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可信前端之路-代码保护
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发表于: 2016-9-8 17:05
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作者：莫念@阿里安全
0x00 前言
在信息安全领域，可信系统（Trusted system）是一个让人心动的目标，它指的是一个通过实施特定的安全策略而达到一定可信程度的系统。
在计算机中，可信平台模块（Trusted Platform Module，TPM）已经投入使用，它符合可信赖计算组织（Trusted Computing Group，TCG）制定的TPM规范，是为了实现可信系统目标的而打造的一款安全芯片。作为可信系统的信任根，TPM是可信计算的核心模块，为计算机安全提供了强有力的保障。
而在我们的web系统中，想打造一个可信系统似乎是个伪命题，“永远不要相信客户端的输入”是基本的安全准则。实际上，在可信系统中的可信也并不是说真的是绝对安全，维基上对其的解释为：“可信的”（Trusted）未必意味着对用户而言是“值得信赖的”（Trustworthy）。确切而言，它意味着可以充分相信其行为会更全面地遵循设计，而执行设计者和软件编写者所禁止的行为的概率很低。
从这个角度讲，我们把其当做一个美好的愿景，我们希望能够构造一个web系统中的TPM，可以把恶意行为控制在一定的概率之内，从而实现一个相对可信的web系统。
0x01 可信前端
在可信系统中，TPM的一个重要作用就是鉴别消息来源的真实性，保障终端的可信。在web系统中，我们的消息来源就是用户。随着撞库、恶意注册、薅羊毛等产业的蓬勃发展，在越来越多的场景我们需要鉴别请求数据是否来自真实的用户，保护真实用户的数据安全。
所以想要构造一个web系统中的TPM，首要问题就是需要保证输入数据安全，打造一个相对可信的前端环境。但是由于web的开放特性，前端作为数据采集的最前线，js代码始终暴露在外，在这种情况下，防止恶意伪造请求变得非常困难，可信前端也就成了无稽之谈。
在反复对抗中，代码保护也就是通常意义上的js代码混淆的重要性逐渐彰显出来。今天我就想和大家聊一聊js混淆的问题。
1、为什么需要js混淆
显而易见，是为了保护我们的前端代码逻辑。
在web系统发展早期，js在web系统中承担的职责并不多，只是简单的提交表单，js文件非常简单，也不需要任何的保护。
随着js文件体积的增大，为了缩小js体积，加快http传输速度，开始出现了很多对js的压缩工具，比如 uglify、compressor、clouser。。。它们的工作主要是
· 合并多个js文件
· 去除js代码里面的空格和换行
· 压缩js里面的变量名
· 剔除掉注释
压缩后的代码
虽然压缩工具出发点都是为了减少js文件的体积，但是人们发现压缩替换后的代码已经比源代码可读性差了很多，间接起到了代码保护的作用，于是压缩js文件成为了前端发布的标配之一。但是后来市面上主流浏览器chrome、Firefox等都提供了js格式化的功能，能够很快的把压缩后的js美化，再加上现代浏览器强大的debug功能，单纯压缩过的js代码对于真正怀有恶意的人，已经不能起到很好的防御工作，出现了"防君子不防小人"的尴尬局面。
chrome开发者工具格式化之后的代码
而在web应用越来越丰富的今天，伴随着浏览器性能和网速的提高，js承载了更多的工作，不少后端逻辑都在向前端转移，与此同时也让更多的不法分子有机可乘。在web模型中，js往往是不法分子的第一个突破口。知晓了前端逻辑，不法分子可以模拟成一个正常的用户来实施自己的恶意行为。所以，在很多登录、注册、支付、交易等等页面中，关键业务和风控系统依赖的js都不希望被人轻易的破解，js混淆应运而生。
2、js混淆是不是纸老虎
这是一个老生常谈的问题。实际上，代码混淆早就不是一个新鲜的名词，在桌面软件时代，大多数的软件都会进行代码混淆、加壳等手段来保护自己的代码。Java和.NET都有对应的混淆器。黑客们对这个当然也不陌生，许多病毒程序为了反查杀，也会进行高度的混淆。只不过由于js是动态脚本语言，在http中传输的就是源代码，逆向起来要比打包编译后的软件简单很多，很多人因此觉得混淆是多此一举。
.NET混淆器dotFuscator
其实正是因为js传输的就是源代码，我们才需要进行混淆，暴露在外的代码没有绝对的安全，但是在对抗中，精心设计的混淆代码能够给破坏者带来不小的麻烦，也能够为防守者争取更多的时间，相对于破解来说，混淆器规则的更替成本要小得多，在高强度的攻防中，可以大大增加破解者的工作量，起到防御作用。从这个角度来讲，关键代码进行混淆是必不可少的步骤。
3、如何进行js混淆
js混淆器大致有两种：
· 通过正则替换实现的混淆器
· 通过语法树替换实现的混淆器
第一种实现成本低，但是效果也一般，适合对混淆要求不高的场景。第二种实现成本较高，但是更灵活，而且更安全，更适合对抗场景，我这里主要讲一下第二种。基于语法层面的混淆器其实类似于编译器，基本原理和编译器类似，我们先对编译器做一些基本的介绍。
名词解释
token: 词法单元，也有叫词法记号的，词法分析器的产物，文本流被分割后的最小单位。
AST: 抽象语法树，语法分析器的产物，是源代码的抽象语法结构的树状表现形式。
编译器VS混淆器
编译器工作流程
简单的说，当我们读入一段字符串文本（source code），词法分析器会把它拆成一个一个小的单位（token），比如数字1 是一个token, 字符串'abc'是一个token等等。接下来语法分析器会把这些单位组成一颗树状结构（AST），这个树状结构就代表了token们的组成关系。比如 1 + 2 就会展示成一棵加法树，左右子节点分别是token - 1 和token - 2 ，中间token表示加法。编译器根据生成的AST转换到中间代码，最终转换成机器代码。
对编译器更多细节感兴趣的同学可以移步龙书：编译原理
混淆器工作流程
编译器需要把源代码编译成中间代码或者机器码，而我们的混淆器输出其实还是js。所以我们从语法分析之后往下的步骤并不需要。想想我们的目标是什么，是修改原有的js代码结构，在这里面这个结构对应的是什么呢？就是AST。任何一段正确的js代码一定可以组成一颗AST，同样，因为AST表示了各个token的逻辑关系，我们也可以通过AST反过来生成一段js代码。所以，你只需要构造出一颗AST，就能生成任何js代码！混淆过程如上右图所示
通过修改AST生成一个新的AST，新的AST就可以对应新的JavaScript代码。
规则设计
知道了大致的混淆流程，最重要的环节就是设计规则。我们上面说了，我们需要生成新的AST结构意味着会生成和源代码不一样的js代码，但是我们的混淆是不能破坏原有代码的执行结果的，所以混淆规则必须保证是在不破坏代码执行结果的情况下，让代码变得更难以阅读。
具体的混淆规则各位可以自行根据需求设计，比如拆分字符串、拆分数组，增加废代码等等。
参考：提供商业混淆服务的jscramble的混淆规则
实现
很多人看到这里就望而却步，因为词法分析和文法分析对编译原理要求较高。其实这些现在都有工具可以帮助搞定了，借助工具，我们可以直接进行最后一步，对AST的修改。
市面上JavaScript词法和文法分析器有很多，比如其实v8就是一个，还有mozilla的SpiderMonkey, 知名的esprima等等，我这里要推荐的是uglify，一个基于nodejs的解析器。它具有以下功能：
· parser，把 JavaScript 代码解析成抽象语法树
· code generator，通过抽象语法树生成代码
· scope analyzer，分析变量定义的工具
· tree walker，遍历树节点
· tree transformer，改变树节点
对比下我上面给出的混淆器设计的图，发现其实只需要修改语法树 这一步自己完成。
实例
说了这么多，可能很多人还是一头雾水，为了帮助各位理解，我准备了一个简单的例子，假设我们的混淆规则是想把 var a = 1; 中的数字1换成16进制，我们该如何设计混淆器呢。首先对源代码做词法分析和语法分析，uglify一个方法就搞定了，生成一颗语法树，我们需要做的就是找到语法树中的数字然后修改成16进制的结果，如下图所示：
实例代码:
var UglifyJS = require("uglify-js");
var code = "var a = 1;";
var toplevel = UglifyJS.parse(code); //toplevel就是语法树
var transformer = new UglifyJS.TreeTransformer(function (node) {
if (node instanceof UglifyJS.AST_Number) { //查找需要修改的叶子节点
node.value = '0x' + Number(node.value).toString(16);
return node; //返回一个新的叶子节点 替换原来的叶子节点
};
});
toplevel.transform(transformer); //遍历AST树
var ncode = toplevel.print_to_string(); //从AST还原成字符串
console.log(ncode); // var a = 0x1;
上面的代码很简单，首先通过parse方法构建语法树，然后通过TreeTransformer遍历语法树，当遇到节点属于UglifyJS.AST_Number类型（所有的AST类型见ast）,这个token具有一个属性 value 保存着数字类型的具体值，我们将其改成16进制表示，然后 return node 就会用新的节点代替原来的节点。
效果展示
贴一个我自己设计的混淆器混淆前后代码：
4、混淆对性能的影响
由于增加了废代码，改变了原有的AST，混淆对性能肯定会造成一定的影响，但是我们可以通过规则来控制影响的大小。
· 减少循环混淆，循环太多会直接影响代码执行效率
· 避免过多的字符串拼接，因为字符串拼接在低版本IE下面会有性能问题
· 控制代码体积，在插入废代码时应该控制插入比例，文件过大会给网络请求和代码执行都带来压力
我们通过一定的规则完全可以把性能影响控制在一个合理的范围内，实际上，有一些混淆规则反而会加快代码的执行，比如变量名和属性名的压缩混淆，会减小文件体积，比如对全局变量的复制，会减少作用域的查找等等。在现代浏览器中，混淆对代码的影响越来越小，我们只需要注意合理的混淆规则，完全可以放心的使用混淆。
5、混淆的安全性
混淆的目的是保护代码，但是如果因为混淆影响了正常功能就舍本逐末了。
由于混淆后的AST已经和原AST完全不同了，但是混淆后文件的和原文件执行结果必须一样，如何保证既兼顾了混淆强度，又不破坏代码执行呢？高覆盖的测试必不可少：
· 对自己的混淆器写详尽的单元测试
· 对混淆的目标代码做高覆盖的功能测试，保证混淆前后代码执行结果完全一样
· 多样本测试，可以混淆单元测试已经完备了的类库，比如混淆 Jquery 、AngularJS 等，然后拿混淆后的代码去跑它们的单元测试，保证和混淆前执行结果完全一样
0x02 总结
· 可信web系统是我们的愿景
· 可信web系统离不开可信的前端环境
· js混淆在对抗中必不可少
· 实现一款自己的混淆器并没有那么难
· 混淆器对性能的影响是可控的
0x03 参考
https://en.wikipedia.org/wiki/Trusted_Platform_Module
https://en.wikipedia.org/wiki/Trusted_system
http://lisperator.net/uglifyjs
http://esprima.org
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