Java安全——理解Java沙箱
标签: Java 安全
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什么是沙箱1
Java安全模型的核心就是Java沙箱(sandbox),什么是沙箱?沙箱是一个限制程序运行的环境。限制程序运行一方面是为了保护系统资源,同时另一方面也为了保护程序自己。沙箱主要限制系统资源访问,那系统资源包括什么?——CPU、内存、文件系统、网络。不同级别的沙箱对这些资源访问的限制也可以不一样。
所有的Java程序运行都可以指定沙箱,可以定制安全策略。而一个Java程序运行的安全策略,包括了以下几点基础:
- 字节码校验器(bytecode verifier):确保Java类文件遵循Java语言规范。这样可以帮助Java程序实现内存保护。但是不是所有的类文件都会经过字节码校验,比如核心类。
- 类加载器(class loader):所有的Java类都是通过类加载器加载的,可以自定义类加载器来设置加载类的权限。
- 存取控制器(access controller):存取控制器可以控制核心API对操作系统的存取权限,而这个控制的策略设定,可以由用户指定。
- 安全管理器(security manager):是核心API和操作系统之间的主要接口。实现权限控制,比存取控制器优先级高。
-
安全软件包(security package):java.security下的类和扩展包下的类,允许用户为自己的应用增加新的安全特性,包括:
- 安全提供者
- 消息摘要
- 数字签名
- 加密
- 鉴别
沙箱包含哪些要素
1. 权限
权限是指允许代码执行的操作。包含三部分:权限类型
、权限名
和允许的操作
。权限类型
是实现了权限的Java类名,是必需的。权限名
一般就是对哪类资源进行操作的资源定位(比如一个文件名或者通配符、网络主机等),一般基于权限类型
来设置,有的比如java.security.AllPermission不需要权限名。允许的操
作也和权限类型
对应,指定了对目标可以执行的操作行为,比如读、写等。如下面的例子:
permission java.security.AllPermission; //权限类型
permission java.lang.RuntimePermission "stopThread"; //权限类型+权限名
permission java.io.FilePermission "/tmp/foo" "read"; //权限类型+权限名+允许的操作
标准权限有哪些
类型 | 权限名 | 操作 | 例子 | |
---|---|---|---|---|
文件权限 | java.io.FilePermission | 文件名(平台依赖) | 读、写、删除、执行 | 允许所有问价的读写删除执行:permission java.io.FilePermission "<< ALL FILES>>", "read,write,delete,execute";。允许对用户主目录的读:permission java.io.FilePermission "${user.home}/-", "read";。 |
套接字权限 | java.net.SocketPermission | 主机名:端口 | 接收、监听、连接、解析 | 允许实现所有套接字操作:permission java.net.SocketPermission ":1-", "accept,listen,connect,resolve";。允许建立到特定网站的连接:permission java.net.SocketPermission ".abc.com:1-", "connect,resolve";。 |
属性权限 | java.util.PropertyPermission | 需要访问的jvm属性名 | 读、写 | 读标准Java属性:permission java.util.PropertyPermission "java.", "read";。在sdo包中创建属性:permission java.util.PropertyPermission "sdo.", "read,write";。 |
运行时权限 | java.lang.RuntimePermission | 多种权限名[见附录A] | 无 | 允许代码初始化打印任务:permission java.lang.RuntimePermission "queuePrintJob" |
AWT权限 | java.awt.AWTPermission | 6种权限名[见附录B] | 无 | 允许代码充分使用robot类:permission java.awt.AWTPermission "createRobot"; permission java.awt.AWTPermission "readDisplayPixels";。 |
网络权限 | java.net.NetPermission | 3种权限名[见附录C] | 无 | 允许安装流处理器:permission java.net.NetPermission "specifyStreamHandler";。 |
安全权限 | java.security.SecurityPermission | 多种权限名[见附录D] | 无 | |
序列化权限 | java.io.SerializablePermission | 2种权限名[见附录E] | 无 | |
反射权限 | java.lang.reflect.ReflectPermission | suppressAccessChecks(允许利用反射检查任意类的私有变量) | 无 | |
完全权限 | java.security.AllPermission | 无(拥有执行任何操作的权限) | 无 |
2. 代码源
代码源是类所在的位置,表示为以URL地址。
3. 保护域
保护域用来组合代码源和权限,这是沙箱的基本概念。保护域就在于声明了比如由代码A可以做权限B这样的事情。
4. 策略文件
策略文件是控制沙箱的管理要素,一个策略文件包含一个或多个保护域的项。策略文件完成了代码权限的指定任务,策略文件包括全局和用户专属两种。
为了管理沙箱,策略文件我认为是最重要的内容。JVM可以使用多个策略文件,不过一般两个最常用。一个是全局的:$JREHOME/lib/security/java.policy
,作用于JVM的所有实例。另一个是用户自己的,可以存储到用户的主目录下。策略文件可以使用jdk自带的policytool工具编辑。
默认的策略文件我们先参考一下:
// Standard extensions get all permissions by default
grant codeBase "file:${{java.ext.dirs}}/*" {
permission java.security.AllPermission;
};
// default permissions granted to all domains
grant {
// Allows any thread to stop itself using the java.lang.Thread.stop()
// method that takes no argument.
// Note that this permission is granted by default only to remain
// backwards compatible.
// It is strongly recommended that you either remove this permission
// from this policy file or further restrict it to code sources
// that you specify, because Thread.stop() is potentially unsafe.
// See the API specification of java.lang.Thread.stop() for more
// information.
permission java.lang.RuntimePermission "stopThread";
// allows anyone to listen on dynamic ports
permission java.net.SocketPermission "localhost:0", "listen";
// permission for standard RMI registry port
permission java.net.SocketPermission "localhost:1099", "listen";
// "standard" properies that can be read by anyone
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";
};
策略文件的内容格式就是这样,grant授权允许操作某个权限。这个默认的策略文件就指明了jdk扩展包可以有全部权限,允许代码stop线程,允许监听1099端口等等。
另一个很重要的是参数文件——java.security,这个文件和策略文件在同一个目录下。这个参数文件定义了沙箱的一些参数。比如默认的沙箱文件是这样的(截取部分):
# The default is to have a single system-wide policy file,
# and a policy file in the user's home directory.
policy.url.1=file:${java.home}/lib/security/java.policy
policy.url.2=file:${user.home}/.java.policy
# whether or not we expand properties in the policy file
# if this is set to false, properties (${...}) will not be expanded in policy
# files.
policy.expandProperties=true
# whether or not we allow an extra policy to be passed on the command line
# with -Djava.security.policy=somefile. Comment out this line to disable
# this feature.
policy.allowSystemProperty=true
policy.url.*这个属性指明了使用的策略文件,如上文所述,默认的两个位置就在这里配置,用户可以自行更改顺序和存储位置。而policy.allowSystemProperty指明是否允许用户自行通过命令行指定policy文件。
5. 密钥库
保存密钥证书的地方。
默认沙箱
通过Java命令行启动的Java应用程序,默认不启用沙箱。要想启用沙箱,启动命令需要做如下形式的变更:
java -Djava.security.manager <other args>
沙箱启动后,安全管理器会使用两个默认的策略文件来确定沙箱启动参数。当然也可以通过命令指定:
java -Djava.security.policy=<URL>
如果要求启动时只遵循一个策略文件,那么启动参数要加个等号,如下:
java -Djava.security.policy==<URL>
如何使用
1. 限制读文件
这个例子很简单,首先写一个r.txt文件,里面的内容是“abcd”,再写个程序如下读取这个r.txt。
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
public class PolicyTest {
public static void file() {
File f = new File("D:\\github\\CDLib\\src\\main\\resources\\security\\r.txt");
InputStream is;
try {
is = new FileInputStream(f);
byte[] content = new byte[1024];
while (is.read(content) != -1) {
System.out.println(new String(content));
}
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
// test read file.
file();
}
}
发现输出是abcd
。
接下来修改java启动参数,加入-Djava.security.manager
,启动了安全沙箱。再运行,输出变成了异常
Exception in thread "main" java.security.AccessControlException: access denied ("java.io.FilePermission" "D:githubCDLibsrcmainresourcessecurityr.txt" "read")
at java.security.AccessControlContext.checkPermission(Unknown Source) at java.security.AccessController.checkPermission(Unknown Source) at java.lang.SecurityManager.checkPermission(Unknown Source) at java.lang.SecurityManager.checkRead(Unknown Source) at java.io.FileInputStream.<init>(Unknown Source) at com.taobao.cd.security.PolicyTest.main(PolicyTest.java:15)
这里已经提示了,访问被拒绝,说明了沙箱启动,同时也验证了默认沙箱——禁止本地文件访问。
再来,我们构建一个custom.policy文件如下:
grant {
permission java.io.FilePermission "D:\\github\\CDLib\\src\\main\\resources\\security\\*", "read";
};
这里构建了一条安全策略——允许读取security目录下的文件。
修改启动命令,添加-Djava.security.policy=D:\\github\\CDLib\\src\\main\\resources\\security\\custom.policy
,再执行,结果输出了abcd
。
如上例。我们通过自定义policy文件修改了默认沙箱的安全策略,再通过启动参数开启沙箱模式。这样就可以构造我们自己想要的沙箱效果了。
2. 限制访问网络
通过HttpClient访问www.baidu.com
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import com.taobao.cd.http.util.HttpUtil;
public class PolicyTest {
public static void network() {
try {
String text = HttpUtil.createHtmlText("http://www.baidu.com", HttpUtil.UA);
System.out.println(text);
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
// test use network.
network();
}
}
开启默认沙箱后,输出如下:
java.security.AccessControlException: access denied ("java.net.SocketPermission" "www.baidu.com" "resolve")
at java.security.AccessControlContext.checkPermission(Unknown Source) at java.security.AccessController.checkPermission(Unknown Source) at java.lang.SecurityManager.checkPermission(Unknown Source) at java.lang.SecurityManager.checkConnect(Unknown Source) at java.net.InetAddress.getAllByName0(Unknown Source) at java.net.InetAddress.getAllByName(Unknown Source) at java.net.InetAddress.getAllByName(Unknown Source) at org.apache.http.impl.conn.DefaultClientConnectionOperator.resolveHostname(DefaultClientConnectionOperator.java:242) at org.apache.http.impl.conn.DefaultClientConnectionOperator.openConnection(DefaultClientConnectionOperator.java:130) at org.apache.http.impl.conn.AbstractPoolEntry.open(AbstractPoolEntry.java:149) at org.apache.http.impl.conn.AbstractPooledConnAdapter.open(AbstractPooledConnAdapter.java:121) at org.apache.http.impl.client.DefaultRequestDirector.tryConnect(DefaultRequestDirector.java:573) at org.apache.http.impl.client.DefaultRequestDirector.execute(DefaultRequestDirector.java:425) at org.apache.http.impl.client.AbstractHttpClient.execute(AbstractHttpClient.java:820) at org.apache.http.impl.client.AbstractHttpClient.execute(AbstractHttpClient.java:754) at org.apache.http.impl.client.AbstractHttpClient.execute(AbstractHttpClient.java:732) at com.taobao.cd.http.util.HttpUtil.createHtmlText(HttpUtil.java:38) at com.taobao.cd.security.PolicyTest.network(PolicyTest.java:15) at com.taobao.cd.security.PolicyTest.main(PolicyTest.java:45)
根据错误提示,知道是访问socket没有权限。那么修改下policy,指定权限:
grant {
permission java.net.SocketPermission "www.baidu.com:1-", "connect,resolve";
};
在指定权限文件下再运行,得到了正常的text形式的baidu首页的页面文档。权限策略成功。
代码参考github:https://github.com/changedi/CDLib/blob/master/src/main/java/com/taobao/cd/security/PolicyTest.java
附录
A
权限名 | 用途说明 |
---|---|
accessClassInPackage.<name> | 允许代码访问指定包中的类 |
accessDeclaredMembers | 允许代码使用反射访问其他类中私有或保护的成员 |
createClassLoader | 允许代码实例化类加载器 |
createSecurityManager | 允许代码实例化安全管理器,它将允许程序化的实现对沙箱的控制 |
defineClassInPackage.<name> | 允许代码在指定包中定义类 |
exitVM | 允许代码关闭整个虚拟机 |
getClassLoader | 允许代码访问类加载器以获得某个特定的类 |
getProtectionDomain | 允许代码访问保护域对象以获得某个特定类 |
loadlibrary.<name> | 允许代码装载指定类库 |
modifyThread | 允许代码调整指定的线程参数 |
modifyThreadGroup | 允许代码调整指定的线程组参数 |
queuePrintJob | 允许代码初始化一个打印任务 |
readFileDescriptor | 允许代码读文件描述符(相应的文件是由其他保护域中的代码打开的) |
setContextClassLoader | 允许代码为某线程设置上下文类加载器 |
setFactory | 允许代码创建套接字工厂 |
setIO | 允许代码重定向System.in、System.out或System.err输入输出流 |
setSecurityManager | 允许代码设置安全管理器 |
stopThread | 允许代码调用线程类的stop()方法 |
writeFileDescriptor | 允许代码写文件描述符 |
B
权限名 | 用途说明 |
---|---|
accessClipboard | 允许访问系统的全局剪贴板 |
accessEventQueue | 允许直接访问事件队列 |
createRobot | 允许代码创建AWT的Robot类 |
listenToAllAWTEvents | 允许代码直接监听事件分发 |
readDisplayPixels | 允许AWT Robot读显示屏上的像素 |
showWindowWithoutWarningBanner | 允许创建无标题栏的窗口 |
C
权限名 | 用途说明 |
---|---|
specifyStreamHandler | 允许在URL类中安装新的流处理器 |
setDefaultAuthenticator | 可以安装鉴别类 |
requestPassworkAuthentication | 可以完成鉴别 |
D
权限名 | 用途说明 |
---|---|
addIdentityCertificate | 为Identity增加一个证书 |
clearProviderProperties.<provider name> | 针对指定的提供者,删除所有属性 |
createAccessControlContext | 允许创建一个存取控制器的上下文环境 |
getDomainCombiner | 允许撤销保护域 |
getPolicy | 检索可以实现沙箱策略的类 |
getProperty.<prop name> | 读取指定的安全属性 |
getSignerPrivateKey | 由Signer对象获取私有密钥 |
insertProvider.<provider name> | 将指定的提供者添加到响应的安全提供者组中 |
loadProviderProperties.<provider name> | 装载指定的提供者的属性 |
printIdentity | 打印Identity类内容 |
putAllProviderProperties.<provider name> | 更新指定的提供者的属性 |
putProviderProperty.<provider name> | 为指定的提供者增加一个属性 |
removeIdentityCertificate | 取消Identity对象的证书 |
removeProvider.<provider name> | 将指定的提供者从相应的安全提供者组中删除 |
removeProviderProperty.<provider name> | 删除指定的安全提供者的某个属性 |
setIdentityInfo | 为某个Identity对象设置信息串 |
setIdentityPublicKey | 为某个Identity对象设置公钥 |
setPolicy | 设置可以实现沙箱策略的类 |
setProperty.<prop name> | 设置指定的安全属性 |
setSignerKeyPair | 在Signer对象中设置密钥对 |
setSystemScope | 设置系统所用的IdentityScope |
E
权限名 | 用途说明 |
---|---|
enableSubstitution | 允许实现ObjectInputStream类的enableResolveObject()方法和ObjectOutputStream类的enableReplaceObject()方法 |
enableSubclassImplementation | 允许ObjectInputStream和ObjectOutputStream创建子类,子类可以覆盖readObject()和writeObject()方法 |
参考文献
- Java安全第二版 ↩