[論文レビュー] Taint Tracking for WebAssembly

Aron Szanto, Timothy Tamm+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2018

Advanced Malware Detection Techniques参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、組み込みの汚染追跡を備えた最初のJavaScriptベースのWebAssembly仮想マシンを提示しており、信頼できないWebAssemblyコードにおける機微なデータフローの細分化された監視を可能にしている。間接的な汚染追跡を導入し、変数間の暗黙的なデータフローを捉えることを可能にし、実際の環境で正しさ、セキュリティ、線形の性能オーバーヘッドを示している。

ABSTRACT

WebAssembly seeks to provide an alternative to running large and untrusted binaries within web browsers by implementing a portable, performant, and secure bytecode format for native web computation. However, WebAssembly is largely unstudied from a security perspective. In this work, we build the first WebAssembly virtual machine that runs in native JavaScript, and implement a novel taint tracking system that allows a user to run untrusted WebAssembly code while monitoring the flow of sensitive data through the application. We also introduce indirect taint, a label that denotes the implicit flow of sensitive information between local variables. Through rigorous testing and validation, we show that our system is correct, secure, and relatively efficient, benefiting from the native performance of WebAssembly while retaining precise security guarantees of more mature software paradigms.

研究の動機と目的

• クライントップ実行環境におけるWebAssemblyの実行時セキュリティ分析ツール、特に汚染追跡の欠如に取り組むこと。
• クライントップ実行と分析を可能にする、JavaScriptで実装された完全に機能するWebAssembly仮想マシンを構築すること。
• バイナリコードの粒度で動作し、直接的および間接的汚染伝搬をサポートする汚染追跡システムを設計・実装すること。
• 包括的なテストとベンチマークを通じて、汚染追跡システムの正しさ、セキュリティ、性能特性を検証すること。
• 将来的に、プライバシー保護やセキュリティ監査用のブラウザ拡張機能など、実世界の文脈への汚染追跡の導入を可能にすること。

提案手法

• サンドボックス環境でWebAssemblyバイナリコードを解釈・実行できる、独自のJavaScriptベースのWebAssembly仮想マシンを開発した。
• 命令レベルでの汚染追跡を実装し、スタック操作およびメモリアクセスを通じて型安全性を保証しつつ、汚染ラベルを伝搬させた。
• 汚染された入力から影響を受けるが、直接代入されていない変数のラベルとして、間接的汚染を導入し、暗黙のデータフローを捉えた。
• Cからwasmにコンパイルするテスト、汚染伝搬の検証、パフォーマンスベンチマークを含む包括的なテストスイートを設計・実行した。
• 各命令でスタックおよびメモリ状態を検査できるデバッグツールセットを用い、汚染伝搬の正確な検証を可能にした。
• ループやオイラーのトーティエント関数のような複雑な関数を含む、さまざまなワークロードにおける汚染追跡の実行時間およびメモリオーバーヘッドを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JavaScriptで実装された完全に機能するWebAssembly仮想マシンを構築することで、信頼できないコードの実行時分析が可能になるか？
• RQ2 細分化されたデータフロー制御が可能な環境で、汚染追跡を効果的に統合する方法は何か？
• RQ3 実世界のワークロードに適用した場合、実行時間およびメモリ使用量の観点から、汚染追跡のパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 直接的汚染追跡だけでは捉えきれない暗黙のデータフローをモデル化・検出するには、どのように間接的汚染を扱うべきか？
• RQ5 再帰や反復アルゴリズムを含む複雑な制御フローを経ても、汚染追跡システムは機微なデータを正しくかつ安全に追跡できるか？

主な発見

• 提案されたJavaScriptベースのWebAssembly仮想マシンは、オイラーのトーティエント関数の再帰的および反復的実装を含む、複雑な関数を正しく実行している。
• 汚染追跡システムは、直接代入による伝搬を正しく行い、直接代入がないにもかかわらず汚染された値の影響を受ける変数の間接的汚染も捉えている。
• 汚染追跡は、変数代入の数に比例する線形の実行時間オーバーヘッドをもたらし、単純なループでは測定可能ではあるが管理可能なパフォーマンスコストとなっている。
• 間接的汚染伝搬のパフォーマンスコストは、直接的汚染追跡よりも高いが、特にトーティエント関数のような計算負荷の高い関数においても、漸近的に線形のままである。
• 汚染可能な変数の数に比例して、汚染追跡によるメモリオーバーヘッドは線形に増加しており、想定通り、割り当てられた汚染ラベルの数に比例してヒープ使用量が増加している。
• データ量にかかわらず、汚染伝送は定数時間で行われ、任意のプログラムの漸近的効率性が汚染追跡下でも保たれている。