Node.js應(yīng)用設(shè)置安全的沙箱環(huán)境

上述代碼沒(méi)有問(wèn)題順利執(zhí)行了，eval 是全局對(duì)象的一個(gè)函數(shù)屬性，執(zhí)行的代碼擁有著和應(yīng)程中其它正常代碼一樣的的權(quán)限，它能訪問(wèn)「執(zhí)行上下文」中的局部變量，也能訪問(wèn)所有「全局變量」，在這個(gè)場(chǎng)景下，它是一個(gè)非常危險(xiǎn)的函數(shù)。

再來(lái)看看 Functon，通過(guò) Function 構(gòu)造器，我們可以動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)，然后執(zhí)行它

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

它也一樣的順利執(zhí)行了，使用 Function 構(gòu)造器生成的函數(shù)，并不會(huì)在創(chuàng)建它的上下文中創(chuàng)建閉包，一般在全局作用域中被創(chuàng)建。當(dāng)運(yùn)行函數(shù)的時(shí)候，只能訪問(wèn)自己的本地變量和全局變量，不能訪問(wèn) Function 構(gòu)造器被調(diào)用生成的上下文的作用域。如同一個(gè)站在地上、一個(gè)站在一張薄薄的紙上一樣，在這個(gè)場(chǎng)景下，幾乎沒(méi)有高下之分。

結(jié)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) {
 // 讓動(dòng)態(tài)執(zhí)行的代碼認(rèn)為屬性已存在
 return true; 
 }
 });
 return fn(proxy);
}
evalute('1+2') // 3
evalute('console.log(1)') // Cannot read property 'log' of undefined

我們知道無(wú)論 eval 還是 function，執(zhí)行時(shí)都會(huì)把作用域一層一層向上查找，如果找不到會(huì)一直到 global，那么利用 Proxy 的原理就是，讓執(zhí)行了代碼在 sandobx 中找的到，以達(dá)到「防逃逸」的目的。

在瀏覽器中，還可以利用 iframe，創(chuàng)建一個(gè)再發(fā)安全的一些隔離環(huán)境，本文也著眼于 Node.js，在這里不做過(guò)多討論。
在 Node.js 中呢，有沒(méi)有其它選擇？

或許沒(méi)看到這兒之前你就已經(jīng)想到了 VM，它是 Node.js 默認(rèn)就提供的一個(gè)內(nèi)建模塊，VM 模塊提供了一系列 API 用于在 V8 虛擬機(jī)環(huán)境中編譯和運(yùn)行代碼。JavaScript 代碼可以被編譯并立即運(yùn)行，或編譯、保存然后再運(yùn)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);

執(zhí)行上這的代碼就能拿到結(jié)果 3，同時(shí)，通過(guò) vm.Script 還能指定代碼執(zhí)行了「最大毫秒數(shù)」，超過(guò)指定的時(shí)長(zhǎng)將終止執(zhí)行并拋出一個(gè)異常

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

上面的腳本執(zhí)行將會(huì)失敗，被檢測(cè)到超時(shí)并拋出異常，然后被 Try Cache 捕獲到并打出 log，但同時(shí)需要注意的是 vm.Script 的 timeout 選項(xiàng)「只針對(duì)同步代有效」，而不包括是異步調(diào)用的時(shí)間，比如

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

上述代碼，并不是會(huì)在 50ms 后拋出異常，因?yàn)?50ms 上邊的代碼同步執(zhí)行肯定完了，而 setTimeout 所用的時(shí)間并不算在內(nèi)，也就是說(shuō) vm 模塊沒(méi)有辦法對(duì)異步代碼直接限制執(zhí)行時(shí)間。我們也不能額外通過(guò)一個(gè) timer 去檢查超時(shí)，因?yàn)闄z查了執(zhí)行中的 vm 也沒(méi)有方法去中止掉。

另外，在 Node.js 通過(guò) vm.runInContext 看起來(lái)似乎隔離了代碼執(zhí)行環(huán)境，但實(shí)際上卻很容易「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);

執(zhí)行上邊的代碼，宿主程序立即就會(huì)「退出」，sandbox 是在 VM 之外的環(huán)境創(chuàng)建的，需 VM 中的代碼的 this 指向的也是 sandbox，那么

//this.constructor 就是外所的 Object 構(gòu)建函數(shù)
const ObjConstructor = this.constructor; 
//ObjConstructor 的 constructor 就是外包的 Function
const Function = ObjConstructor.constructor;
//創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)，并執(zhí)行它，返回全局 process 全局對(duì)象
const process = (new Function('return process'))(); 
//退出當(dāng)前進(jìn)程
process.exit(); 

沒(méi)有人愿意用戶(hù)一段腳本就能讓?xiě)?yīng)用掛掉吧。除了退出進(jìn)程序之外，實(shí)際上還能干更多的事情。

有個(gè)簡(jiǎn)單的方法就能避免通過(guò) this.constructor 拿到 process，如下：

const vm = require('vm');
//創(chuàng)建一外無(wú) proto 的空白對(duì)象作為 sandbox
const sandbox = Object.create(null);
const script = new vm.Script('...');
const context = vm.createContext(sandbox);
script.runInContext(context);

但還是有風(fēng)險(xiǎn)的，由于 JavaScript 本身的動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，各種黑魔法防不勝防。事實(shí) Node.js 的官方文檔中也提到 VM 當(dāng)做一個(gè)安全的沙箱去執(zhí)行任意非信任的代碼。

有哪些做了進(jìn)一步工作的社區(qū)模塊？

在社區(qū)中有一些開(kāi)源的模塊用于運(yùn)行不信任代碼，例如 sandbox、vm2、jailed 等。相比較而言 vm2 對(duì)各方面做了更多的安全工作，相對(duì)安全些。

從 vm2 的官方 READM 中可以看到，它基于 Node.js 內(nèi)建的 VM 模塊，來(lái)建立基礎(chǔ)的沙箱環(huán)境，然后同時(shí)使用上了文介紹過(guò)的 ES6 的 Proxy 技術(shù)來(lái)防止沙箱腳本逃逸。

用同樣的測(cè)試代碼來(lái)試試 vm2

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

如上代碼，并沒(méi)有成功結(jié)束掉宿主程序，vm2 官方 REAME 中說(shuō)「vm2 是一個(gè)沙盒，可以在 Node.js 中按全的執(zhí)行不受信任的代碼」。

然而，事實(shí)上我們還是可以干一些「壞」事情，比如：

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

上邊的代碼將永遠(yuǎn)不會(huì)執(zhí)行結(jié)束，如同 Node.js 內(nèi)建模塊一樣 vm2 的 timeout 對(duì)異步操作是無(wú)效的。同時(shí)，vm2 也不能額外通過(guò)一個(gè) timer 去檢查超時(shí)，因?yàn)樗矝](méi)有辦法將執(zhí)行中的 vm 終止掉。這會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)耗費(fèi)完服務(wù)器的資源，讓你的應(yīng)用掛掉。

那么或許你會(huì)想，我們能不能在上邊的 sandbox 中放一個(gè)假的 Promise 從而禁掉 Promise 呢？答案是能提供一個(gè)「假」的 Promise，但卻沒(méi)有辦法完成禁掉 Promise，比如

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

可以看到通過(guò)一行 Promise = (async function(){})().constructor 就可以輕松再次拿到 Promise 了。從另一個(gè)層面來(lái)看，況且或許有時(shí)我們還想讓自定義腳本支持異步處理呢。

如何建立一個(gè)更安全一些的沙箱？

通過(guò)上文的探究，我們并沒(méi)有找到一個(gè)完美的方案在 Node.js 建立安全的隔離的沙箱。其中 vm2 做了不少處理，相對(duì)來(lái)講算是較安全的方案了，但問(wèn)題也很明顯，比如異步不能檢查超時(shí)的問(wèn)題、和宿主程序在相同進(jìn)程的問(wèn)題。

沒(méi)有進(jìn)程隔離時(shí)，通過(guò) VM 創(chuàng)建的 sanbox 大體是這樣的

那么，我們是不是可以嘗試，將非受信代碼，通過(guò) vm2 這個(gè)模塊隔離在一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程中執(zhí)行呢？然后，執(zhí)行超時(shí)時(shí)，直接將隔離的進(jìn)程干掉，但這里我們需要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題

通過(guò)進(jìn)程池統(tǒng)調(diào)度管理沙箱進(jìn)程

如果來(lái)一個(gè)執(zhí)行任務(wù)，創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，用完銷(xiāo)毀，僅處理進(jìn)程的開(kāi)銷(xiāo)就已經(jīng)稍大了，并且也不能不設(shè)限的開(kāi)新進(jìn)程和宿主應(yīng)用搶資源，那么，需要建一個(gè)進(jìn)程池，所有任務(wù)到來(lái)會(huì)創(chuàng)建一個(gè) Script 實(shí)例，先進(jìn)入一個(gè) pending 隊(duì)列，然后直接將 script 實(shí)例的 defer 對(duì)象返回，調(diào)用處就能 await 執(zhí)行結(jié)果了，然后由 sandbox master 根據(jù)工程進(jìn)程的空閑程序來(lái)調(diào)度執(zhí)行，master 會(huì)將 script 的執(zhí)行信息，包括重要的 ScriptId，發(fā)送給空閑的 worker，worker 執(zhí)行完成后會(huì)將「結(jié)果 + script 信息」回傳給 master，master 通過(guò) ScriptId 識(shí)別是哪個(gè)腳本執(zhí)行完畢了，就是結(jié)果進(jìn)行 resolve 或 reject 處理。

這樣，通過(guò)「進(jìn)程池」即能降低「進(jìn)程來(lái)回創(chuàng)建和銷(xiāo)毀的開(kāi)銷(xiāo)」，也能確保不過(guò)度搶占宿主資源，同時(shí)，在異步操作超時(shí)，還能將工程進(jìn)程直接殺掉，同時(shí)，master 將發(fā)現(xiàn)一個(gè)工程進(jìn)程掛掉，會(huì)立即創(chuàng)建替補(bǔ)進(jìn)程。

處理的數(shù)據(jù)和結(jié)果，還有公開(kāi)給沙箱的方法

進(jìn)程間如何通訊，需要「動(dòng)態(tài)代碼」處理數(shù)據(jù)可以直接序列化后通過(guò) IPC 發(fā)送給隔離 Sandbox 進(jìn)程，執(zhí)行結(jié)果一樣經(jīng)過(guò)序列化通過(guò) IPC 傳輸。

其中，如果想法公開(kāi)一個(gè)方法給 sandbox，因?yàn)椴辉谝粋€(gè)進(jìn)程，并不能方便的將一個(gè)方案的引用傳遞給 sandbox。我們可以將宿主的方法，在傳遞給 sandbox worker 之類(lèi)做一下處理，轉(zhuǎn)換為一個(gè)「描述對(duì)象」，包括了允許 sandbox 調(diào)用的方法信息，然后將信息，如同其它數(shù)據(jù)一樣發(fā)送給 worker 進(jìn)程，worker 收到數(shù)據(jù)后，識(shí)出來(lái)所「方法描述對(duì)象」，然后在 worker 進(jìn)程中的 sandbox 對(duì)象上建立代理方法，代理方法同樣通過(guò) IPC 和 master 通訊。

最終，我們建立了一個(gè)大約這樣的「沙箱環(huán)境」

如此這般處理起來(lái)是不是感覺(jué)很麻煩？但我們就有了一個(gè)更加安全一些的沙箱環(huán)境了，這些處理。筆者已經(jīng)基于 TypeScript 編寫(xiě)，并封裝為一個(gè)獨(dú)立的模塊 Safeify。

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

最后，簡(jiǎn)單介紹一下 Safeify 如何使用，通過(guò)如下命令安裝

npm i safeify --save

在應(yīng)用中使用，還是比較簡(jiǎn)單的，如下代碼（TypeScript 中類(lèi)似）

import { Safeify } from './Safeify';

const safeVm = new Safeify({
 timeout: 50, //超時(shí)時(shí)間，默認(rèn) 50ms
 asyncTimeout: 500, //包含異步操作的超時(shí)時(shí)間，默認(rèn) 500ms
 quantity: 4 //沙箱進(jìn)程數(shù)量，默認(rèn)同 CPU 核數(shù)
});

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);

關(guān)于安全的問(wèn)題，沒(méi)有最安全，只有更安全，Safeify 已在一個(gè)項(xiàng)目中使用，但自定義腳本的功能是僅針對(duì)內(nèi)網(wǎng)用戶(hù)，有不少動(dòng)態(tài)執(zhí)行代碼的場(chǎng)景其實(shí)是可以避免的，繞不開(kāi)或?qū)嵲谛枰峁┻@個(gè)功能時(shí)，希望本文或 Safeify 能對(duì)大家有所幫助就行了。

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