JavaScript-Compartments: Sandboxed Code-Ausführung und Sicherheit

In der dynamischen Landschaft der Webentwicklung ist Sicherheit von größter Bedeutung. Da Webanwendungen immer komplexer werden und Code von Drittanbietern integrieren, wächst das Risiko erheblich, dass bösartiger oder fehlerhafter Code die gesamte Anwendung beeinträchtigt. JavaScript-Compartments bieten einen leistungsstarken Mechanismus zur Minderung dieser Risiken, indem sie isolierte Ausführungsumgebungen schaffen, die Code effektiv in einer Sandbox ausführen und verhindern, dass er den Rest der Anwendung stört. Dieser Artikel befasst sich mit dem Konzept der JavaScript-Compartments und untersucht deren Vorteile, Implementierungsdetails und verschiedene Anwendungsfälle.

Was sind JavaScript-Compartments?

JavaScript-Compartments, oft auch im Zusammenhang mit Realms und ShadowRealms erwähnt (obwohl es nicht genau dasselbe ist, werden wir die Unterschiede später untersuchen), sind eine Möglichkeit, eine sichere und isolierte Ausführungsumgebung für JavaScript-Code zu schaffen. Stellen Sie sie sich als separate „Container“ vor, in denen Code ausgeführt werden kann, ohne Zugriff auf den globalen Geltungsbereich oder andere sensible Ressourcen der Hauptanwendung zu haben. Diese Isolation ist entscheidend für die Ausführung von nicht vertrauenswürdigem Code, wie z. B. Bibliotheken von Drittanbietern oder von Benutzern eingereichte Skripte, ohne die Sicherheit und Integrität der gesamten Anwendung zu gefährden.

Traditionell verlässt sich JavaScript auf einen einzigen globalen Ausführungskontext, der oft als „Realm“ bezeichnet wird. Obwohl dieses Modell die Entwicklung vereinfacht, birgt es auch Sicherheitsrisiken, da jeder Code, der innerhalb des Realms ausgeführt wird, Zugriff auf alle ihm zur Verfügung stehenden Ressourcen hat. Das bedeutet, dass ein bösartiges Skript potenziell auf sensible Daten zugreifen, das Verhalten der Anwendung ändern oder sogar beliebigen Code einschleusen könnte.

Compartments lösen dieses Problem, indem sie separate Realms erstellen, von denen jeder seinen eigenen globalen Geltungsbereich und seine eigenen integrierten Objekte hat. Code, der innerhalb eines Compartments ausgeführt wird, ist auf seinen eigenen Realm beschränkt, was verhindert, dass er direkt auf Ressourcen außerhalb dieses Realms zugreift oder diese modifiziert. Diese Isolation bietet eine starke Sicherheitsschicht, die sicherstellt, dass nicht vertrauenswürdiger Code die Integrität der Hauptanwendung nicht beeinträchtigen kann.

Vorteile der Verwendung von JavaScript-Compartments

• Erhöhte Sicherheit: Der Hauptvorteil der Verwendung von Compartments ist die verbesserte Sicherheit. Indem Sie nicht vertrauenswürdigen Code isolieren, können Sie verhindern, dass er auf sensible Daten zugreift oder das Verhalten der Anwendung ändert. Dies ist besonders wichtig bei der Integration von Bibliotheken von Drittanbietern oder der Ausführung von benutzerdefinierten Skripten.
• Verbesserte Stabilität: Compartments können auch die Stabilität Ihrer Anwendung verbessern. Wenn ein Skript, das in einem Compartment ausgeführt wird, abstürzt oder einen Fehler auslöst, hat dies keine Auswirkungen auf den Rest der Anwendung. Dies kann unerwartetes Verhalten verhindern und die allgemeine Benutzererfahrung verbessern.
• Reduzierte Abhängigkeiten: Compartments können helfen, Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Teilen Ihrer Anwendung zu reduzieren. Indem Sie Code in Compartments isolieren, können Sie das Risiko von Konflikten zwischen verschiedenen Bibliotheken oder Modulen minimieren. Dies kann die Entwicklung und Wartung vereinfachen.
• Code-Portabilität: Compartments können die Portabilität von Code verbessern. Code, der für die Ausführung in einem bestimmten Compartment geschrieben wurde, kann leicht in andere Anwendungen oder Umgebungen verschoben werden, ohne dass wesentliche Änderungen erforderlich sind.
• Feingranulare Kontrolle: Compartments bieten eine granulare Kontrolle über die Ressourcen, die dem darin ausgeführten Code zur Verfügung stehen. Dies ermöglicht es Ihnen, die Umgebung an die spezifischen Bedürfnisse des Codes anzupassen und das Risiko von Sicherheitslücken zu minimieren.

JavaScript Realms und ShadowRealms: Ein genauerer Blick

Die Konzepte „Realms“ und, seit Kurzem, „ShadowRealms“ sind eng mit JavaScript-Compartments verwandt und entscheidend für das Verständnis der breiteren Landschaft der Code-Isolation und -Sicherheit in JavaScript. Lassen Sie uns diese Konzepte aufschlüsseln:

Realms

Im Kontext von JavaScript repräsentiert ein Realm eine globale Ausführungsumgebung. Jeder Realm hat sein eigenes globales Objekt (wie `window` in Browsern oder `global` in Node.js), seine eigenen integrierten Objekte (wie `Array`, `Object`, `String`) und seinen eigenen Ausführungskontext. Traditionell arbeitet ein Browserfenster oder ein Node.js-Prozess innerhalb eines einzigen Realms.

Realms ermöglichen es Ihnen, JavaScript-Code in einem separaten Kontext vom Kontext der Hauptanwendung zu laden und auszuführen. Dies bietet ein gewisses Maß an Isolation, aber es ist wichtig zu verstehen, dass Realms standardmäßig *keine* starke Sicherheitsgrenze darstellen. Code in verschiedenen Realms kann immer noch kommunizieren und sich potenziell gegenseitig stören, wenn er nicht sorgfältig verwaltet wird. Das liegt daran, dass sie, obwohl sie separate globale Objekte haben, Objekte und Funktionen über verschiedene Mechanismen teilen können.

Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie erstellen eine Browser-Erweiterung, die Code von einer Drittanbieter-Website ausführen muss. Sie können diesen Code in einen separaten Realm laden, um zu verhindern, dass er direkt auf die internen Daten Ihrer Erweiterung zugreift oder das DOM des Browsers auf unerwartete Weise manipuliert. Sie müssten jedoch vorsichtig sein, wie Sie Daten zwischen den Realms übergeben, um potenzielle Sicherheitsprobleme zu vermeiden.

ShadowRealms

ShadowRealms, die erst kürzlich eingeführt wurden, sind darauf ausgelegt, eine stärkere Form der Isolation im Vergleich zu traditionellen Realms zu bieten. Sie zielen darauf ab, einige der Sicherheitsbeschränkungen von Realms zu beheben, indem sie eine robustere Grenze zwischen verschiedenen JavaScript-Ausführungsumgebungen schaffen. ShadowRealms sind ein Vorschlag (zum Zeitpunkt des Schreibens) für eine neue Funktion in JavaScript. Sie werden in einigen Umgebungen nativ unterstützt, während andere ein Polyfill benötigen.

Der Hauptunterschied zwischen ShadowRealms und Realms besteht darin, dass ShadowRealms eine vollständigere Trennung der globalen Umgebung bieten. Sie verhindern standardmäßig den Zugriff auf die Intrinsics des ursprünglichen Realms (die integrierten Objekte wie `Array`, `Object`, `String`) und zwingen den Code innerhalb des ShadowRealms, seine eigenen isolierten Versionen zu verwenden. Dies macht es für Code im ShadowRealm erheblich schwieriger, aus seiner Sandbox auszubrechen und auf unerwartete Weise mit dem Kontext der Hauptanwendung zu interagieren.

Beispiel: Betrachten Sie ein Szenario, in dem Sie eine Plattform erstellen, die es Benutzern ermöglicht, benutzerdefinierten JavaScript-Code hochzuladen und auszuführen. Mit ShadowRealms können Sie eine hochsichere Umgebung für die Ausführung dieses Codes schaffen und verhindern, dass er auf sensible Daten zugreift oder die Kernfunktionalität der Plattform stört. Da der Code im ShadowRealm nicht direkt auf die integrierten Objekte des ursprünglichen Realms zugreifen kann, ist es für ihn viel schwieriger, bösartige Aktionen auszuführen.

Wie ShadowRealms die Sicherheit erhöhen

• Isolation der Intrinsics: ShadowRealms isolieren die Kern-JavaScript-Intrinsics und verhindern den Zugriff auf die integrierten Objekte der ursprünglichen Umgebung. Dies macht es für bösartigen Code viel schwieriger, aus der Sandbox auszubrechen.
• Isolation des globalen Objekts: Jeder ShadowRealm hat sein eigenes isoliertes globales Objekt, was verhindert, dass Code auf den globalen Zustand der Hauptanwendung zugreift oder diesen ändert.
• Isolation des Objektgraphen: ShadowRealms bieten Mechanismen, um das Teilen von Objekten zwischen Realms sorgfältig zu steuern und das Risiko unbeabsichtigter Interaktionen oder Datenlecks zu minimieren.

JavaScript-Compartments: Praktische Beispiele und Anwendungsfälle

Compartments und die Konzepte von Realms und ShadowRealms haben eine breite Palette praktischer Anwendungen in der Webentwicklung. Hier sind einige Beispiele:

• Ausführen von Drittanbieter-Code: Wie bereits erwähnt, sind Compartments ideal für die Ausführung von Bibliotheken oder Skripten von Drittanbietern. Indem Sie diesen Code in einem Compartment isolieren, können Sie verhindern, dass er Ihre Anwendung stört oder auf sensible Daten zugreift. Stellen Sie sich vor, Sie integrieren eine komplexe Diagrammbibliothek aus einer externen Quelle. Indem Sie sie in einem Compartment ausführen, isolieren Sie potenzielle Fehler oder Sicherheitslücken von der Kernanwendung.
• Von Benutzern eingereichte Skripte: Wenn Ihre Anwendung es Benutzern ermöglicht, benutzerdefinierten JavaScript-Code einzureichen (z. B. in einem Code-Editor oder einer Skriptumgebung), sind Compartments für die Sicherheit unerlässlich. Sie können diese Skripte in Compartments ausführen, um zu verhindern, dass sie auf die Daten Ihrer Anwendung zugreifen oder bösartige Aktionen durchführen. Betrachten Sie eine Website, die es Benutzern ermöglicht, benutzerdefinierte Widgets zu erstellen und zu teilen. Mit Compartments kann jedes Widget in seiner eigenen isolierten Umgebung ausgeführt werden, was verhindert, dass es andere Widgets oder die Hauptwebsite beeinträchtigt.
• Web Workers: Web Workers sind eine Möglichkeit, JavaScript-Code im Hintergrund auszuführen, ohne den Hauptthread zu blockieren. Compartments können verwendet werden, um Web Workers vom Hauptthread zu isolieren und so die Sicherheit und Stabilität zu verbessern. Dies ist besonders nützlich für rechenintensive Aufgaben, die andernfalls die Benutzeroberfläche verlangsamen könnten.
• Browser-Erweiterungen: Browser-Erweiterungen erfordern oft Zugriff auf sensible Daten und Funktionen. Compartments können verwendet werden, um verschiedene Teile einer Erweiterung zu isolieren und so das Risiko von Sicherheitslücken zu verringern. Stellen Sie sich eine Erweiterung vor, die Passwörter verwaltet. Indem Sie die Logik zur Speicherung und Verwaltung von Passwörtern in einem Compartment isolieren, können Sie sie vor bösartigem Code schützen, der versuchen könnte, auf Benutzeranmeldeinformationen zuzugreifen oder diese zu stehlen.
• Microfrontends: In einer Microfrontend-Architektur werden verschiedene Teile der Anwendung unabhängig voneinander entwickelt und bereitgestellt. Compartments können verwendet werden, um diese Microfrontends voneinander zu isolieren, was Konflikte verhindert und die Sicherheit verbessert.
• Sichere Auswertung von Code: Compartments können verwendet werden, um eine sichere Umgebung für die Auswertung von beliebigem JavaScript-Code zu schaffen. Dies ist nützlich in Anwendungen, die Code dynamisch ausführen müssen, wie z. B. Online-Code-Editoren oder Sandbox-JavaScript-Umgebungen.

Implementierung von JavaScript-Compartments: Techniken und Überlegungen

Obwohl das Konzept der JavaScript-Compartments relativ einfach ist, erfordert ihre effektive Implementierung eine sorgfältige Berücksichtigung verschiedener Faktoren. Hier sind einige Techniken und Überlegungen zur Implementierung von Compartments in Ihren Anwendungen:

Verwendung von Realms und ShadowRealms

Wie bereits besprochen, sind Realms und ShadowRealms die Kernbausteine für die Erstellung isolierter JavaScript-Ausführungsumgebungen. So können Sie sie verwenden:

            
// Using Realms (requires careful management of object sharing)
const realm = new Realm();
realm.evaluate("console.log('Hello from the Realm!');");

// Using ShadowRealms (provides stronger isolation)
// (This is an example using a hypothetical ShadowRealm API)
const shadowRealm = new ShadowRealm();
shadowRealm.evaluate("console.log('Hello from the ShadowRealm!');");

            

              
                Copy
              
            
          

Wichtige Überlegungen:

• Teilen von Objekten: Seien Sie bei der Verwendung von Realms äußerst vorsichtig, wie Sie Objekte zwischen den Realms teilen. Unkontrolliertes Teilen von Objekten kann die durch Realms bereitgestellte Isolation untergraben. Erwägen Sie die Verwendung von Techniken wie Klonen oder Serialisierung/Deserialisierung, um Daten zwischen Realms zu übertragen, ohne Referenzen zu teilen.
• Sicherheitsaudits: Überprüfen Sie Ihren Code regelmäßig, um potenzielle Sicherheitslücken im Zusammenhang mit Realms und dem Teilen von Objekten zu identifizieren.
• ShadowRealms-Unterstützung: Überprüfen Sie die Unterstützung für ShadowRealms im Browser oder in der JavaScript-Umgebung, da es sich um eine relativ neue Funktion handelt. Wenn keine native Unterstützung verfügbar ist, müssen Sie möglicherweise ein Polyfill verwenden.

Alternativen zu nativen Realms/ShadowRealms (Verwendung von iframes)

Vor der weiten Verbreitung von Realms und ShadowRealms wurden iframes oft als eine Möglichkeit verwendet, um Code-Isolation in Webbrowsern zu erreichen. Obwohl nicht so sicher oder flexibel wie Realms/ShadowRealms, können iframes in bestimmten Situationen immer noch eine praktikable Option sein, insbesondere für ältere Browser, denen die native Unterstützung für Realms/ShadowRealms fehlt.

Jeder iframe hat sein eigenes Dokument und seinen eigenen globalen Geltungsbereich, wodurch effektiv eine separate Ausführungsumgebung geschaffen wird. Code, der in einem iframe ausgeführt wird, kann nicht direkt auf das DOM oder die JavaScript-Umgebung der Hauptseite zugreifen und umgekehrt.

Beispiel:

            
// Create an iframe element
const iframe = document.createElement('iframe');

// Set the iframe's source to a blank page or a specific URL
iframe.src = 'about:blank'; // Or a URL to a sandboxed HTML page

// Append the iframe to the document
document.body.appendChild(iframe);

// Access the iframe's window object
const iframeWindow = iframe.contentWindow;

// Execute code within the iframe's context
iframeWindow.eval("console.log('Hello from the iframe!');");

            

              
                Copy
              
            
          

Einschränkungen von Iframes für Sandboxing:

• DOM-Zugriff: Obwohl iframes Isolation bieten, können sie immer noch in gewissem Maße mit dem DOM der Hauptseite interagieren, insbesondere wenn `allow-same-origin` aktiviert ist.
• Kommunikations-Overhead: Die Kommunikation zwischen der Hauptseite und einem iframe erfordert die Verwendung von `postMessage`, was zu Overhead und Komplexität führen kann.
• Sicherheits-Header: Die richtige Konfiguration von Sicherheits-Headern wie `Content-Security-Policy` (CSP) ist entscheidend, wenn iframes verwendet werden, um eine starke Isolation zu gewährleisten.

Verwendung der Content Security Policy (CSP)

Content Security Policy (CSP) ist ein leistungsstarker HTTP-Header, mit dem Sie steuern können, welche Ressourcen ein Browser für eine bestimmte Webseite laden darf. CSP kann verwendet werden, um die Ausführung von Inline-JavaScript, das Laden von Skripten aus externen Quellen und andere potenziell gefährliche Aktivitäten einzuschränken. Obwohl CSP kein direkter Ersatz für Compartments ist, kann es eine zusätzliche Sicherheitsschicht bieten und helfen, die mit der Ausführung von nicht vertrauenswürdigem Code verbundenen Risiken zu mindern.

Beispiel:

            
Content-Security-Policy: default-src 'self'; script-src 'self' https://example.com;

            

              
                Copy
              
            
          

Dieser CSP-Header erlaubt dem Browser, Ressourcen vom selben Ursprung (`'self'`) und Skripte von `https://example.com` zu laden. Jeder Versuch, Skripte von anderen Ursprüngen zu laden, wird vom Browser blockiert.

Vorteile der Verwendung von CSP:

• Mindert XSS-Angriffe: CSP ist eine hochwirksame Abwehr gegen Cross-Site-Scripting (XSS)-Angriffe.
• Reduziert die Angriffsfläche: CSP hilft, die Angriffsfläche Ihrer Anwendung zu reduzieren, indem es die Ressourcen begrenzt, die geladen werden können.
• Bietet feingranulare Kontrolle: CSP bietet eine granulare Kontrolle über die Ressourcen, die geladen werden dürfen, sodass Sie die Richtlinie an die spezifischen Bedürfnisse Ihrer Anwendung anpassen können.

Sicherheitsüberlegungen und Best Practices

Die Implementierung von JavaScript-Compartments ist nur ein Teil einer umfassenden Sicherheitsstrategie. Hier sind einige zusätzliche Sicherheitsüberlegungen und Best Practices, die Sie beachten sollten:

• Eingabevalidierung: Validieren und bereinigen Sie immer die Benutzereingaben, um Code-Injection-Angriffe zu verhindern.
• Ausgabe-Kodierung: Kodieren Sie die Ausgabe ordnungsgemäß, um Cross-Site-Scripting (XSS)-Angriffe zu verhindern.
• Regelmäßige Sicherheitsaudits: Führen Sie regelmäßige Sicherheitsaudits Ihres Codes und Ihrer Infrastruktur durch, um potenzielle Schwachstellen zu identifizieren und zu beheben.
• Halten Sie Bibliotheken auf dem neuesten Stand: Halten Sie Ihre JavaScript-Bibliotheken und Frameworks mit den neuesten Sicherheitspatches auf dem neuesten Stand.
• Prinzip der geringsten Privilegien: Gewähren Sie dem Code nur die minimalen Privilegien, die zur Ausführung seiner beabsichtigten Funktion erforderlich sind.
• Aktivitäten überwachen und protokollieren: Überwachen und protokollieren Sie die Anwendungsaktivität, um verdächtiges Verhalten zu erkennen und darauf zu reagieren.
• Sichere Kommunikation: Verwenden Sie HTTPS, um die Kommunikation zwischen dem Browser und dem Server zu verschlüsseln.
• Entwickler schulen: Schulen Sie Ihre Entwickler in Bezug auf bewährte Sicherheitspraktiken und häufige Sicherheitslücken.

Die Zukunft der JavaScript-Sicherheit: Laufende Entwicklungen und Standardisierung

Die Landschaft der JavaScript-Sicherheit entwickelt sich ständig weiter, mit laufenden Entwicklungen und Standardisierungsbemühungen, die darauf abzielen, die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Webanwendungen zu verbessern. Das TC39-Komitee, das für die Weiterentwicklung der JavaScript-Sprache verantwortlich ist, arbeitet aktiv an Vorschlägen zur Verbesserung der Sicherheitsfunktionen, einschließlich ShadowRealms und anderer Mechanismen zur Code-Isolation und -Kontrolle. Diese Bemühungen konzentrieren sich darauf, eine sicherere und robustere Umgebung für die Ausführung von JavaScript-Code in einer Vielzahl von Kontexten zu schaffen.

Zusätzlich arbeiten Browser-Hersteller kontinuierlich daran, die Sicherheit ihrer Plattformen zu verbessern, indem sie neue Sicherheitsfunktionen implementieren und Schwachstellen beheben, sobald sie entdeckt werden. Sich über diese Entwicklungen auf dem Laufenden zu halten, ist für Entwickler, die ernsthaft sichere Webanwendungen erstellen wollen, von entscheidender Bedeutung.

Fazit

JavaScript-Compartments, insbesondere bei der Nutzung von Realms und ShadowRealms, bieten einen leistungsstarken und wesentlichen Mechanismus für die Sandbox-Ausführung von Code und erhöhte Sicherheit in modernen Webanwendungen. Indem Sie nicht vertrauenswürdigen Code in separaten Ausführungsumgebungen isolieren, können Sie das Risiko von Sicherheitslücken erheblich reduzieren und die Stabilität und Zuverlässigkeit Ihrer Anwendungen verbessern. Da Webanwendungen immer komplexer werden und Code von Drittanbietern integrieren, wird die Bedeutung der Verwendung von Compartments nur weiter zunehmen. Die Anwendung dieser Techniken und die Befolgung bewährter Sicherheitspraktiken sind entscheidend für die Schaffung sicherer und vertrauenswürdiger Web-Erlebnisse.