应用(Rich Internet Application, RIA)无法形成标准的开放格式。

比如,微软在自家的IE浏览器中推广ActiveX技术。该技术让开发者能够通过COM组件将打包功能重新集成到Web页面中。

Google推出了Native Client,让开发者将一些C/C++代码打包集成到浏览器中,然而,只有Chrome支持这项技术,达不到广义上的可移植要求。

几年前,Mozilla发布了asm.js,打开了性能优化的大门。他们最早提出了使用JS中的严格子集。通过限制语言的功能性,他们能够预测虚拟机的下一步反应,从而通过移除某些不必要的检查操作以提高性能。但这种技术也会影响语言的动态行为。

所有的这些技术构成了今天WA诞生的基础。WebAssembly运行在JS虚拟机内部,使用了JS的部分功能,这意味着它不仅能够与运行最新Web浏览器的设备兼容,也能做到向前兼容。为了实现这一点,设计人员正在开发一个polyfill,核心思想是将每个函数转换为语义上等效的JS代码,虽然这样做会影响运行性能,但至少能解决代码的运行问题。


八、WebAssembly长什么样


顾名思义,WebAssembly的最终形式是一种低级字节码,可以转换为汇编代码,但与通常的CPU汇编代码不同。

我们来看看“Hello world”这个例子(值得一提的是,虽然“Hello world”是大多数程序员相当熟悉的一个程序,但这个程序并不是特别适合这门语言,因为WA默认情况下没有集成打印功能,这也是为什么以下代码必须通过JS从标准库中导入该功能,然后传递所需的参数)。

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream)这个C语言库函数可以从ptr指向的数组中读取数据,并将数据写入到stream文件流中。

紧跟在wasp代码之后的是wasm字节码的版本号,如上文所述。

;; WebAssembly WASM AST Hello World! program
(module
  (memory 1 
   (segment 8 "hello world!\n")
  )
  (import $__fwrite "env" "_fwrite" (param i32 i32 i32 i32) (result i32))
  (import $_get__stdout "env" "get__stdout" (param) (result i32))
  (export "main" $main)
  (func $main (result i32)
    (local $stdout i32)
    (set_local $stdout (call_import $_get__stdout))
    (return (call_import $__fwrite
       (i32.const 8)         ;; void *ptr    => Address of our string
       (i32.const 1)         ;; size_t size  => Data size
       (i32.const 13)        ;; size_t nmemb => Length of our string
       (get_local $stdout))  ;; stream
    )
  )
)

代码1:wast版的Hello World程序(参考自github

http://p1.qhimg.com/t01ceb259988332a52a.png

代码2:wasm字节码形式的Hello World程序

虽然我们可以手动编写字节码,但我想没有哪个程序员会这么做。相反,他们会选择使用wasp的S-表达式,或者其他更为人性化的高级语言,这样能够生成等价的编译器优化的代码。


九、WA的安全性如何,对网络威胁方面的意义


在浏览器中运行时,WebAssembly运行在一个安全的沙箱化环境中,这意味着WebAssembly与其他Web语言一样,遵守相同的同源策略和权限策略。根据维基百科的定义,同源策略可以“防止某个页面中的恶意脚本通过该页面的文档对象模型(DOM)获取其他Web页面上敏感信息的访问权限”。

这听起来是一个非常完美的解决方案。

然而,过去的很多案例表明,攻击者出于个人利益,总是能够找到一种方法来滥用或转移新技术的使用场景。比如,攻击者已经使用某些流行的开源项目或某些自制代码中的JS混淆代码,实现恶意代码隐藏并绕过杀毒软件的检测。

因此我们很容易就能预测到,WA可能会被攻击者用来实现高级混淆或加密。这个问题对训练有素的分析师来说并不是不能克服的,但对攻击工具的调试和挖掘将变得更加困难,也更加耗时。

目前,如果你在浏览器界面点击右键,查看wasm模块,你所看到的结果会与当前所使用的浏览器有关。你可能会在开发者调试器窗口看到某个函数的“原生代码”引用,也可能看到Firefox中的一个警告信息(如图2所示),还有可能看到Chrome中文本形式的WA代码(如图3所示)。

http://p6.qhimg.com/t0160fc96635095c775.png

图2. Firefox浏览器的WA调试界面

http://p3.qhimg.com/t017a7ee02ccba7cb04.png

图3. Chrome浏览器的WA开发者工具

我们需要改进Web浏览器以支持更加智能的WA调试工具。在任何情况下,浏览器都应该支持某个恶意模块的下载(因为模块需要在用户主机上运行)及反汇编,以帮助逆向研究人员分析模块的目的。否则,就像.NET一样,会有某些代码混淆器阻止人们将字节码还原为初始代码。但后者可能不是出于恶意目的,有时候是合法的,比如源代码作者希望通过这种方法保护他们的知识产权。


十、WA何时发布


Mozilla Firefox 52版(3月7日发布)、Google Chrome 57版(3月9日发布)以及Opera 44版(3月21日发布)已经默认支持并启用了WA。其他主流浏览器厂商,比如微软和Apple也正在推进浏览器支持WA。你可以在线跟踪相关的研发状态。


十一、如何禁用


禁用WA的方法取决与你正在使用的具体浏览器。

对于Chrome,你可以访问“chrome://flags/#enable-webassembly”这个URL,在组合框中选择“Disabled”即可。需要注意的是,你还需要重新启动浏览器使更改生效。

对于Firefox,你可以访问“about:config”这个URL,找到名为“javascript.options.wasm”的首选项,双击将该布尔值改为“False”,就可以禁用WA。


本文由 安全客 翻译,转载请注明“转自安全客”,并附上链接。
原文链接:http://blog.fortinet.com/2017/04/13/webassembly-101-bringing-bytecode-to-the-web

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