如何使用Node.js設定沙箱環境

這次帶給大家如何使用Node.js設定沙箱環境，使用Node.js設定沙箱環境的注意事項有哪些，下面就是實戰案例，一起來看一下。

有哪些動態執行腳本的場景？

在某些應用程式中，我們希望提供使用者插入自訂邏輯的能力，例如Microsoft 的Office 中的VBA，例如一些遊戲中的lua 腳本，FireFox 的「油猴腳本」，能夠讓使用者發在可控的範圍和權限內發揮想像做一些好玩、有用的事情，擴展了能力，滿足用戶的個人化需求。

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，比如穀歌Docs 中的Apps Script，它可以讓你使用JavaScript 做一些非常有用的事情，例如執行程式碼來回應文件開啟事件或儲存格變更事件，為公式製作自訂電子表格函數等等。

與執行在「使用者電腦中」的客戶端應用程式不同，使用者的自訂腳本通常只能影響使用者自已，而對於線上的應用程式或服務來講，有一些情況就變得更為重要，例如“安全”，使用者的“自訂腳本”必須嚴格受到限制和隔離，即不能影響到宿主程序，也不能影響到其它使用者。

而 Safeify 就是一個針對 Nodejs 應用，用於安全執行使用者自訂的非信任腳本的模組。

怎麼安全的執行動態腳本？

我們先來看看通常都能如何在 JavaScript 程式中動態執行一段程式碼？例如大名頂頂的eval

eval('1 2')

上述程式碼沒有問題順利執行了，eval 是全域物件的一個函數屬性，執行的程式碼擁有著和應程中其它正常程式碼一樣的權限，它能存取「執行上下文」中的局部變量，也能存取所有「全域變數」，在這個場景下，它是一個非常危險的函數。

再來看看Functon，透過Function 建構器，我們可以動態的建立一個函數，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 建構器產生的函數，並不會在創建它的上下文中創建閉包，一般在全域作用域中被創建。當運行函數的時候，只能存取自己的本地變數和全域變量，不能存取 Function 構造器被呼叫產生的上下文的作用域。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) {
  // 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，讓執行了程式碼在sandobx 中找的到，以達到「防逃逸」的目的。

在瀏覽器中，也可以利用 iframe，創造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？

或許沒看到這裡之前你就已經想到了VM，它是Node.js 預設就提供的一個內建模區塊，VM 模組提供了一系列API 用於在V8 虛擬機環境中編譯和運行程式碼。 JavaScript 程式碼可以被編譯並立即執行，或編譯、儲存然後再運行。

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);

執行上這的程式碼就能拿到結果3，同時，透過vm.Script 還能指定程式碼執行了「最大毫秒數」，超過指定的時長將終止執行並拋出一個例外

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

上面的腳本執行將會失敗，被偵測到逾時並拋出異常，然後被Try Cache 捕獲並打出log，但同時需要注意的是vm.Script 的timeout選項「只針對同步代有效」，而不包括是異步調用的時間，例如

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 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 READM 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。

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。

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
});
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);

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