JavaScriptのシャドウレルムを利用したセキュアなサンドボックス化の探求

はじめに

Web開発の複雑な世界では、JavaScriptはダイナミックでインタラクティブなユーザーエクスペリエンスを可能にする上で、依然として最高峰に位置しています。しかし、大きな力には大きな責任が伴い、開発者が直面する永続的な課題の1つは、特にサードパーティコードを統合したり、ユーザー定義スクリプトを処理したりする際に、安全で安定した実行環境を維持することです。従来のほとんどのアプローチは、<iframe>要素やWeb Workersを利用しますが、それぞれにオーバーヘッド、通信の複雑さ、真の分離に関して独自の制約があります。信頼できないJavaScriptコードをメインアプリケーションスレッド内で直接実行できるのに、グローバル状態を妨害したり、DOMを変更したり、機密データにアクセスしたりできないことを絶対に確信できるシナリオを想像してみてください。この野心的な目標は、ECMAScript標準の画期的な提案であるShadow Realms APIのおかげで、手の届くところにあるようです。この記事では、Shadow Realmsエキサイティングな可能性を掘り下げ、そのアーキテクチャ、実用的なユーティリティ、そして安全なJavaScriptサンドボックス化にどのように革命をもたらすかを探ります。

Shadow Realmsの理解

Shadow Realmsの実情に入る前に、いくつかの重要な概念について共通の理解を確立しましょう。

• レルム（Realm）: JavaScriptにおいて、レルムは完全で独立した実行環境を表します。各レルムは独自のグローバルオブジェクト、固有オブジェクト（Object、Array、Functionなど）、そして明確に区別されたグローバル変数のセットを持っています。デフォルトでは、Webページは単一のレルムで実行されます。<iframe>要素やWeb Workersは偶然に新しいレルムを作成しますが、それらはかなりの通信オーバーヘッドと異なる実行コンテキスト（Web Workersの場合は異なるイベントループ、<iframe>の場合は別個のブラウジングコンテキスト）を伴います。
• サンドボックス（Sandbox）: サンドボックスは、実行中のプログラムを分離するためのセキュリティメカニズムであり、通常はメインシステムへの干渉を防ぐためにそれらを隔離することによって実現されます。JavaScriptのコンテキストでは、サンドボックスは信頼できないコードのホスト環境へのアクセスを制限し、悪意のあるアクションや意図しない副作用を防ぐことを目的としています。
• シャドウレルム（Shadow Realm）: シャドウレルムは、分離のために設計された特別な種類のレルムです。他のレルム作成メカニズムとは異なり、シャドウレルムは、親レルムのグローバルオブジェクトと固有オブジェクトを厳密に分離しながらも、親レルムと同じ実行コンテキスト（同じイベントループ）に緊密に統合されるように設計されています。これにより、<iframe>やWeb Workersよりも低遅延の通信とより効率的なリソース共有が可能になり、依然として堅牢なセキュリティ境界を提供します。

Shadow Realmsの背後にあるコア原則は、親レルムのグローバル状態から完全に分離された、新しく純粋なJavaScript実行環境を作成することです。シャドウレルムを作成すると、新しいグローバルオブジェクト（globalThis）、新しい組み込みオブジェクトのセット、そして完全に空のスコープが得られます。これは、シャドウレルム内で実行されるコードが、直接親レルムに定義された変数や関数にアクセスしたり、変更したりすることはできず、親のDOMや明示的に公開されていないその他のブラウザAPIを改ざんすることもできないことを意味します。

シャドウレルムの作成と相互作用を実証する基本的な例を見てみましょう。

// 親レルム（メインスクリプト）にて

// 新しいShadow Realmインスタンスを作成
const sr = new ShadowRealm();

// 親レルムで関数を定義
const parentFunction = () => "Hello from the parent!";

// Shadow Realm内でコードを実行しようと試みる
try {
  // 'evaluate'を使用して、Shadow Realmでコード文字列を実行する
  const result = sr.evaluate(`
    // 'window'や'document'は、importValue/exportValueを介して明示的に公開されない限り、
    // ここでは直接アクセスできません。
    const shadowFunction = () => "Hello from the Shadow Realm!";
    
    // parentFunctionに直接アクセスできません。
    // console.log(parentFunction()); // インポートされない場合、これはエラーをスローします。
    
    shadowFunction();
  `);
  console.log("Result from Shadow Realm evaluation:", result); // 出力: Hello from the Shadow Realm!

  // ここでimportValue/exportValueを使用した相互作用を実証しましょう。
  const exportedValue = sr.evaluate(`
    (() => {
      // Shadow Realm内で関数を作成する
      const greet = (name) => 
      `
        Hi, 
        ${name} from Shadow! 
      `
      ;
      return greet;
    })()
  `);

  // 親レルムにインポートした関数
  const shadowGreet = sr.importValue(exportedValue);
  console.log("Called imported function:", shadowGreet("Alice")); // 出力: Called imported function: Hi, Alice from Shadow!

  // 親レルムの関数をShadow Realmにエクスポートする
  const parentLogger = (message) => console.log(`Parent log: 
${message}`);
  sr.exportValue(parentLogger, 'logToParent');

  sr.evaluate(`
    // エクスポートされた'logToParent'関数を取得します。
    const logger = import 'logToParent' from 'shadowrealm';
    logger('This message came from the Shadow Realm!');
  `);
  // 親コンソールへの出力: Parent log: This message came from the Shadow Realm!

} catch (error) {
  console.error("Error in Shadow Realm:", error);
}

// 親からShadow Realmの関数に直接アクセスしようと試みる（失敗します）。
// console.log(sr.shadowFunction()); // ReferenceError: shadowFunction is not defined

この例では、new ShadowRealm()は分離された環境を作成します。evaluate()メソッドはその環境内でJavaScriptコードの文字列を実行し、その戻り値は親レルムに安全にマーシャリングされます。特に、importValue()とexportValue()のようなメソッドは、値（関数やオブジェクトを含む）の交換のための制御されたメカニズムを提供し、開発者が必要なものだけを注意深く公開することを可能にし、セキュリティリスクを軽減します。値が交換されるとき、それらはプリミティブであれば「コピーによる転送」、オブジェクトであれば「プロキシによる転送」されます。これにより、あるレルムが別のレルムのオブジェクトを直接変更することを防ぎます。

Shadow Realmsの主な機能と利点:

• 強力な分離: 各Shadow Realmは独自のグローバルオブジェクトと固有オブジェクトを持ち、グローバルスコープの汚染や親レルムへの直接的な干渉を防ぎます。
• 同一スレッド実行: Web Workersとは異なり、Shadow Realmsは親と同じスレッドで実行されるため、同期的なevaluate()呼び出しが可能になり、異なるスレッド間のメッセージパッシングのオーバーヘッドを回避します。
• 制御された通信: importValue()とexportValue()メソッドは、値の交換のための定義済みのチャネルを提供し、開発者が必要なものだけを注意深く公開することを可能にし、セキュリティリスクを軽減します。
• リソース効率: 同じイベントループとメモリ領域（グローバルオブジェクトを除く）を共有することは、通常、<iframe>と比較してリソース消費が少なくなります。
• 決定論的な状態: 各Shadow Realmは、新しくクリーンな状態から開始するため、予測可能な結果で信頼できないコードを実行するのに理想的です。

アプリケーションシナリオ:

Shadow Realmsの潜在的なアプリケーションは広範かつ影響力があります。

1. プラグインおよびウィジェットシステム: サードパーティプラグインは、カスタムJavaScriptを実行する機能が必要なことがよくあります。Shadow Realmsはこれらのプラグインを分離された状態で実行でき、アプリケーションのコアロジックや機密データへのアクセスや損傷を防ぎます。
2. ユーザー提供コードの実行: ユーザーがコードを記述・実行できるプラットフォーム（オンラインIDE、競技プログラミングサイトなど）は、サーバーや他のユーザーのセッションを危険にさらすことなく、Shadow Realmsを使用して提出されたコードを安全に実行できます。
3. セキュリティ監査のためのコードサンドボックス化: 潜在的に脆弱なコードスニペットや依存関係分析をShadow Realmで実行すると、「サプライチェーン攻撃」やセキュリティエクスプロイトのメインアプリケーションへの影響を防ぐことができます。
4. 実行時コード評価: ユーザーが変更したコードをページをリフレッシュしたりグローバル状態の破損を危険にさらしたりすることなく即座に実行する必要がある「ライブエディター」機能を想像してみてください。Shadow Realmsはそれに完全に適合します。
5. マイクロフロントエンドおよびコンポーネント分離: より大規模なマイクロフロントエンドアーキテクチャは、ルーティングやより広範な分離のために<iframe>の恩恵を受けるかもしれませんが、単一ページアプリケーション内の個々のコンポーネントまたは小規模で信頼できないモジュールは、よりタイトで効率的な分離のためにShadow Realmsを活用できます。

より実用的なユースケースを説明しましょう。悪意のあるコードまたはバグのあるコードが含まれている可能性のあるユーザー定義スクリプトを実行します。

// 親レルム（例：Webアプリケーション）にて

const userScriptInput = `
  // これはユーザーによって提供された、潜在的に信頼できないスクリプトです。
  // ドキュメントや他のグローバルに直接アクセスしようとするかもしれません。
  // それを防ぎたいのです。

  // 親のDOMを変更しようと試みる（失敗します）。
  // document.body.innerHTML = '<h1>Hacked!</h1>'; 

  // 親のグローバルにアクセスしようと試みる（失敗します）。
  // alert('You are being phished!'); 

  // いくつかの安全な機能性を定義します。
  function calculateSquare(num) {
    return num * num;
  }

  // 安全な関数をエクスポートします。
  return calculateSquare;
`;

const sandboxUserCode = async (codeString) => {
  const sr = new ShadowRealm();

  try {
    // ユーザーのスクリプトを評価します。
    const userFunctionHandle = await sr.evaluate(codeString);

    // 親レルムにインポートした関数。
    const safeUserFunction = await sr.importValue(userFunctionHandle);

    // これで、ユーザーの関数を安全に呼び出すことができます。
    const result = safeUserFunction(5);
    console.log("User script calculated square:", result); // 出力: User script calculated square: 25

    // スクリプトがDOMに触れることができなかったことを証明します。
    console.log("Parent's document.body still intact:", document.body.innerHTML.includes('<h1>Hacked!</h1>') ? 'NO' : 'YES');

  } catch (error) {
    console.error("Error executing user script:", error);
    // サンドボックス化エラーを適切に処理します。
  }
};

sandboxUserCode(userScriptInput);

この例では、ユーザーのスクリプトはShadow Realmで実行されます。userScriptInput内から直接documentまたはwindowにアクセスしようとする試みは、それらのオブジェクトが親レルムのグローバルスコープに属し、Shadow Realmは独自の、異なるグローバルを持つため、エラーまたはundefinedになります。sr.importValue()を介して明示的に返され、インポートされた値のみが親と相互作用でき、堅牢なセキュリティ境界を提供します。

結論

Shadow Realms APIは、安全で、堅牢で、パフォーマンスの高いWebアプリケーションを開発するためのJavaScriptの機能において、大きな進歩を表しています。同じスレッド内で真に隔離された実行環境を作成するための強力なメカニズムを提供することにより、信頼できないコードのサンドボックス化と複雑なアプリケーションアーキテクチャの管理における長年の課題に対処します。ブラウザがこの提案を引き続き採用するにつれて、開発者はセキュリティ、モジュール性、そして全体的な安定性を強化するための貴重なツールを得るでしょう。Shadow Realmsは、開発者が多様なコードを自信を持って統合することを可能にし、安全でコンポーザブルなJavaScriptの新時代をもたらします。