构建一个安全的 JavaScript 沙箱

在 Node.js 中有一个模块叫做 VM,它提供了几个 API,允许代码在 V8 虚拟机上下文中运行,如:

const vm = require('vm');
const sandbox = { a: 1, b: 2 };
const script = new vm.Script('a + b');
const context = new vm.createContext(sandbox);
script.runInContext(context);

vm.Script 中的代码是预编译好的,通过 vm.createContext 将代码加载到一个上下文环境中,置入沙箱(sandbox),然后通过 script.runInContext 执行代码,整个操作都在封闭的 VM 中进行。这是 Node.js 提供给我们的便捷功能,那么,在浏览器环境中呢?是否也能做到将代码运行在沙箱中?本文带着大家来探索一番。

代码编译工具

邪恶的 eval

eval 函数可以将一个 Javascript 字符串视作代码片段执行,不过它存在诸多问题,如调试困难、性能问题等,并且它在运行时可以访问闭包环境和全局作用域,存在代码注入的安全风险,作为沙箱,这也是我们不期望看到的。 eval 虽然好用,但是经常被滥用,在这里我们不多讨论它。

new Function

Function 构造函数会创建一个新的函数对象,它可以作为 eval 的替代品:

fn = new Function(...args, 'functionBody');

返回的 fn 是一个定义好的函数,最后一个参数为函数体。它和 eval 不太一样:

  • fn 是一段编译好的代码,可以直接执行,而 eval 需要编译一次
  • fn 没有对所在闭包的作用域访问权限,不过它依然能够访问全局作用域

如何阻止它访问全局作用域呢?

with 关键词

with 是阻止程序访问上一级作用域的一道防火墙:

function compileCode(code) {
code = 'with (sandbox) {' + code + '}';
return new Function('sandbox', code);
}

如上代码, code 被执行时,首先会寻找 sandbox 中的变量,如果不存在,会往上追溯 global 对象,虽然有一道防火墙,但是依然不能阻止 fn 访问全局作用域。

似乎在 ECMAScript 5 中掌握的知识已经不足以解决 code 逃逸沙箱的问题了,此时我们可以把焦点放在 ES6 提供的新特性上。

ES6 Proxy

ES6 中提供了一个 Proxy 函数,它是访问对象前的一个拦截器,下面举一个简单的栗子:

const p = new Proxy({}, {
get(target, key) {
if(key === 'a') {
return 1;
}
Reflect.get(target, key);
}
});
p.a // 1
p.s // undefined

代码中, Proxy{} 设置了属性访问拦截器,倘若访问的属性为 a 则返回 1,否则走正常程序。

这里我们可以使用 proxy 对访问做拦截处理, sandbox 本不存在的属性会追溯到全局变量上访问,此时我们可以欺骗程序,告诉它这个「不存在的属性」是存在的,于是有了下面的代码:

function compileCode(code) {
code = 'with (sandbox) {' + code + '}';
const fn = new Function('sandbox', code);
return (sandbox) => {
const proxy = new Proxy(sandbox, {
has(target, key) {
return true; // 欺骗,告知属性存在
}
});
return fn(proxy);
}
}

似乎这么做就可以了,但既然用到了 ES6 的特性,我们便不能忽略 ES6 中一个可以控制 with 关键词行为的变量。

Symbol.unscopables

Symbol 是 JS 的第七种数据类型,它能够产生一个唯一的值,同时也具备一些内建属性,这些属性可以用来进行元编程(meta programming),即对语言本身编程,影响语言行为。其中一个内建属性 Symbol.unscopables ,通过它可以影响 with 的行为。

const foo = () => 'global';
class A {
foo() { return 'clourse'; }
get [Symbol.unscopables]() {
return {
foo: true // 不允许访问对象的 foo,直接到上层
}
}
}
with(A.prototype) {
foo(); // 'global'
}

上面对 A 设置做了 Symbol.unscopables 的设定,声明 foo 属性在 A 上是不存在的,从而使得代码从 with 中逃逸。对此,我们需要对它做一层加固:

function compileCode(code) {
code = 'with (sandbox) {' + code + '}';
const fn = new Function('sandbox', code);
return (sandbox) => {
const proxy = new Proxy(sandbox, {
has(target, key) {
return true; // 欺骗,告知属性存在
}
get(target, key, receiver) {
// 加固,防止逃逸
if (key === Symbol.unscopables) {
return undefined;
}
Reflect.get(target, key, receiver);
}
});
return fn(proxy);
}
}

存在的漏洞

不过,这里还存在两个逻辑漏洞:

  • code 中可以提前关闭 sandboxwith 语境,如 '} alert(this); {'
  • code 中可以使用 evalnew Function 直接逃逸

对于第一个问题,我们可以通过堆栈深度检测:

let stack = 0;
for (let char of code) {
if (char === '{') {
stack++;
} else if (char === '}') {
if (stack === 0) {
throw new Error('Syntax Error.');
} else {
stack--;
}
}
}

事实上,这样做依然不严谨,比如代码注释中出现花括号问题,如 /*{*/'} alert(this); {'/*}*/ ;而对于第二个问题,暂时还没有什么好的办法,尤其是 Function ,它可以通过很多方式构造出来:

(function(){}).constructor("alert(this)")();
/2/.constructor.constructor("alert(this)")();

最后

灵活是 Javascript 这门语言的特性,也是它难以被掌控的主要原因,这点可以从文中各种沙箱逃逸方式就能看出。ES6 提供了很多新的特性,本文以沙箱为切入点,带着大家学习了几个函数和属性,希望读者有些收获。

本文没有得到一个完美的答案,但是这个问题依然值得思考和研究。

有一个比较不错的思路是,通过 iframe 执行代码,执行的结果通过 postMessage 函数通讯传输给操作者。并且 iframe 还提供了很多可供设置的安全参数,如 allow-scripts , allow-forms , allow-same-origin , allow-top-navigation 等等,方便我们对沙箱做安全控制。

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