為 Node.js 應用建立一個更安全的沙箱環境

來自專欄 我是程序員

有哪些動態執行腳本的場景？

在一些應用中，我們希望給用戶提供插入自定義邏輯的能力，比如 Microsoft 的 Office 中的 VBA，比如一些遊戲中的 lua 腳本，FireFox 的「油猴腳本」，能夠讓用戶發在可控的範圍和許可權內發揮想像做一些好玩、有用的事情，擴展了能力，滿足用戶的個性化需求。

大多數都是一些客戶端程序，在一些在線的系統和產品中也常常也有類似的需求，事實上，在線的應用中也有不少提供了自定義腳本的能力，比如 Google Docs 中的 Apps Script，它可以讓你使用JavaScript 做一些非常有用的事情，比如運行代碼來響應文檔打開事件或單元格更改事件，為公式製作自定義電子表格函數等等。

與運行在「用戶電腦中」的客戶端應用不同，用戶的自定義腳本通常只能影響用戶自已，而對於在線的應用或服務來講，有一些情況就變得更為重要，比如「安全」，用戶的「自定義腳本」必須嚴格受到限制和隔離，即不能影響到宿主程序，也不能影響到其它用戶。

而 Safeify 就是一個針對 Nodejs 應用，用於安全執行用戶自定義的非信任腳本的模塊。

怎樣安全的執行動態腳本？

我們先看看通常都能如何在 JavaScript 程序中動態執行一段代碼？比如大名頂頂的 eval

eval(1+2)

上述代碼沒有問題順利執行了，eval 是全局對象的一個函數屬性，執行的代碼擁有著和應程中其它正常代碼一樣的的許可權，它能訪問「執行上下文」中的局部變數，也能訪問所有「全局變數」，在這個場景下，它是一個非常危險的函數。

再來看看 Functon，通過 Function 構造器，我們可以動態的創建一個函數，然後執行它

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

它也一樣的順利執行了，使用 Function 構造器生成的函數，並不會在創建它的上下文中創建閉包，一般在全局作用域中被創建。當運行函數的時候，只能訪問自己的本地變數和全局變數，不能訪問 Function 構造器被調用生成的上下文的作用域。如同一個站在地上、一個站在一張薄薄的紙上一樣，在這個場景下，幾乎沒有高下之分。

結合 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) { // 讓動態執行的代碼認為屬性已存在 return true; } }); return fn(proxy);}evalute(1+2) // 3evalute(console.log(1)) // Cannot read property log of undefined

我們知道無論 eval 還是 function，執行時都會把作用域一層一層向上查找，如果找不到會一直到 global，那麼利用 Proxy 的原理就是，讓執行了代碼在 sandobx 中找的到，以達到「防逃逸」的目的。

在瀏覽器中，還可以利用 iframe，創建一個再發安全的一些隔離環境，本文也著眼於 Node.js，在這裡不做過多討論。

在 Node.js 中呢，有沒有其它選擇？

或許沒看到這兒之前你就已經想到了 VM，它是 Node.js 默認就提供的一個內建模塊，VM 模塊提供了一系列 API 用於在 V8 虛擬機環境中編譯和運行代碼。JavaScript 代碼可以被編譯並立即運行，或編譯、保存然後再運行。

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);

執行上這的代碼就能拿到結果 3，同時，通過 vm.Script 還能指定代碼執行了「最大毫秒數」，超過指定的時長將終止執行並拋出一個異常

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

上面的腳本執行將會失敗，被檢測到超時並拋出異常，然後被 Try Cache 捕獲到並打出 log，但同時需要注意的是 vm.Script 的 timeout 選項「只針對同步代有效」，而不包括是非同步調用的時間，比如

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

上述代碼，並不是會在 50ms 後拋出異常，因為 50ms 上邊的代碼同步執行肯定完了，而 setTimeout 所用的時間並不算在內，也就是說 vm 模塊沒有辦法對非同步代碼直接限制執行時間。我們也不能額外通過一個 timer 去檢查超時，因為檢查了執行中的 vm 也沒有方法去中止掉。

另外，在 Node.js 通過 vm.runInContext 看起來似乎隔離了代碼執行環境，但實際上卻很容易「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);

執行上邊的代碼，宿主程序立即就會「退出」，sandbox 是在 VM 之外的環境創建的，需 VM 中的代碼的 this 指向的也是 sandbox，那麼

//this.constructor 就是外所的 Object 構建函數const ObjConstructor = this.constructor; //ObjConstructor 的 constructor 就是外包的 Functionconst Function = ObjConstructor.constructor;//創建一個函數，並執行它，返回全局 process 全局對象const process = (new Function(return process))(); //退出當前進程process.exit();

沒有人願意用戶一段腳本就能讓應用掛掉吧。除了退出進程序之外，實際上還能幹更多的事情。

有個簡單的方法就能避免通過 this.constructor 拿到 process，如下：

const vm = require(vm);//創建一外無 proto 的空白對象作為 sandboxconst sandbox = Object.create(null);const script = new vm.Script(...);const context = vm.createContext(sandbox);script.runInContext(context);

但還是有風險的，由於 JavaScript 本身的動態的特點，各種黑魔法防不勝防。事實 Node.js 的官方文檔中也提到 VM 當做一個安全的沙箱去執行任意非信任的代碼。

有哪些做了進一步工作的社區模塊？

在社區中有一些開源的模塊用於運行不信任代碼，例如 sandbox、vm2、jailed 等。相比較而言vm2 對各方面做了更多的安全工作，相對安全些。

從 vm2 的官方 READM 中可以看到，它基於 Node.js 內建的 VM 模塊，來建立基礎的沙箱環境，然後同時使用上了文介紹過的 ES6 的 Proxy 技術來防止沙箱腳本逃逸。

用同樣的測試代碼來試試 vm2

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

如上代碼，並沒有成功結束掉宿主程序，vm2 官方 REAME 中說「vm2 是一個沙盒，可以在 Node.js 中按全的執行不受信任的代碼」。

然而，事實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(()=>{}));

上邊的代碼將永遠不會執行結束，如同 Node.js 內建模塊一樣 vm2 的 timeout 對非同步操作是無效的。同時，vm2 也不能額外通過一個 timer 去檢查超時，因為它也沒有辦法將執行中的 vm 終止掉。這會一點點耗費完伺服器的資源，讓你的應用掛掉。

那麼或許你會想，我們能不能在上邊的 sandbox 中放一個假的 Promise 從而禁掉 Promise 呢？答案是能提供一個「假」的 Promise，但卻沒有辦法完成禁掉 Promise，比如

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

可以看到通過一行 Promise = (async function(){})().constructor 就可以輕鬆再次拿到 Promise 了。從另一個層面來看，況且或許有時我們還想讓自定義腳本支持非同步處理呢。

如何建立一個更安全一些的沙箱？

通過上文的探究，我們並沒有找到一個完美的方案在 Node.js 建立安全的隔離的沙箱。其中 vm2 做了不少處理，相對來講算是較安全的方案了，但問題也很明顯，比如非同步不能檢查超時的問題、和宿主程序在相同進程的問題。

沒有進程隔離時，通過 VM 創建的 sanbox 大體是這樣的

那麼，我們是不是可以嘗試，將非受信代碼，通過 vm2 這個模塊隔離在一個獨立的進程中執行呢？然後，執行超時時，直接將隔離的進程幹掉，但這裡我們需要考慮如下幾個問題

通過進程池統調度管理沙箱進程

如果來一個執行任務，創建一個進程，用完銷毀，僅處理進程的開銷就已經稍大了，並且也不能不設限的開新進程和宿主應用搶資源，那麼，需要建一個進程池，所有任務到來會創建一個 Script實例，先進入一個 pending 隊列，然後直接將 script 實例的 defer 對象返回，調用處就能 await 執行結果了，然後由 sandbox master 根據工程進程的空閑程序來調度執行，master 會將 script 的執行信息，包括重要的 ScriptId，發送給空閑的 worker，worker 執行完成後會將「結果 + script 信息」回傳給 master，master 通過 ScriptId 識別是哪個腳本執行完畢了，就是結果進行 resolve 或 reject 處理。

這樣，通過「進程池」即能降低「進程來回創建和銷毀的開銷」，也能確保不過度搶佔宿主資源，同時，在非同步操作超時，還能將工程進程直接殺掉，同時，master 將發現一個工程進程掛掉，會立即創建替補進程。

處理的數據和結果，還有公開給沙箱的方法

進程間如何通訊，需要「動態代碼」處理數據可以直接序列化後通過 IPC 發送給隔離 Sandbox 進程，執行結果一樣經過序列化通過 IPC 傳輸。

其中，如果想法公開一個方法給 sandbox，因為不在一個進程，並不能方便的將一個方案的引用傳遞給 sandbox。我們可以將宿主的方法，在傳遞給 sandbox worker 之類做一下處理，轉換為一個「描述對象」，包括了允許 sandbox 調用的方法信息，然後將信息，如同其它數據一樣發送給 worker 進程，worker 收到數據後，識出來所「方法描述對象」，然後在 worker 進程中的 sandbox 對象上建立代理方法，代理方法同樣通過 IPC 和 master 通訊。

最終，我們建立了一個大約這樣的「沙箱環境」

如此這般處理起來是不是感覺很麻煩？但我們就有了一個更加安全一些的沙箱環境了，這些處理。筆者已經基於 TypeScript 編寫，並封裝為一個獨立的模塊 Safeify。

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

最後，簡單介紹一下 Safeify 如何使用，通過如下命令安裝

npm i safeify --save

在應用中使用，還是比較簡單的，如下代碼（TypeScript 中類似）

import { Safeify } from ./Safeify;const safeVm = new Safeify({ timeout: 50, //超時時間，默認 50ms asyncTimeout: 500, //包含非同步操作的超時時間，默認 500ms quantity: 4 //沙箱進程數量，默認同 CPU 核數});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);

關於安全的問題，沒有最安全，只有更安全，Safeify 已在一個項目中使用，但自定義腳本的功能是僅針對內網用戶，有不少動態執行代碼的場景其實是可以避免的，繞不開或實在需要提供這個功能時，希望本文或 Safeify 能對大家有所幫助就行了。

本文作者：houfeng

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