JS `Realms` / `Compartments` 在多租户应用中的沙箱实践

各位观众老爷，晚上好！今天给大家聊聊一个既高大上又接地气的玩意儿：JS Realms/Compartments 在多租户应用中的沙箱实践。保证各位听完，腰不酸了，腿不疼了，写代码更有劲儿了！

第一部分：啥是Realms/Compartments？别跟我整那些虚头巴脑的

咱们先来个类比：

• 操作系统: 想象一下，你的电脑就是一个大的 JavaScript 运行时环境。
• 用户账号: 每个用户账号就像一个“租户”，他们共享你的电脑，但彼此隔离。
• 虚拟机 (VM): 每个虚拟机就是一个 Realms/Compartments，它给每个租户提供了一个完全独立的环境。

简单来说，Realms/Compartments 就是 JavaScript 世界里的虚拟机。它们允许你创建多个相互隔离的全局作用域，每个作用域都有自己的 globalThis（以前叫 window），自己的内置对象（Array, Object, Date 等），以及自己的模块加载器。

为啥需要这玩意儿？

在多租户应用中，不同的租户可能会上传自己的 JavaScript 代码（比如自定义插件、规则引擎脚本等）。如果没有隔离，这些代码可能会互相干扰，甚至恶意破坏。比如：

• 变量污染: 租户 A 的代码修改了全局变量，影响了租户 B 的代码。
• 原型链污染: 租户 A 的代码修改了 Object.prototype，导致所有对象都受到了影响。
• 安全漏洞: 租户 A 的代码利用 XMLHttpRequest 发送恶意请求，窃取其他租户的数据。

有了 Realms/Compartments，就可以把每个租户的代码放到一个独立的沙箱里运行，避免这些问题。

第二部分：Realms vs. Compartments：傻傻分不清楚？

Realms 和 Compartments 都是用于创建隔离的 JavaScript 环境的，但它们之间有一些细微的区别。

特性	Realms	Compartments
标准化程度	已经标准化 (ECMAScript proposal)	提案中，但已经被广泛实现
模块加载器	没有内置的模块加载器，需要自己实现	通常会自带一个模块加载器，可以自定义模块解析策略
全局对象	有一个独立的 globalThis 对象	有一个独立的 globalThis 对象
对象共享	默认情况下，对象不能在 Realms 之间共享。如果需要共享，需要使用 transfer 操作（将对象复制到另一个 Realm）。	可以通过 Compartment 构造函数的 resolveHook 和 importHook 来控制模块的导入和对象共享
安全性	相对更安全，因为对象默认不能共享，需要显式地 transfer。	安全性取决于 resolveHook 和 importHook 的实现。如果实现不当，可能会导致安全漏洞。
使用场景	需要完全隔离的环境，并且对性能要求较高。	需要更灵活的模块加载和对象共享机制。
兼容性	浏览器支持有限，需要 polyfill。	浏览器支持有限，需要 polyfill。

总结：

• 如果你需要一个完全隔离、高性能的环境，并且对模块加载没有特殊要求，那么 Realms 是一个不错的选择。
• 如果你需要更灵活的模块加载和对象共享机制，那么 Compartments 更适合你。

第三部分：撸起袖子写代码！

接下来，咱们用代码来演示一下 Realms 和 Compartments 的用法。

3.1 Realms 示例

由于 Realms 的标准化程度较高，咱们先来看看 Realms 的使用方法。

// 引入 Realms polyfill (如果浏览器不支持)
import { Realm } from '@ungap/realm';

// 创建一个新的 Realm
const realm = new Realm();

// 在 Realm 中执行代码
const result = realm.evaluate(`
  globalThis.x = 10;
  globalThis.y = 20;
  globalThis.x + globalThis.y;
`);

console.log(result); // 输出 30

// 尝试访问主 Realm 的全局变量
try {
  console.log(x); // 报错：ReferenceError: x is not defined
} catch (error) {
  console.error(error);
}

// Realms 之间默认不能共享对象
const obj = { value: 1 };
const realm2 = new Realm();
realm2.evaluate(`
  globalThis.obj = ${JSON.stringify(obj)}; // 只能通过序列化/反序列化来传递数据
`);

console.log(realm2.globalThis.obj); // 输出 { value: 1 } (但这是一个新的对象)

// 使用 transfer 操作来共享对象（需要 Realms 实现支持，这里只是示例）
// realm.transfer(obj, realm2); // 这行代码可能需要根据具体的 Realms 实现进行调整

// console.log(realm2.globalThis.obj.value); // 输出 1 (如果 transfer 成功)

代码解释：

1. 我们首先引入了 Realms 的 polyfill。
2. 然后，我们创建了一个新的 Realm。
3. 通过 realm.evaluate() 方法，我们可以在 Realm 中执行 JavaScript 代码。注意，Realm 中的 globalThis 是一个独立的全局对象，与主 Realm 的 globalThis 互不影响。
4. 我们尝试访问主 Realm 的全局变量 x，结果报错，证明了 Realms 之间的隔离性。
5. 我们演示了 Realms 之间默认不能共享对象，只能通过序列化/反序列化来传递数据。
6. 我们还展示了如何使用 transfer 操作来共享对象（但需要 Realms 实现的支持）。

3.2 Compartments 示例

接下来，咱们来看看 Compartments 的使用方法。这里我们使用 ses 库（Secure ECMAScript），它提供了一个 Compartments 的实现。

// 引入 ses 库
import { Compartment, makeCompartmentConstructor } from 'ses';

// 创建一个 Compartment
const compartment = new Compartment(`
  globalThis.x = 10;
  globalThis.y = 20;
  globalThis.z = globalThis.x + globalThis.y;
`, {
  console: {
    log: console.log // 将主 Realm 的 console.log 暴露给 Compartment
  }
});

// 获取 Compartment 的全局对象
const global = compartment.globalThis;

console.log(global.z); // 输出 30

// 尝试访问主 Realm 的全局变量
try {
  console.log(x); // 报错：ReferenceError: x is not defined
} catch (error) {
  console.error(error);
}

// Compartment 可以通过 resolveHook 和 importHook 来控制模块的导入和对象共享
const compartment2 = new Compartment(`
  import { add } from 'math';
  globalThis.result = add(5, 3);
`, {
  math: {
    add: (a, b) => a + b // 将主 Realm 的 add 函数暴露给 Compartment
  }
});

console.log(compartment2.globalThis.result); // 输出 8

代码解释：

1. 我们首先引入了 ses 库。
2. 然后，我们创建了一个新的 Compartment。Compartment 的构造函数接受两个参数：
   • 第一个参数是 Compartment 中要执行的代码。
   • 第二个参数是一个可选的对象，用于指定 Compartment 的全局变量和模块导入。
3. 我们通过 compartment.globalThis 获取 Compartment 的全局对象。
4. 我们尝试访问主 Realm 的全局变量 x，结果报错，证明了 Compartments 之间的隔离性。
5. 我们演示了如何通过构造函数的第二个参数来控制模块的导入和对象共享。

第四部分：多租户应用中的沙箱实践

现在，咱们来看看如何在多租户应用中使用 Realms/Compartments 来实现沙箱。

4.1 基本架构

一个典型的多租户应用架构如下：

+---------------------+
|     Web Server      |
+---------------------+
         |
+---------------------+
|   API Gateway     |
+---------------------+
         |
+---------------------+
|  Tenant Manager   |  (负责管理租户信息和资源)
+---------------------+
         |
+---------------------+
|  Sandbox Manager  |  (负责创建和管理 Realms/Compartments)
+---------------------+
         |
+---------------------+
| Realms/Compartments |  (每个租户一个沙箱)
+---------------------+

4.2 关键步骤

1. 租户注册: 当一个新的租户注册时，Tenant Manager 会创建一个新的租户记录，并分配一个唯一的租户 ID。
2. 沙箱创建: Sandbox Manager 会为该租户创建一个新的 Realm/Compartment。
3. 代码上传: 租户可以上传自己的 JavaScript 代码。
4. 代码执行: 当需要执行租户的代码时，Sandbox Manager 会将代码加载到对应的 Realm/Compartment 中执行。
5. 资源限制: Sandbox Manager 可以对每个 Realm/Compartment 施加资源限制，比如 CPU 使用率、内存占用、网络访问等。
6. 安全策略: Sandbox Manager 可以配置安全策略，比如禁止访问某些 API、限制文件系统访问等。

4.3 代码示例 (简化版)

// Sandbox Manager (简化版)
class SandboxManager {
  constructor() {
    this.sandboxes = {};
  }

  createSandbox(tenantId) {
    // 创建一个新的 Compartment
    const compartment = new Compartment(`
      // 租户代码将在这里执行
    `, {
      // 限制可访问的全局变量
      console: {
        log: console.log // 允许访问 console.log
      },
      // 禁止访问文件系统
      fs: undefined,
      // 禁止访问网络
      fetch: undefined
    });

    this.sandboxes[tenantId] = compartment;
    return compartment;
  }

  executeCode(tenantId, code) {
    const compartment = this.sandboxes[tenantId];
    if (!compartment) {
      throw new Error(`Sandbox not found for tenant ${tenantId}`);
    }

    // 在 Compartment 中执行代码
    return compartment.evaluate(code);
  }
}

// 使用示例
const sandboxManager = new SandboxManager();

// 创建租户 A 的沙箱
const tenantAId = 'tenantA';
const sandboxA = sandboxManager.createSandbox(tenantAId);

// 执行租户 A 的代码
const resultA = sandboxManager.executeCode(tenantAId, `
  globalThis.x = 10;
  globalThis.y = 20;
  globalThis.x + globalThis.y;
`);

console.log(`Result for tenant A: ${resultA}`); // 输出 30

// 创建租户 B 的沙箱
const tenantBId = 'tenantB';
const sandboxB = sandboxManager.createSandbox(tenantBId);

// 执行租户 B 的代码
const resultB = sandboxManager.executeCode(tenantBId, `
  globalThis.x = 5;
  globalThis.y = 7;
  globalThis.x * globalThis.y;
`);

console.log(`Result for tenant B: ${resultB}`); // 输出 35

// 尝试在租户 A 的代码中访问文件系统 (应该报错)
try {
  sandboxManager.executeCode(tenantAId, `
    fs.readFileSync('file.txt'); // 尝试读取文件
  `);
} catch (error) {
  console.error(`Error for tenant A: ${error}`); // 输出错误信息，提示 fs 未定义
}

代码解释：

1. 我们创建了一个 SandboxManager 类，用于管理租户的沙箱。
2. createSandbox() 方法用于为租户创建一个新的 Compartment，并限制可访问的全局变量和 API。
3. executeCode() 方法用于在对应的 Compartment 中执行租户的代码。
4. 我们演示了如何为不同的租户创建独立的沙箱，并执行他们的代码。
5. 我们还演示了如何限制租户的代码访问文件系统，从而提高安全性。

第五部分：安全注意事项

使用 Realms/Compartments 可以提高多租户应用的安全性，但仍然需要注意一些安全问题：

• 供应链攻击: 确保你使用的 Realms/Compartments 库是可信的，并且定期更新。
• 拒绝服务攻击 (DoS): 对每个 Realm/Compartment 施加资源限制，防止恶意代码占用过多的资源。
• 时间炸弹: 限制代码的执行时间，防止恶意代码长时间运行。
• 原型链污染: 虽然 Realms/Compartments 可以隔离全局作用域，但仍然需要小心原型链污染。可以使用 Object.freeze() 等方法来保护原型对象。
• 代码注入: 确保你对租户上传的代码进行严格的校验，防止恶意代码注入。
• 模块加载器安全: 如果使用 Compartments，需要仔细设计 resolveHook 和 importHook，防止恶意模块被加载。

第六部分：总结与展望

今天我们一起学习了 Realms/Compartments 在多租户应用中的沙箱实践。希望大家能够掌握这些技术，为自己的应用保驾护航。

总的来说，Realms/Compartments 是一个强大的工具，可以帮助你构建更安全、更可靠的多租户应用。但是，它们并不是万能的，仍然需要结合其他的安全措施，才能真正保护你的应用免受攻击。

未来，随着 JavaScript 技术的不断发展，Realms/Compartments 的标准化程度将会越来越高，浏览器支持也会越来越好。相信它们会在更多的场景中发挥作用。

好了，今天的讲座就到这里。谢谢大家！