冷门的 Java 应用程序安全沙箱机制了解一下

分手后的思念是犯贱 2022-04-05 03:52 268阅读 0赞

如果你经常阅读源码，你会发现 Java 的源码中到处都有类似于下面这一段代码

class File {
      // 判断一个磁盘文件是否存在
      public boolean exists() {
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) {
          security.checkRead(path);
        }
        ...
      }
    }

这明显是一个安全检查代码，检查的是你是否有访问磁盘路径的权限，为什么 Java 语言需要这样的安全检查代码呢？我们再看看客户端套接字的 connect 函数源码，它需要检查用户是否有connect 某个网络地址的权限

class Socket {
      public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) {
        ...
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) {
           if (epoint.isUnresolved())
              security.checkConnect(epoint.getHostName(), port);
           else
              security.checkConnect(addr.getHostAddress(), port);
           }
        }
        ...
      }
    }

再看服务端套接字的源码，它会检查端口的监听权限

class ServerSocket {
      public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) {
        ...
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null)
           security.checkListen(epoint.getPort());
        ...
      }
    }

似乎所有和 IO 操作有关的方法调用都需要进行安全检查。跟 IO 操作相关的权限检查似乎还可以理解，不是所有的 IO 资源用户进程都是可以随意访问的。但是连环境变量都不让随意读，而且限制的还不是所有环境变量，而是某个具体的环境变量，这安全检查是不是有点过了？

class System {
      public static String getenv(String name) {
        SecurityManager sm = getSecurityManager();
        if (sm != null) {
           sm.checkPermission(new RuntimePermission("getenv."+name));
        }
        return ProcessEnvironment.getenv(name);
      }
    }

这是因为 Java 的安全检查管理器和操作系统的权限检查不是一个概念，Java 编写的不只是服务端应用程序，它还可以作为客户端跑在浏览器上（Applet），它还可以以 app 的形式跑在手机上（J2ME）,针对不同的平台 JVM 会使用不同的安全策略。对于 Applet 而言，受限尤其严苛，通常都不允许 Applet 来操作本地文件。待 Java 的安全检查通过后执行具体的 IO 操作时，操作系统还会继续进行权限检查。

我们平时在本地运行 java 程序时通常都不会默认打开安全检查器，需要执行 jvm 参数才会打开

$ java -Djava.security.manager xxx
    $ java -Djava.security.manager -DDjava.security.policy="${policypath}"

因为安全限制条件可以定制，所以还需要提供具体的安全策略文件路径，默认的策略文件路径是 JAVA\_HOME/jre/lib/security/java.policy，下面让我们来看看这个文件里都写了些什么

// 内置扩展库授权规则
    // 表示 JAVA_HOME/jre/lib/ext/ 目录下的类库可以全权访问任意资源
    // 包含 javax.swing.*, javax.xml.*, javax.crypto.* 等等
    grant codeBase "file:${
       {java.ext.dirs}}/*" {
     permission java.security.AllPermission;
    };
    
    // 其它类库授权规则
    grant {
     // 允许线程调用自己的 stop 方法自杀
     permission java.lang.RuntimePermission "stopThread";
     // 允许程序监听 localhost 的随机可用端口，不允许随意订制端口
     permission java.net.SocketPermission "localhost:0", "listen";
     // 限制获取系统属性，下面一系列的配置都是只允许读部分内置属性
     permission java.util.PropertyPermission "java.version", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vendor", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vendor.url", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.class.version", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "os.name", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "os.version", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "os.arch", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "file.separator", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "path.separator", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "line.separator", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.specification.version", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.specification.vendor", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.specification.name", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.version", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.vendor", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.name", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vm.version", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vm.vendor", "read";
     permission java.util.PropertyPermission "java.vm.name", "read";
    };

grant 如果提供了 codeBase 参数就是针对具体的类库来配置权限规则，如果没有指定 codeBase 就是针对所有其它类库配置的规则。

安全检查没有通过，那就会抛出 java.security.AccessControlException 异常。即使安全检查通过了，操作系统的权限检查仍然可能通不过，这时候又会抛出其它类型的异常。

授权规则采用白名单，依据上面的配置意味着启用默认安全策略的 JVM 将无法访问本地文件。如果需要访问本地文件，可以增加下面的规则

permission java.io.FilePermission "/etc/passwd", "read";
    permission java.io.FilePermission "/etc/shadow", "read,write";
    permission java.io.FilePermission "/xyz", "read,write,delete";
    // 允许读所有文件
    permission java.io.FilePermission "*", "read";

Permission 的配置参数正好对应了它的构造器参数

public FilePermission(String path, String actions) {
      super(path);
      init(getMask(actions));
    }

Java 默认安全规则分为几大模块，每个模块都有各自的配置参数

![图片][1]

其中 AllPermission 表示打开所有权限。还有一个不速之客 HibernatePermission，它并不是内置的权限模块，它是 Hibernate 框架为自己订制的，这意味着安全规则是支持自定义扩展的。扩展也很简单，可以自己编写一个 Permission 子类，实现它的 4 个抽象方法。

abstract class Permission {
      // 权限名称，对于文件来说就是文件名，对于套接字来说就是套接字地址
      // 它的意义是子类可定制的
      private String name;
      // 当前权限对象是否隐含了 other 权限
      // 比如 AllPermission 的这个方法总是返回 true
      public abstract boolean implies(Permission other);
      // equals 和 hashcode 用于权限比较
      public abstract boolean equals(Object obj);
      public abstract int hashCode();
      // 权限选项 read,write,xxx
      public abstract String getActions();
    }
    
    class CustomPermission extends Permission {
      private String actions;
      CustomPermission(string name, string actions) {
        super(name)
        this.actions = actions;
      }
      ...
    }

JVM 启动时会将 profile 里面定义的权限规则加载到权限池中，用户程序在特定的 API 方法里使用权限池来判断是否包含调用这个 API 的权限，最终会落实到调用权限池中每一个权限对象的 implies 方法来判断是否具备指定权限。

class CustomAPI {
      public void someMethod() {
        SecurityManager sec = System.getSecurityManager();
        if(sec != null) {
          sec.CheckPermission(new CustomPermission("xname", "xactions"));
        }
        ...
      }
    }

启用安全检查，将会降低程序的执行效率，如果 profile 里面定义的权限规则特别多，那么检查效率就会很慢，使用时注意安全检查要省着点使用。

沙箱的安全检查点非常多，下面列举一些常见的场景

1.  文件操作
2.  套接字操作
3.  线程和线程组
4.  类加载器控制
5.  反射控制
6.  线程堆栈信息获取
7.  网络代理控制
8.  Cookie 读写控制

如果你的服务端程序开启了安全检查，就需要在 policy 配置文件里打开很多安全设置，非常繁琐，而且配置多了，检查的性能也会产生一定损耗。这点有点类似 Android 的应用权限设置，在每个 Android 应用的配置文件里都需要罗列出一系列应用子权限。不过用 Java 来编写服务端程序似乎开启安全检查没有任何必要。

[1]: https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/12/10/16796633818d6f0c?imageView2/0/w/1280/h/960/format/webp/ignore-error/1