为 Node.js 应用建立一个更安全的沙箱环境

[houfeng]

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.Script 的 timeout 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 sandbox、vm2、jailed 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。

从 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

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

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。

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