探索 JavaScript Compartments，一種用於安全和隔離代碼執行的強大機制。了解 Compartments 如何在複雜應用中增強安全性、管理依賴關係並實現跨域通信。
JavaScript Compartments：深入剖析安全沙盒代码执行
在现代 Web 开发以及像 Node.js 这样的服务器端环境中，安全地执行不受信任或第三方 JavaScript 代码的需求至关重要。传统方法常常力不从心，使应用程序容易受到各种攻击。JavaScript Compartments 提供了一个强大的解决方案，它为代码执行提供了一个沙盒环境，有效地将其与主应用程序隔离，并防止对敏感资源的未经授权访问。
什么是 JavaScript Compartments？
JavaScript Compartments，通过提案和实现（例如，在 Firefox 的 JavaScript 引擎 SpiderMonkey 中，并与 SES – Secure EcmaScript – 的努力保持一致）得以形式化，本质上是单个 JavaScript 运行时内的隔离执行上下文。可以把它们想象成独立的容器，代码可以在其中运行而不会直接影响全局环境或其他 Compartments，除非得到明确许可。这种隔离是通过控制对全局对象、原型和其他核心 JavaScript 功能的访问来实现的。
与依赖禁用某些语言功能（例如 eval() 或 Function 构造函数）的简单沙盒技术不同，Compartments 提供了一种更精细、更安全的方法。它们对沙盒环境中可访问的对象和 API 提供了细粒度的控制。这意味着您可以允许安全的操作，同时限制对潜在危险操作的访问。
使用 Compartments 的主要好处
- 增强安全性：Compartments 隔离不受信任的代码，防止其访问敏感数据或操纵宿主应用程序。这在集成第三方库、用户提交的代码或来自不受信任来源的数据时至关重要。
- 依赖管理：Compartments 可以帮助管理复杂应用程序中的依赖关系。通过在不同的 Compartments 中运行不同的模块或组件，您可以避免命名冲突，并确保应用程序的每个部分都有自己隔离的环境。
- 跨域通信：Compartments 促进了同一应用程序内不同域（执行上下文）之间的安全通信。这使您可以在应用程序的隔离部分之间共享数据和功能，同时保持安全性和隔离性。
- 简化测试：Compartments 使在隔离环境中测试代码变得更加容易。您可以创建一个具有特定依赖集的 Compartment，并测试您的代码，而不必担心来自应用程序其他部分的干扰。
- 资源控制：某些实现允许对 Compartments 应用资源限制，防止失控代码消耗过多内存或 CPU。
Compartments 如何工作：深入探讨
Compartments 背后的核心思想是创建一个新的全局环境，其中包含一组经过修改的内置对象和原型。当代码在 Compartment 内执行时，它就在这个隔离的环境中运行。对外部世界的访问通过通常涉及对象包装和代理的过程进行严格控制。
1. 域 (Realm) 的创建
第一步是创建一个新的域 (realm)，这本质上是一个新的全局执行上下文。这个域有自己的一套全局对象（如浏览器环境中的 window 或 Node.js 中的 global）和原型。在基于 Compartment 的系统中，这个域通常是用一套精简或修改过的内置对象创建的。
2. 对象包装和代理
为了允许对外部环境的对象和函数进行受控访问，Compartments 通常采用对象包装和代理。当一个对象被传递到 Compartment 中时，它会被包装在一个代理对象中，该代理对象会拦截对其属性和方法的所有访问。这使得 Compartment 的实现能够强制执行安全策略并限制对对象某些部分的访问。
例如，如果您将一个 DOM 元素（如按钮）传递到 Compartment 中，Compartment 可能会收到一个代理对象，而不是实际的 DOM 元素。该代理可能只允许访问按钮的某些属性（如其文本内容），同时阻止访问其他属性（如其事件监听器）。代理不仅仅是一个副本；它在强制执行安全约束的同时，将调用转发回原始对象。
3. 全局对象隔离
Compartments 最重要的方面之一是全局对象的隔离。全局对象（例如 window 或 global）提供了对各种内置函数和对象的访问。Compartments 通常会创建一个新的全局对象，其中包含一套精简或修改过的内置对象，从而防止 Compartment 内的代码访问潜在危险的函数或对象。
例如，eval() 函数允许执行任意代码，在 Compartment 中通常会被移除或限制。同样，对文件系统或网络 API 的访问也可能受到限制，以防止 Compartment 内的代码执行未经授权的操作。
4. 防止原型污染
Compartments 还解决了原型污染（prototype poisoning）问题，该问题可被用于向应用程序注入恶意代码。通过为内置对象（如 Object.prototype 或 Array.prototype）创建新的原型，Compartments 可以防止内部代码修改这些对象在外部环境中的行为。
Compartments 的实际应用示例
让我们探讨一些可以使用 Compartments 来增强安全性和管理依赖关系的实际场景。
1. 运行第三方小部件
想象一下，您正在构建一个集成第三方小部件（如社交媒体信息流或广告横幅）的 Web 应用程序。这些小部件通常包含您不完全信任的 JavaScript 代码。通过在独立的 Compartments 中运行这些小部件，您可以防止它们访问敏感数据或操纵宿主应用程序。
示例：
假设您有一个显示来自 Twitter 的推文的小部件。您可以为此小部件创建一个 Compartment，并将其 JavaScript 代码加载到其中。该 Compartment 将被配置为允许访问 Twitter API，但阻止访问 DOM 或应用程序的其他敏感部分。这将确保小部件可以在不损害应用程序安全性的情况下显示推文。
2. 安全地评估用户提交的代码
许多应用程序允许用户提交代码，例如自定义脚本或公式。直接在应用程序中运行这些代码可能存在风险，因为它可能包含会危及应用程序安全的恶意代码。Compartments 提供了一种安全评估用户提交代码的方式，而不会使应用程序面临安全风险。
示例：
考虑一个在线代码编辑器，用户可以在其中编写和运行 JavaScript 代码。您可以为每个用户的代码创建一个 Compartment，并在其中运行代码。该 Compartment 将被配置为阻止访问文件系统、网络 API 和其他敏感资源。这将确保用户提交的代码不会损害应用程序或访问敏感数据。
3. 在 Node.js 中隔离模块
在 Node.js 中，Compartments 可用于隔离模块并防止命名冲突。通过在独立的 Compartment 中运行每个模块，您可以确保每个模块都有自己隔离的环境，并且模块之间不会相互干扰。
示例：
想象一下，您有两个模块都定义了一个名为 x 的变量。如果您在同一个环境中运行这些模块，将会发生命名冲突。但是，如果您在独立的 Compartment 中运行每个模块，就不会有命名冲突，因为每个模块都有自己隔离的环境。
4. 插件架构
具有插件架构的应用程序可以从 Compartments 中获益良多。每个插件都可以在自己的 Compartment 中运行，从而限制了一个受损插件可能造成的损害。这使得功能的扩展更加健壮和安全。
示例：一个浏览器扩展。如果一个扩展存在漏洞，Compartment 会阻止它访问来自其他扩展或浏览器本身的数据。
现状与实现
虽然 Compartments 的概念已经存在了一段时间，但标准化的实现仍在不断发展。以下是当前的概况：
- SES (Secure EcmaScript)：SES 是一个强化的 JavaScript 环境，为构建安全应用程序提供了基础。它利用 Compartments 和其他安全技术来隔离代码并防止攻击。SES 影响了 Compartments 的发展，并提供了一个参考实现。
- SpiderMonkey (Mozilla 的 JavaScript 引擎)：Firefox 的 JavaScript 引擎 SpiderMonkey 历来对 Compartments 有着强大的支持。这种支持对于 Firefox 的安全模型至关重要。
- Node.js：Node.js 正在积极探索和实现类似 Compartment 的功能，以实现安全的模块隔离和依赖管理。
- Caja：Caja 是一个安全工具，用于使第三方 HTML、CSS 和 JavaScript 能够安全地嵌入到您的网站中。它通过重写 HTML、CSS 和 JavaScript，使用对象能力安全模型（object-capability security）来实现来自不同来源内容的安全混搭。
挑战与注意事项
虽然 Compartments 为安全代码执行提供了强大的解决方案，但也存在一些需要注意的挑战和事项：
- 性能开销：创建和管理 Compartments 可能会带来一些性能开销，特别是如果您要创建大量 Compartments 或频繁地在它们之间传递数据。
- 复杂性：实现 Compartments 可能很复杂，需要深入了解 JavaScript 的执行模型和安全原则。
- API 设计：为与 Compartments 交互设计一个安全且可用的 API 可能具有挑战性。您需要仔细考虑向 Compartment 暴露哪些对象和函数，以及如何防止 Compartment 逃逸其边界。
- 标准化：一个完全标准化并被广泛采用的 Compartments API 仍在开发中。这意味着具体的实现细节可能会因您使用的 JavaScript 引擎而异。
使用 Compartments 的最佳实践
为了有效地使用 Compartments 并最大化其安全优势，请考虑以下最佳实践：
- 最小化攻击面：仅暴露 Compartment 内代码正常运行所必需的最小对象和函数集。
- 使用对象能力（Object Capabilities）：遵循对象能力原则，即代码只应有权访问执行其任务所需的对象和函数。
- 验证输入和输出：仔细验证所有输入和输出数据，以防止代码注入攻击和其他漏洞。
- 监控 Compartment 活动：监控 Compartments 内部的活动以检测可疑行为。
- 保持更新：随时了解最新的安全最佳实践和 Compartment 实现。
结论
JavaScript Compartments 为安全和隔离的代码执行提供了一种强大的机制。通过创建沙盒环境，Compartments 可以在复杂应用中增强安全性、管理依赖关系并实现跨域通信。尽管存在一些挑战和注意事项，但与传统的沙盒技术相比，Compartments 提供了显著的改进，是构建安全、健壮的 JavaScript 应用程序的重要工具。随着 Compartments 的标准化和采用不断发展，它们将在未来的 JavaScript 安全领域扮演越来越重要的角色。
无论您是在构建 Web 应用程序、服务器端应用程序还是浏览器扩展，都应考虑使用 Compartments 来保护您的应用程序免受不受信任代码的侵害，并增强其整体安全性。对于所有 JavaScript 开发人员，特别是那些从事对安全敏感的项目的人来说，理解 Compartments 正变得越来越重要。通过拥抱这项技术，您可以构建更具弹性和更安全的应用程序，以更好地抵御不断演变的网络威胁。