Cross-Origin-Isolation: Absicherung des JavaScript SharedArrayBuffer

In der sich ständig weiterentwickelnden Landschaft der Webentwicklung bleibt die Sicherheit ein vorrangiges Anliegen. Die Einführung leistungsstarker Funktionen wie SharedArrayBuffer in JavaScript brachte erhebliche Leistungsverbesserungen, eröffnete aber auch neue Wege für potenzielle Sicherheitslücken. Um diese Risiken zu mindern, wurde das Konzept der Cross-Origin-Isolation (COOP/COEP) eingeführt. Dieser Artikel befasst sich mit den Feinheiten der Cross-Origin-Isolation, ihrer Beziehung zu SharedArrayBuffer, den Sicherheitsimplikationen und wie man sie effektiv in Webanwendungen implementiert.

Grundlegendes zu SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer ist ein JavaScript-Objekt, das es mehreren Agenten (z. B. Web Workern oder verschiedenen Browser-Kontexten) ermöglicht, auf denselben Speicher zuzugreifen und ihn zu verändern. Dies ermöglicht einen effizienten Datenaustausch und eine parallele Verarbeitung, was besonders nützlich für rechenintensive Aufgaben wie Bildverarbeitung, Video-Kodierung/-Dekodierung und Spieleentwicklung ist.

Stellen Sie sich zum Beispiel eine Videobearbeitungsanwendung vor, die im Browser läuft. Mit SharedArrayBuffer können der Haupt-Thread und mehrere Web Worker gleichzeitig an verschiedenen Frames des Videos arbeiten, was die Verarbeitungszeit erheblich reduziert.

Die Möglichkeit, Speicher über verschiedene Ursprünge (Domains) hinweg zu teilen, birgt jedoch potenzielle Sicherheitsrisiken. Das Hauptanliegen ist die Ausnutzung von Timing-Angriffen, wie zum Beispiel Spectre.

Die Spectre-Sicherheitslücke und ihre Auswirkungen

Spectre ist eine Klasse von spekulativen Ausführungsschwachstellen, die moderne Prozessoren betreffen. Diese Schwachstellen ermöglichen es bösartigem Code, potenziell auf Daten zuzugreifen, auf die er keinen Zugriff haben sollte, einschließlich sensibler Informationen, die im Cache des Prozessors gespeichert sind.

Im Kontext von Webbrowsern kann Spectre von bösartigem JavaScript-Code ausgenutzt werden, um Daten von anderen Websites oder sogar vom Browser selbst zu leaken. Der SharedArrayBuffer kann, wenn er nicht richtig isoliert ist, dazu verwendet werden, das Timing von Operationen präzise zu messen, was es einfacher macht, Spectre-ähnliche Schwachstellen auszunutzen. Durch sorgfältig gestalteten JavaScript-Code, der mit SharedArrayBuffer interagiert und die Zeitunterschiede beobachtet, könnte ein Angreifer potenziell den Inhalt des Prozessor-Caches ableiten und sensible Informationen extrahieren.

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem ein Benutzer eine bösartige Website besucht, die JavaScript-Code ausführt, der darauf ausgelegt ist, Spectre auszunutzen. Ohne Cross-Origin-Isolation könnte dieser Code potenziell Daten von anderen Websites lesen, die der Benutzer in derselben Browsersitzung besucht hat, wie zum Beispiel Bankdaten oder persönliche Informationen.

Cross-Origin-Isolation (COOP/COEP) als Rettung

Cross-Origin-Isolation ist eine Sicherheitsfunktion, die die mit SharedArrayBuffer und Spectre-ähnlichen Schwachstellen verbundenen Risiken mindert. Sie schafft im Wesentlichen eine strengere Sicherheitsgrenze zwischen verschiedenen Websites und Browser-Kontexten und verhindert, dass bösartiger Code auf sensible Daten zugreifen kann.

Cross-Origin-Isolation wird durch das Setzen von zwei HTTP-Response-Headern erreicht:

• Cross-Origin-Opener-Policy (COOP): Dieser Header steuert, welche anderen Dokumente das aktuelle Dokument als Popup öffnen können. Wenn er auf same-origin oder same-origin-allow-popups gesetzt wird, isoliert er den aktuellen Ursprung von anderen Ursprüngen.
• Cross-Origin-Embedder-Policy (COEP): Dieser Header verhindert, dass ein Dokument Cross-Origin-Ressourcen lädt, die dem Dokument nicht explizit die Erlaubnis zum Laden erteilen. Die Einstellung auf require-corp erzwingt, dass alle Cross-Origin-Ressourcen mit aktiviertem CORS (Cross-Origin Resource Sharing) abgerufen werden müssen und das crossorigin-Attribut auf den HTML-Tags verwendet werden muss, die diese Ressourcen einbetten.

Durch das Setzen dieser Header isolieren Sie Ihre Website effektiv von anderen Websites, was es Angreifern erheblich erschwert, Spectre-ähnliche Schwachstellen auszunutzen.

Wie die Cross-Origin-Isolation funktioniert

Lassen Sie uns aufschlüsseln, wie COOP und COEP zusammenarbeiten, um die Cross-Origin-Isolation zu erreichen:

Cross-Origin-Opener-Policy (COOP)

Der COOP-Header steuert, wie das aktuelle Dokument mit anderen Dokumenten interagiert, die es als Popups öffnet oder die es als Popup öffnen. Er hat drei mögliche Werte:

• unsafe-none: Dies ist der Standardwert und erlaubt, dass das Dokument von jedem anderen Dokument geöffnet werden kann. Dies deaktiviert im Wesentlichen den COOP-Schutz.
• same-origin: Dieser Wert isoliert das aktuelle Dokument, sodass es nur von Dokumenten desselben Ursprungs geöffnet werden kann. Wenn ein Dokument von einem anderen Ursprung versucht, das aktuelle Dokument zu öffnen, wird es blockiert.
• same-origin-allow-popups: Dieser Wert erlaubt Dokumenten desselben Ursprungs, das aktuelle Dokument als Popup zu öffnen, verhindert aber, dass Dokumente von verschiedenen Ursprüngen dies tun. Dies ist nützlich für Szenarien, in denen Sie Popups vom selben Ursprung öffnen müssen.

Indem Sie COOP auf same-origin oder same-origin-allow-popups setzen, verhindern Sie, dass Dokumente von verschiedenen Ursprüngen auf das window-Objekt Ihrer Website zugreifen können, was die Angriffsfläche reduziert.

Wenn Ihre Website zum Beispiel COOP auf same-origin setzt und eine bösartige Website versucht, Ihre Website in einem Popup zu öffnen, kann die bösartige Website nicht auf das window-Objekt Ihrer Website oder dessen Eigenschaften zugreifen. Dies verhindert, dass die bösartige Website den Inhalt Ihrer Website manipuliert oder sensible Informationen stiehlt.

Cross-Origin-Embedder-Policy (COEP)

Der COEP-Header steuert, welche Cross-Origin-Ressourcen vom aktuellen Dokument geladen werden können. Er hat drei Hauptwerte:

• unsafe-none: Dies ist der Standardwert und erlaubt dem Dokument, jede Cross-Origin-Ressource zu laden. Dies deaktiviert im Wesentlichen den COEP-Schutz.
• require-corp: Dieser Wert erfordert, dass alle Cross-Origin-Ressourcen mit aktiviertem CORS abgerufen werden müssen und das crossorigin-Attribut auf den HTML-Tags verwendet werden muss, die diese Ressourcen einbetten. Das bedeutet, dass der Server, der die Cross-Origin-Ressource hostet, Ihrer Website explizit erlauben muss, die Ressource zu laden.
• credentialless: Ähnlich wie `require-corp`, aber ohne das Senden von Anmeldeinformationen (Cookies, Autorisierungs-Header) in der Anfrage. Dies ist nützlich zum Laden öffentlicher Ressourcen, ohne benutzerspezifische Informationen preiszugeben.

Der Wert require-corp ist die sicherste Option und wird für die meisten Anwendungsfälle empfohlen. Er stellt sicher, dass alle Cross-Origin-Ressourcen explizit zum Laden durch Ihre Website autorisiert sind.

Wenn Sie require-corp verwenden, müssen Sie sicherstellen, dass alle Cross-Origin-Ressourcen, die Ihre Website lädt, mit den entsprechenden CORS-Headern ausgeliefert werden. Das bedeutet, dass der Server, der die Ressource hostet, den Access-Control-Allow-Origin-Header in seiner Antwort enthalten muss, der entweder den Ursprung Ihrer Website oder * (was jedem Ursprung erlaubt, die Ressource zu laden, aber aus Sicherheitsgründen im Allgemeinen nicht empfohlen wird) angibt.

Wenn Ihre Website beispielsweise ein Bild von einem CDN lädt, muss der CDN-Server den Access-Control-Allow-Origin-Header in seiner Antwort enthalten und den Ursprung Ihrer Website angeben. Wenn der CDN-Server diesen Header nicht enthält, wird das Bild nicht geladen und Ihre Website zeigt einen Fehler an.

Das crossorigin-Attribut wird auf HTML-Tags wie <img>, <script> und <link> verwendet, um anzuzeigen, dass die Ressource mit aktiviertem CORS abgerufen werden soll. Zum Beispiel:

<img src="https://example.com/image.jpg" crossorigin="anonymous">
<script src="https://example.com/script.js" crossorigin="anonymous">

Der Wert anonymous gibt an, dass die Anfrage ohne das Senden von Anmeldeinformationen (z. B. Cookies) erfolgen soll. Wenn Sie Anmeldeinformationen senden müssen, können Sie den Wert use-credentials verwenden, müssen aber auch sicherstellen, dass der Server, der die Ressource hostet, das Senden von Anmeldeinformationen erlaubt, indem er den Access-Control-Allow-Credentials: true-Header in seiner Antwort enthält.

Implementierung der Cross-Origin-Isolation

Die Implementierung der Cross-Origin-Isolation beinhaltet das Setzen der COOP- und COEP-Header in den Antworten Ihres Servers. Die spezifische Methode zum Setzen dieser Header hängt von Ihrer Servertechnologie ab.

Beispielimplementierungen

Hier sind einige Beispiele, wie Sie die COOP- und COEP-Header in verschiedenen Serverumgebungen setzen können:

Apache

Fügen Sie die folgenden Zeilen zu Ihrer .htaccess-Datei hinzu:

Header set Cross-Origin-Opener-Policy "same-origin"
Header set Cross-Origin-Embedder-Policy "require-corp"

Nginx

Fügen Sie die folgenden Zeilen zu Ihrer Nginx-Konfigurationsdatei hinzu:

add_header Cross-Origin-Opener-Policy "same-origin";
add_header Cross-Origin-Embedder-Policy "require-corp";

Node.js (Express)

app.use((req, res, next) => {
  res.setHeader("Cross-Origin-Opener-Policy", "same-origin");
  res.setHeader("Cross-Origin-Embedder-Policy", "require-corp");
  next();
});

Python (Flask)

@app.after_request
def add_security_headers(response):
    response.headers['Cross-Origin-Opener-Policy'] = 'same-origin'
    response.headers['Cross-Origin-Embedder-Policy'] = 'require-corp'
    return response

PHP

header('Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin');
header('Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp');

Denken Sie daran, diese Beispiele an Ihre spezifische Serverumgebung und Konfiguration anzupassen.

Überprüfung der Cross-Origin-Isolation

Nach der Implementierung der Cross-Origin-Isolation ist es entscheidend zu überprüfen, ob sie korrekt funktioniert. Sie können dies tun, indem Sie die COOP- und COEP-Header in den Entwicklertools Ihres Browsers überprüfen. Öffnen Sie den Netzwerk-Tab und inspizieren Sie die Response-Header für das Hauptdokument Ihrer Website. Sie sollten die Header Cross-Origin-Opener-Policy und Cross-Origin-Embedder-Policy mit den von Ihnen konfigurierten Werten sehen.

Sie können auch die Eigenschaft crossOriginIsolated in JavaScript verwenden, um zu prüfen, ob Ihre Website Cross-Origin-isoliert ist:

if (crossOriginIsolated) {
  console.log("Cross-Origin-Isolation ist aktiviert.");
} else {
  console.warn("Cross-Origin-Isolation ist NICHT aktiviert.");
}

Wenn crossOriginIsolated den Wert true hat, bedeutet dies, dass die Cross-Origin-Isolation aktiviert ist und Sie SharedArrayBuffer sicher verwenden können.

Fehlerbehebung bei häufigen Problemen

Die Implementierung der Cross-Origin-Isolation kann manchmal eine Herausforderung sein, besonders wenn Ihre Website viele Cross-Origin-Ressourcen lädt. Hier sind einige häufige Probleme und wie man sie behebt:

• Ressourcen können nicht geladen werden: Wenn Sie COEP: require-corp verwenden, stellen Sie sicher, dass alle Cross-Origin-Ressourcen mit den korrekten CORS-Headern (Access-Control-Allow-Origin) ausgeliefert werden und dass Sie das crossorigin-Attribut auf den HTML-Tags verwenden, die diese Ressourcen einbetten.
• Mixed-Content-Fehler: Stellen Sie sicher, dass alle Ressourcen über HTTPS geladen werden. Das Mischen von HTTP- und HTTPS-Ressourcen kann Sicherheitswarnungen verursachen und das Laden von Ressourcen verhindern.
• Kompatibilitätsprobleme: Ältere Browser unterstützen möglicherweise COOP und COEP nicht. Erwägen Sie die Verwendung einer Feature-Detection-Bibliothek oder eines Polyfills, um ein Fallback-Verhalten für ältere Browser bereitzustellen. Die vollen Sicherheitsvorteile werden jedoch nur in unterstützenden Browsern realisiert.
• Auswirkungen auf Skripte von Drittanbietern: Einige Skripte von Drittanbietern sind möglicherweise nicht mit der Cross-Origin-Isolation kompatibel. Testen Sie Ihre Website nach der Implementierung der Cross-Origin-Isolation gründlich, um sicherzustellen, dass alle Skripte von Drittanbietern korrekt funktionieren. Sie müssen möglicherweise die Anbieter der Drittanbieter-Skripte kontaktieren, um Unterstützung für CORS und COEP anzufordern.

Alternativen zu SharedArrayBuffer

Obwohl SharedArrayBuffer erhebliche Leistungsvorteile bietet, ist es nicht immer die richtige Lösung, insbesondere wenn Sie Bedenken hinsichtlich der Komplexität der Implementierung der Cross-Origin-Isolation haben. Hier sind einige Alternativen, die Sie in Betracht ziehen können:

• Nachrichtenübermittlung (Message Passing): Verwenden Sie die postMessage-API, um Daten zwischen verschiedenen Browser-Kontexten zu senden. Dies ist eine sicherere Alternative zu SharedArrayBuffer, da kein direkter Speicher geteilt wird. Allerdings kann es bei großen Datenübertragungen weniger effizient sein.
• WebAssembly: WebAssembly (Wasm) ist ein binäres Instruktionsformat, das in Webbrowsern ausgeführt werden kann. Es bietet eine nahezu native Leistung und kann zur Durchführung rechenintensiver Aufgaben verwendet werden, ohne auf SharedArrayBuffer angewiesen zu sein. Wasm kann auch eine sicherere Ausführungsumgebung als JavaScript bieten.
• Service Workers: Service Workers können verwendet werden, um Hintergrundaufgaben auszuführen und Daten zwischenzuspeichern. Sie können auch verwendet werden, um Netzwerkanfragen abzufangen und Antworten zu ändern. Obwohl sie SharedArrayBuffer nicht direkt ersetzen, können sie verwendet werden, um die Leistung Ihrer Website zu verbessern, ohne auf gemeinsamen Speicher angewiesen zu sein.

Vorteile der Cross-Origin-Isolation

Neben der Ermöglichung der sicheren Verwendung von SharedArrayBuffer bietet die Cross-Origin-Isolation mehrere weitere Vorteile:

• Erhöhte Sicherheit: Sie mindert die Risiken, die mit Spectre-ähnlichen Schwachstellen und anderen Timing-Angriffen verbunden sind.
• Verbesserte Leistung: Sie ermöglicht die Verwendung von SharedArrayBuffer, um die Leistung rechenintensiver Aufgaben zu verbessern.
• Mehr Kontrolle über die Sicherheitslage Ihrer Website: Sie gibt Ihnen mehr Kontrolle darüber, welche Cross-Origin-Ressourcen von Ihrer Website geladen werden können.
• Zukunftssicherheit: Da sich die Websicherheit ständig weiterentwickelt, bietet die Cross-Origin-Isolation eine solide Grundlage für zukünftige Sicherheitsverbesserungen.

Fazit

Cross-Origin-Isolation (COOP/COEP) ist eine entscheidende Sicherheitsfunktion für die moderne Webentwicklung, insbesondere bei der Verwendung von SharedArrayBuffer. Durch die Implementierung der Cross-Origin-Isolation können Sie die mit Spectre-ähnlichen Schwachstellen und anderen Timing-Angriffen verbundenen Risiken mindern und gleichzeitig die Leistungsvorteile von SharedArrayBuffer nutzen. Obwohl die Implementierung eine sorgfältige Abwägung des Ladens von Cross-Origin-Ressourcen und potenzieller Kompatibilitätsprobleme erfordern kann, sind die Sicherheitsvorteile und Leistungssteigerungen die Mühe wert. Mit der Weiterentwicklung des Webs wird die Übernahme von Best Practices für die Sicherheit wie die Cross-Origin-Isolation immer wichtiger, um Benutzerdaten zu schützen und ein sicheres Online-Erlebnis zu gewährleisten.

Weiterführende Lektüre

• Eine Anleitung zur Aktivierung der Cross-Origin-Isolation
• Cross-Origin-Opener-Policy (COOP) - HTTP | MDN
• Cross-Origin-Embedder-Policy (COEP) - HTTP | MDN