Tomcat容器攻防笔记之Filter内存马
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背景：
基于现阶段红蓝对抗强度的提升，诸如WAF动态防御、态势感知、IDS恶意流量分析监测、文件多维特征监测、日志监测等手段，能够及时有效地检测、告警甚至阻断针对传统通过文件上传落地的Webshell或需以文件形式持续驻留目标服务器的恶意后门。
近几年来，反序列化漏洞的盛行一时，由于其天然的编码非明文属性，对绕过多种安全检测手段颇有效果，结合当下形势，对Tomcat容器如何利用过滤器实现无文件落地的内存Webshell进行研究学习。
声明 ：
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概念：
援引官方文档对于javax.servlet.Filter接口的描述，针对Filter进行以下几点阐述：
图1 Filter接口描述
一、Filter是什么?
“A filter is an object that performs filtering tasks on either the request to a resource (a servlet or static content), or on the response from a resource, or both.”
Filter也称过滤器，是针对访问Servlet、静态资源的请求或响应进行过滤操作的对象。
二、Filter如何被创建？
“Filters are configured in the deployment descriptor of a web application.”
Filter可在/WEB-INF/web.xml文件中进行配置:
Filter-name:过滤器名称
Filter-class:过滤器类名
Url-pattern:匹配请求路径的模式
图2 Filter配置
三、Filter在Tomcat处理请求响应的流程中，处于哪个环节？
首先对Tomcat处理请求的流程进行了解：
图3 Server架构
图4 Server.xml配置文件
在Tomcat中，最顶层的容器是Server，一个Tomcat仅有一个Server，指代整个Web服务器。
Server当中，包含了多个Service用以提供具体的服务。
Service当中，又包含了多个Connector以及Container组件。
图5 Connector架构
图6 Connector配置细节
Connector，也称为连接器，用于接受请求并将请求封装成Request和Response对象。
在Connector中，包含了多个组件，不同的ProtocolHandler对应不同的协议解析，并以单独一个Connector形式存在，在server.xml配置文件当中，默认存在处理HTTP/1.1协议的Connector，除此之外，Tomcat还在注释中提供了处理AJP/1.3协议、SSL/TLS HTTP/1.1协议的Connector。（图6标签中protocol的值代表用于解析请求协议）
ProtocolHandler组件中，又包含了三个组件：
Endpoint：负责处理底层Socket的网络连接，读取请求的字节码，实现TCP/IP协议
Aceptor：用于监听请求
Handler：用于处理接收到的Socket流，并随后调用Processor进行处理
AsyncTimeout：用于检查异步Request的超时
Processor：负责完成应用层的协议如HTTP/1.1、AJP/1.3的解析工作
Adaptor：负责将解析后的org.apache.coyote.Request对象或Response对象，适配为可供Container调用的继承了ServletRequest接口、ServletResponse接口的对象。
请求经Connector处理完毕后，传递给Container进行处理：
图7 Engine架构
图8 Engine配置细节
在Engine当中，存在以下几个逐层包含的组件：
Host：代表一个虚拟主机
Context：代表Webapps（默认应用文件夹，可更改)里单独某个Web应用，与/WEB-INF/web.xml相对应
Wrapper：每个Wrapper中封装了一个Servlet
我们可以在配置文件中窥探出Tomcat架构其一角，Engine可拥有多个Host，代表不同的虚拟主机，使得Tomcat具备承担多个域名服务的能力，图8标签中的”appBase”指代放置Web应用项目的文件夹名称，”autoDeploy”指代是否开启WAR包的自动装配功能
图9 PipeLine处理流程
在Container中，使用PipeLine-Value管道的方式处理请求，包含以下四个子容器：
StandardEngineValue --> StandardHostValue --> StandardContextValue --> StandardWrapperValue
当执行到最后的StandardWrapperValue时，将通过ApplicationFilterFactory对象的createFilterChain()方法，创建FilterChain(过滤链)，并调用FilterChain.doFilter()方法，对请求进行过滤操作。
图10 createFilterChain()方法
综上所述，当客户端发起请求后，首先来到Connector组件，完成底层TCP/IP协议、应用层协议的解析工作，生成org.apache.coyote.Request对象，并将请求路径、请求头部、请求参数等数据保存其中，随后通过Adaptor组件适配为继承了javax.servlet.ServletRequest接口的Request对象，根据请求信息交由对应的域名(Host)、对应的Context(Web应用程序)、对应的Wrapper(Filter过滤链和Servlet)进行处理并响应，当响应处理完成后，最终交由Connector返回给客户端。
以上概念及流程叙述完毕，话不多说，开启IDEA调试跟我一起看看代码细节。
四、Filter实例及其映射存储在何处？
是否记得在第二点”Filter如何被创建”中所提及的，Filter一般在web.xml中进行配置，而继承了org.apache.cataline.Context接口的org.apache.catalina.core.StandardContext容器类负责存储整个Web应用程序的数据和对象，并加载了web.xml中配置的多个Servlet、Filter对象以及它们的映射关系，因而我们可以从StandardContext容器类中着手。
跟进StandardContext容器类的代码可以发现，与Filter有关的成员变量有以下三个：
private HashMap<String, ApplicationFilterConfig> filterConfigs = new HashMap();
filterConfigs 变量存储了filter名称与相应的ApplicationFilterConfig对象，在ApplicationFilterConfig对象中则存储了Filter实例以及该实例在web.xml中的注册信息
图11 ApplicationFilterConfig类
private HashMap<String, FilterDef> filterDefs = new HashMap();
filterDefs 变量存储了filter名称与相应FilterDef的对象，而FilterDef对象则存储了Filter包括名称、描述、类名、Filter实例在内等与filter自身相关的数据
图12 FilterDef类
private final StandardContext.ContextFilterMaps filterMaps = new StandardContext.ContextFilterMaps();
图13 filterMaps集合
filterMaps 中的FilterMap则记录了不同filter与UrlPattern的映射关系
小结一下：
filterMaps变量：含有所有filter的URL映射关系
filterDefs变量： 含有所有filter包括实例在内等变量
filterConfigs 变量：含有所有与filter对应的filterDef信息及filter实例，并对filter进行管理
五、FilterChain过滤链的创建及调用过程？
续接上述内容，我们来看
org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain#createFilterChain()，FilterChain的创建过程。
图14 createFilterChain()方法入口
图15 createFilterChain()方法细节
获取StandardContext对象，关键部分在第二红框内，遍历StandardContext.filterMaps得到filter与URL的映射关系并通过matchDispatcher()、matchFilterURL()方法进行匹配，匹配成功后，还需判断StandardContext.filterConfigs中，是否存在对应filter的实例，当实例不为空时通过addFilter方法，将管理filter实例的filterConfig添加入filterChain对象中。
图16 调用过滤链
当遍历结束后，返回filterChain对象至StandardWrapperValue实例，并调用filterChain.doFilter()方法，对请求或响应进行过滤操作。
六、Filter内存马的注入
花了老半天功夫终于来到了最关心的地方。经过一系列分析，得知createFilterChain()通过遍历filterMaps，根据请求的URL在filterMaps中匹配filter，并在filterConfigs中找到filter的实例，最终创建filterChain。因此，我们只需要向StandardContext实例的filterMaps、filterDefs、filterConfigs中添加恶意Filter相关参数，即可完成Filter马的注入。
借鉴于potatso前辈《tomcat结合shiro无文件webshell的技术研究以及检测方法》
1.编写恶意Filter类，转化为字节码并进行Base64编码（java8后提供java.util.Base64）
import javax.servlet.*;
2.注入恶意Filter类
获取ClassLoader实例，并通过反射得到ClassLoader类的defineClass()方法，将传入的恶意Filter类字节码，转化为Class注入至目标环境
图17 java.lang.ClassLoader#defineClass()
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3.获取StandardContext实例
借鉴于Litch1前辈《Tomcat的一种通用回显方法研究》
图18 StandardContext实例存储位置信息
org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase webappClassLoaderBase = (org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase) Thread.currentThread().getContextClassLoader();
4.向filterMaps添加url映射关系
图19 StandardContext#addFilterMap及addFilterDef方法
在standardContext类中已提供addFilterMap方法，同时关注到this.validateFilterMap()方法，跟进查看
图20 validateFilterMap()方法细节
该方法会在当前standardContext实例中的filterDefs检查是否存在所添加的filterName，因此我们需先往standardContext.filterDefs中添加我们的filterDef，standardContext类提供了addFilterDef方法可供调用。
// 添加filterDef，先前已注入恶意Filter类，可调用Class.forName()获取
图21 FilterMap#setFilterName及addURLPattern方法
5.实例化ApplicationFilterConfig，向filterConfigs添加<String, ApplicationFilterConfig>
图22 ApplicationFilterConfig类
图23 filterConfigs变量
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6.注入完成后，验证Filter内存马
图24 whoami命令
图25 netstat命令
末言：
以上获取StandardContext实例的方法不适用于Tomcat7。利用反序化漏洞、代码执行漏洞、文件上传漏洞，完成Filter内存马的注入后，可结合其他攻击手法如采用冰蝎的AES动态加密Webshell、使用伪造的HTTPS证书进行流量加密或自定义编解码方式，进而达到流量混淆规避监测等效果。然一法通，万剑归宗，在设计理念和架构思想较为统一的情况下，可利用该思路扩展Tomcat容器甚至其他Web容器、框架的攻防方法。以上行文，难免存在谬误，后续将逐渐完善，整合和分析更多的Tomcat容器攻防方式。
