为 Node.js 应用建立一个更安全的沙箱环境
发布于 1 年前 作者 houfeng 1664 次浏览 来自 分享

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有哪些动态执行脚本的场景?

在一些应用中,我们希望给用户提供插入自定义逻辑的能力,比如 Microsoft 的 Office 中的 VBA,比如一些游戏中的 lua 脚本,FireFox 的「油猴脚本」,能够让用户发在可控的范围和权限内发挥想象做一些好玩、有用的事情,扩展了能力,满足用户的个性化需求。

大多数都是一些客户端程序,在一些在线的系统和产品中也常常也有类似的需求,事实上,在线的应用中也有不少提供了自定义脚本的能力,比如 Google Docs 中的 Apps Script,它可以让你使用 JavaScript 做一些非常有用的事情,比如运行代码来响应文档打开事件或单元格更改事件,为公式制作自定义电子表格函数等等。

与运行在「用户电脑中」的客户端应用不同,用户的自定义脚本通常只能影响用户自已,而对于在线的应用或服务来讲,有一些情况就变得更为重要,比如「安全」,用户的「自定义脚本」必须严格受到限制和隔离,即不能影响到宿主程序,也不能影响到其它用户。

而 Safeify 就是一个针对 Nodejs 应用,用于安全执行用户自定义的非信任脚本的模块。

怎样安全的执行动态脚本?

我们先看看通常都能如何在 JavaScript 程序中动态执行一段代码?比如大名顶顶的 eval

eval('1+2')

上述代码没有问题顺利执行了,eval 是全局对象的一个函数属性,执行的代码拥有着和应用中其它正常代码一样的的权限,它能访问「执行上下文」中的局部变量,也能访问所有「全局变量」,在这个场景下,它是一个非常危险的函数。

再来看看 Functon,通过 Function 构造器,我们可以动态的创建一个函数,然后执行它

const sum = new Function('m', 'n', 'return m + n');
console.log(sum(1, 2));

它也一样的顺利执行了,使用 Function 构造器生成的函数,并不会在创建它的上下文中创建闭包,一般在全局作用域中被创建。当运行函数的时候,只能访问自己的本地变量和全局变量,不能访问 Function 构造器被调用生成的上下文的作用域。如同一个站在地上、一个站在一张薄薄的纸上一样,在这个场景下,几乎没有高下之分。

结合 ES6 的新特性 Proxy 便能更安全一些

function evalute(code,sandbox) {
  sandbox = sandbox || Object.create(null);
  const fn = new Function('sandbox', `with(sandbox){return (${code})}`);
  const proxy = new Proxy(sandbox, {
    has(target, key) {
      // 让动态执行的代码认为属性已存在
      return true; 
    }
  });
  return fn(proxy);
}
evalute('1+2') // 3
evalute('console.log(1)') // Cannot read property 'log' of undefined

我们知道无论 eval 还是 function,执行时都会把作用域一层一层向上查找,如果找不到会一直到 global,那么利用 Proxy 的原理就是,让执行了代码在 sandobx 中找的到,以达到「防逃逸」的目的。

在浏览器中,还可以利用 iframe,创建一个再多安全一些的隔离环境,本文着眼于 Node.js,在这里不做过多讨论。

在 Node.js 中呢,有没有其它选择

或许没看到这儿之前你就已经想到了 VM,它是 Node.js 默认就提供的一个内建模块,VM 模块提供了一系列 API 用于在 V8 虚拟机环境中编译和运行代码。JavaScript 代码可以被编译并立即运行,或编译、保存然后再运行。

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

执行上这的代码就能拿到结果 3,同时,通过 vm.Script 还能指定代码执行了「最大毫秒数」,超过指定的时长将终止执行并抛出一个异常

try {
  const script = new vm.Script('while(true){}',{ timeout: 50 });
  ....
} catch (err){
  //打印超时的 log
  console.log(err.message);
}

上面的脚本执行将会失败,被检测到超时并抛出异常,然后被 Try Cache 捕获到并打出 log,但同时需要注意的是 vm.Scripttimeout 选项「只针对同步代有效」,而不包括是异步调用的时间,比如

  const script = new vm.Script('setTimeout(()=>{},2000)',{ timeout: 50 });
  ....

上述代码,并不是会在 50ms 后抛出异常,因为 50ms 上边的代码同步执行肯定完了,而 setTimeout 所用的时间并不算在内,也就是说 vm 模块没有办法对异步代码直接限制执行时间。我们也不能额外通过一个 timer 去检查超时,因为检查了执行中的 vm 也没有方法去中止掉。

另外,在 Node.js 通过 vm.runInContext 看起来似乎隔离了代码执行环境,但实际上却很容易「逃逸」出去。

const vm = require('vm');
const sandbox = {};
const script = new vm.Script('this.constructor.constructor("return process")().exit()');
const context = vm.createContext(sandbox);
script.runInContext(context);

执行上边的代码,宿主程序立即就会「退出」,sandbox 是在 VM 之外的环境创建的,需 VM 中的代码的 this 指向的也是 sandbox,那么

//this.constructor 就是外所的 Object 构建函数
const ObjConstructor = this.constructor; 
//ObjConstructor 的 constructor 就是外包的 Function
const Function = ObjConstructor.constructor;
//创建一个函数,并执行它,返回全局 process 全局对象
const process = (new Function('return process'))(); 
//退出当前进程
process.exit(); 

没有人愿意用户一段脚本就能让应用挂掉吧。除了退出进程序之外,实际上还能干更多的事情。

有个简单的方法就能避免通过 this.constructor 拿到 process,如下:

const vm = require('vm');
//创建一外无 proto 的空白对象作为 sandbox
const sandbox = Object.create(null);
const script = new vm.Script('...');
const context = vm.createContext(sandbox);
script.runInContext(context);

但还是有风险的,由于 JavaScript 本身的动态的特点,各种黑魔法防不胜防。事实 Node.js 的官方文档中也提到「 不要把 VM 当做一个安全的沙箱,去执行任意非信任的代码」。

有哪些做了进一步工作的社区模块?

在社区中有一些开源的模块用于运行不信任代码,例如 sandboxvm2jailed 等。相比较而言 vm2 对各方面做了更多的安全工作,相对安全些。

vm2 的官方 README 中可以看到,它基于 Node.js 内建的 VM 模块,来建立基础的沙箱环境,然后同时使用上了文介绍过的 ES6 的 Proxy 技术来防止沙箱脚本逃逸。

用同样的测试代码来试试 vm2

const { VM } = require('vm2');
new VM().run('this.constructor.constructor("return process")().exit()');

如上代码,并没有成功结束掉宿主程序,vm2 官方 REAME 中说「vm2 是一个沙盒,可以在 Node.js 中按全的执行不受信任的代码」。

然而,事实上我们还是可以干一些「坏」事情,比如:

const { VM } = require('vm2');
const vm = new VM({ timeout: 1000, sandbox: {}});
vm.run('new Promise(()=>{})');

上边的代码将永远不会执行结束,如同 Node.js 内建模块一样 vm2 的 timeout 对异步操作是无效的。同时,vm2 也不能额外通过一个 timer 去检查超时,因为它也没有办法将执行中的 vm 终止掉。这会一点点耗费完服务器的资源,让你的应用挂掉。

那么或许你会想,我们能不能在上边的 sandbox 中放一个假的 Promise 从而禁掉 Promise 呢?答案是能提供一个「假」的 Promise,但却没有办法完成禁掉 Promise,比如

const { VM } = require('vm2');
const vm = new VM({ 
  timeout: 1000, sandbox: { Promise: function(){}}
});
vm.run('Promise = (async function(){})().constructor;new Promise(()=>{});');

可以看到通过一行 Promise = (async function(){})().constructor 就可以轻松再次拿到 Promise 了。从另一个层面来看,况且或许有时我们还想让自定义脚本支持异步处理呢。

如何建立一个更安全一些的沙箱?

通过上文的探究,我们并没有找到一个完美的方案在 Node.js 建立安全的隔离的沙箱。其中 vm2 做了不少处理,相对来讲算是较安全的方案了,但问题也很明显,比如异步不能检查超时的问题、和宿主程序在相同进程的问题。

没有进程隔离时,通过 VM 创建的 sanbox 大体是这样的

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那么,我们是不是可以尝试,将非受信代码,通过 vm2 这个模块隔离在一个独立的进程中执行呢?然后,执行超时时,直接将隔离的进程干掉,但这里我们需要考虑如下几个问题

通过进程池统一调度管理沙箱进程

如果来一个执行任务,创建一个进程,用完销毁,仅处理进程的开销就已经稍大了,并且也不能不设限的开新进程和宿主应用抢资源,那么,需要建一个进程池,所有任务到来会创建一个 Script 实例,先进入一个 pending 队列,然后直接将 script 实例的 defer 对象返回,调用处就能 await 执行结果了,然后由 sandbox master 根据工程进程的空闲程序来调度执行,master 会将 script 的执行信息,包括重要的 ScriptId,发送给空闲的 worker,worker 执行完成后会将「结果 + script 信息」回传给 master,master 通过 ScriptId 识别是哪个脚本执行完毕了,就是结果进行 resolve 或 reject 处理。

这样,通过「进程池」即能降低「进程来回创建和销毁的开销」,也能确保不过度抢占宿主资源,同时,在异步操作超时,还能将工程进程直接杀掉,同时,master 将发现一个工程进程挂掉,会立即创建替补进程。

处理的数据和结果,还有公开给沙箱的方法

进程间如何通讯,需要「动态代码」处理数据可以直接序列化后通过 IPC 发送给隔离 Sandbox 进程,执行结果一样经过序列化通过 IPC 传输。

其中,如果想法公开一个方法给 sandbox,因为不在一个进程,并不能方便的将一个方案的引用传递给 sandbox。我们可以将宿主的方法,在传递给 sandbox worker 之类做一下处理,转换为一个「描述对象」,包括了允许 sandbox 调用的方法信息,然后将信息,如同其它数据一样发送给 worker 进程,worker 收到数据后,识出来所「方法描述对象」,然后在 worker 进程中的 sandbox 对象上建立代理方法,代理方法同样通过 IPC 和 master 通讯。

针对沙箱进程进行 CPU 和内存配额限制

在 Linux 平台,通过 CGoups 对沙箱进程进行整体的 CPU 和内存等资源的配额限制,Cgroups 是 Control Groups 的缩写,是 Linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组(Process Groups)所使用的物理资源(如:CPU、Memory,IO 等等)的机制。最初由 Google 的工程师提出,后来被整合进 Linux 内核。Cgroups 也是 LXC 为实现虚拟化所使用的资源管理手段,可以说没有 CGroups 就没有 LXC。

最终,我们建立了一个大约这样的「沙箱环境

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如此这般处理起来是不是感觉很麻烦?但我们就有了一个更加安全一些的沙箱环境了,这些处理。笔者已经基于 TypeScript 编写,并封装为一个独立的模块 Safeify

相较于内建的 VM 及常见的几个沙箱模块, Safeify 具有如下特点:

  • 为将要执行的动态代码建立专门的进程池,与宿主应用程序分离在不同的进程中执行
  • 支持配置沙箱进程池的最大进程数量
  • 支持限定同步代码的最大执行时间,同时也支持限定包括异步代码在内的执行时间
  • 支持限定沙箱进程池的整体的 CPU 资源配额(小数)
  • 支持限定沙箱进程池的整体的最大的内存限制(单位 m)

GitHub: https://github.com/Houfeng/safeify ,欢迎 Star & Issues

最后,简单介绍一下 Safeify 如何使用,通过如下命令安装

npm i safeify --save

在应用中使用,还是比较简单的,如下代码(TypeScript 中类似)

import { Safeify } from './Safeify';

const safeVm = new Safeify({
  timeout: 50,          //超时时间,默认 50ms
  asyncTimeout: 500,    //包含异步操作的超时时间,默认 500ms
  quantity: 4,          //沙箱进程数量,默认同 CPU 核数
  memoryQuota: 500,     //沙箱最大能使用的内存(单位 m),默认 500m
  cpuQuota: 0.5,        //沙箱的 cpu 资源配额(百分比),默认 50%
});

const context = {
  a: 1, 
  b: 2,
  add(a, b) {
    return a + b;
  }
};

const rs = await safeVm.run(`return add(a,b)`, context);
console.log('result',rs);

关于安全的问题,没有最安全,只有更安全,Safeify 已在一个项目中使用,但自定义脚本的功能是仅针对内网用户,有不少动态执行代码的场景其实是可以避免的,绕不开或实在需要提供这个功能时,希望本文或 Safeify 能对大家有所帮助就行了。

– end –

3 回复

本来想用这东西做个虚拟主机,但太懒了,楼主有类似的开源库推荐么?

来自酷炫的 CNodeMD

生活美滋滋

先关注一波,周末细看

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