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Java内存攻击技术漫谈（上）

2021-08-20 分类：知识库 / 漏洞分析 阅读(2005) 评论(0)

作者：rebeyond

前言

Java技术栈漏洞目前业已是web安全领域的主流战场，随着IPS、RASP等防御系统的更新迭代，Java攻防交战阵地已经从磁盘升级到了内存里面。在今年7月份上海银针安全沙龙上，我分享了《Java内存攻击技术漫谈》的议题，个人觉得PPT承载的信息比较离散，技术类的内容还是更适合用文章的形式来分享，所以一直想着抽时间写一篇和议题配套的文章，不巧赶上南京的新冠疫情，这篇文章拖了一个多月才有时间写。

allowAttachSelf绕过

Java的instrument是Java内存攻击常用的一种机制，instrument通过attach方法提供了在JVM运行时动态查看、修改Java类的功能，比如通过instrument动态注入内存马。但是在Java9及以后的版本中，默认不允许SelfAttach：

Attach API cannot be used to attach to the current VM by default 

The implementation of Attach API has changed in JDK 9 to disallow attaching to the current VM by default. This change should have no impact on tools that use the Attach API to attach to a running VM. It may impact libraries that misuse this API as a way to get at the java.lang.instrument API. The system property jdk.attach.allowAttachSelf may be set on the command line to mitigate any compatibility with this change.

也就是说，系统提供了一个jdk.attach.allowAttachSelf的VM参数，这个参数默认为false，且必须在Java启动时指定才生效。

编写一个demo尝试attach自身PID，提示Can not attach to current VM，如下：
640.png
经过分析attch API的执行流程，定位到如下代码：
640-1.png
由上图可见，attach的时候会创建一个HotSpotVirtualMachine的父类，这个类在初始化的时候会去获取VM的启动参数，并把这个参数保存至HotSpotVirtualMachine的ALLOW_ATTACH_SELF属性中，恰好这个属性是个静态属性，所以我们可以通过反射动态修改这个属性的值。构造如下POC：

    Class cls=Class.forName("sun.tools.attach.HotSpotVirtualMachine");
    Field field=cls.getDeclaredField("ALLOW_ATTACH_SELF");
    field.setAccessible(true);
    Field modifiersField=Field.class.getDeclaredField("modifiers");
    modifiersField.setInt(field,field.getModifiers()&~Modifier.FINAL);
    field.setBoolean(null,true);

由于ALLOW_ATTACH_SELF字段有final修饰符，所以在修改ALLOW_ATTACH_SELF值的同时，也需要把它的final修饰符给去掉（修改的时候，会有告警产提示，不影响最终效果，可以忽略）。修改后，可以成功attach到自身进程，如下图：
640-2.png
640.png
这样，我们就成功绕过了allowAttachSelf的限制。

内存马防检测

随着攻防热度的升级，内存马注入现在已经发展成为一个常用的攻击技术。目前业界的内存马主要分为两大类：

  • Agent型
    利用instrument机制，在不增加新类和新方法的情况下，对现有类的执行逻辑进行修改。JVM层注入，通用性强。
  • 非Agent型
    通过新增一些Java web组件（如Servlet、Filter、Listener、Controller等）来实现拦截请求，从而注入木马代码，对目标容器环境有较强的依赖性，通用性较弱。
    由于内存马技术的火热，内存马的检测也如火如荼，针对内存马的检测，目前业界主要有两种方法：
  • 基于反射的检测方法
    该方法是一种轻量级的检测方法，不需要注入Java进程，主要用于检测非Agent型的内存马，由于非Agent型的内存马会在Java层新增多个类和对象，并且会修改一些已有的数组，因此通过反射的方法即可检测，但是这种方法无法检测Agent型内存马。
  • 基于instrument机制的检测方法
    该方法是一种通用的重量级检测方法，需要将检测逻辑通过attach API注入Java进程，理论上可以检测出所有类型的内存马。当然instrument不仅能用于内存马检测，java.lang.instrument是Java 1.5引入的一种可以通过修改字节码对Java程序进行监测的一种机制，这种机制广泛应用于各种Java性能检测框架、程序调试框架，如JProfiler、IntelliJ IDE等，当然近几年比较流行的RASP也是基于此类技术。
    既然通过instrument机制能检测到Agent型内存马，那我们怎么样才能避免被检测到呢？答案比较简单，也比较粗暴，那就是把instrument机制破坏掉。这也是在冰蝎3.0中内存马防检测机制的实现原理，检测软件无法attach，自然也就无法检测。

首先，我们先分析一下instrument的工作流程，如下图：
640.png
1.检测工具作为Client，根据指定的PID，向目标JVM发起attach请求；
2.JVM收到请求后，做一些校验（比如上文提到的jdk.attach.allowAttachSelf的校验），校验通过后，会打开一个IPC通道。
3.接下来Client会封装一个名为AttachOperation的C++对象，发送给Server端；
4.Server端会把Client发过来的AttachOperation对象放入一个队列；
5.Server端另外一个线程会从队列中取出AttachOperation对象并解析，然后执行对应的操作，并把执行结果通过IPC通道返回Client。
由于该套流程的具体实现在不同的操作系统平台上略有差异，因此接下来我分平台来展开。

windows平台

通过分析定位到如下关键代码：
640.png
可以看到当var5不等于0的时候，attach会报错，而var5是从var4中读取的，var4是execute的返回值，跟入execute，如下：
640-1.png
可以看到，execute方法又把核心工作交给了方法enqueue，这个方法是一个native方法，如下图：
640.png
继续跟入enqueue方法：
640-1.png
可以看到enqueue中封装了一个DataBlock对象，里面有几个关键参数:

strcpy(data.jvmLib, "jvm");
strcpy(data.func1, "JVM_EnqueueOperation");
strcpy(data.func2, "_JVM_EnqueueOperation@20");

以上操作都发生在Client侧，接下来我们转到Server侧，定位到如下代码：
640.png
这段代码是把Client发过来的对象进行解包，然后解析里面的指令。经常写Windows shellcode的人应该会看到两个特别熟悉的API：GetModuleHandle、GetProcAddress，这是动态定位DLL中导出函数的常用API。这里的操作就是动态从jvm.dll中动态定位名称为JVM_EnqueueOperation和_JVM_EnqueueOperation@20的两个导出函数，这两个函数就是上文流程图中将AttachOperation对象放入队列的执行函数。

到这里我想大家应该知道接下来该怎么做了，那就是inlineHook。我们只要把jvm.dll中的这两个导出函数给NOP掉，不就可以成功把instrument的流程给破坏掉了么？

静态分析结束了，接下来动态调试Server侧，定位到如下位置：
640.png
图中RIP所指即为JVM_EnqueueOperation函数的入口，我们只要让RIP执行到这里直接返回即可：
640-1.png
怎么修改呢？当然是用JNI，核心代码如下

unsigned char buf[]="\xc2\x14\x00"; //32,direct return enqueue function
HINSTANCE hModule = LoadLibrary(L"jvm.dll");
//LPVOID dst=GetProcAddress(hModule,"ConnectNamedPipe");
LPVOID dst=GetProcAddress(hModule,"_JVM_EnqueueOperation@20");
DWORD old;
if (VirtualProtectEx(GetCurrentProcess(),dst, 3, PAGE_EXECUTE_READWRITE, &old)){
WriteProcessMemory(GetCurrentProcess(), dst, buf, 3, NULL);
VirtualProtectEx(GetCurrentProcess(), dst, 3, old, &old);
}

/*unsigned char buf[]="\xc3"; //64,direct return enqueue function
HINSTANCE hModule = LoadLibrary(L"jvm.dll");
//LPVOID dst=GetProcAddress(hModule,"ConnectNamedPipe");
LPVOID dst=GetProcAddress(hModule,"JVM_EnqueueOperation");
//printf("ConnectNamedPipe:%p",dst);
DWORD old;
if (VirtualProtectEx(GetCurrentProcess(),dst, 1, PAGE_EXECUTE_READWRITE, &old)){
WriteProcessMemory(GetCurrentProcess(), dst, buf, 1, NULL);
VirtualProtectEx(GetCurrentProcess(), dst, 1, old, &old);
}*/

注意这里要考虑32位和64位的区别，同时要注意堆栈平衡，否则可能会导致进程crash。到此，我们就实现了Windows平台上的内存马防检测（Anti-Attach）功能，我们尝试用JProfiler连接试一下，可见已经无法attach到目标进程了：
640.png
以上即是Windows平台上的内存马防检测功能原理。

Linux平台

在Linux平台，instrument的实现略有不同，通过跟踪整个流程定位到如下代码：
640.png
可以看到，在Linux平台上，IPC通信采用的是UNIX Domain Socket，因此想破坏Linux平台下的instrument attach流程还是比较简单的，只要把对应的UNIX Domain Socket文件删掉就可以了。删掉后，我们尝试对目标JVM进行attach，便会提示无法attach：
640.png
到此，我们就实现了Linux平台上的内存马防检测（Anti-Attach）功能，当然其他*nix-like的操作系统平台也同样适用于此方法。

最后说一句，内存马防检测，其实可以在上述instrument流程图中的任意一个环节进行破坏，都可以实现Anti-Attach的效果。

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标签：java

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