详解Java自动代码审计工具实现 |

基于GadgetInspecror原理实现的自动代码审计工具，实现了可控参数判断和数据流分析等难点

该文章首发于跳跳糖：https://tttang.com/archive/1334/

本文略有删改

0x01 背景

之前在先知社区写过相关的文章：https://xz.aliyun.com/t/10433

文章过于粗糙，一些基础原理和细节问题没有谈明白

所以再写一篇文章做更完善的分析

0x02 数据流分析

静态分析理论中的数据流分析，通过算法得到Basic Block进而建立Control Flow Graph后，根据传递函数迭代生成每个Basic Block的in/out集直到不再变化后得到一个保守的分析结果

不同于标准的数据流分析，笔者这里是一种简单的方式

先带大家从一个简单的SQL注入例子的字节码来分析JVM Stack Frame中Operand Stack和Local Variables的变化

状态分析

给出一个最简单的SQL注入例子

public List<User> selectUser(String name) {
String sql = "select * from t_user where name=\"" + name + "\"";
List<User> users = jdbcTemplate.query(sql, new BeanPropertyRowMapper(User.class));
return users;
}

简单分析上面的代码可以得出结论：name参数存在了字符串拼接操作，并且拼接后的字符串被设置为jdbcTemplate.query方法的第一个参数执行了该方法

如果name参数是可控的用户输入变量，那么就可以成功触发SQL注入漏洞

假设现在我们确认了name是可控输入（如何将在后文中详细解释）应该如何分析呢

首先来看String sql = ...这句话的字节码

NEW java/lang/StringBuilder
DUP
INVOKESPECIAL java/lang/StringBuilder.<init> ()V
LDC "select * from t_user where name=\""
INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
ALOAD 1
INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
LDC "\""
INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.toString ()Ljava/lang/String;
ASTORE 2

第一行NEW java/lang/StringBuilder实际在JVM中的过程如下

代码中没有StringBuilder为什么字节码中有呢？

因为在JVM中字符串相加其实会被转为StringBuilder.append操作

第二句DUP会将Operand Stack栈顶元素复制一份，变成下图这样（为什么要复制见下文）

下一句INVOKESPECIAL java/lang/StringBuilder.<init> ()V真正地实例化对象

虽然并没有传参数，但非STATIC方法的调用第0个参数实际上是this对象，也就是这里的Object Ref

在JVM中方法调用的过程如图：从Local Varaibles中取值放入OperandStack作为方法参数，调用方法时弹出。调用方法结束后，如果方法有返回值会讲返回值压入OperandStack

回到刚才的实例化StringBuilder字节码，这里会弹出栈顶的一个Object Ref，由于初始化方法没有返回值，所以并没有压入的返回值。但是此时栈顶存在的另一个Object Ref指向被实例化的对象，所以不再是空指针，当然这里不是我们需要关注的地方

所以这一步调用结束后，状态应该和第一步NEW相同

再看下一句LDC "select * from t_user where name=\""

这句的效果是直接将字符串常量压栈，如下图

其实这一句LDC的作用是为了下一句的append方法调用

INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;

注意到方法非STATIC且有一个参数，所以会弹出栈顶两个元素

append方法执行完后会有一个返回值，压栈

上一步压栈的返回值其实还是StringBuilder对象，如果要下一次append那么就需要再找一个字符串

看到下一步是ALOAD 1操作，这条指令的作用是取Local Variables第2个元素压栈

注意到上面一些列图中的Local Variables一直都有两个元素（为了防止干扰所以没有标明是什么）

非STATIC方法的Local Variables的第1个元素一定是this对象，而传入的参数依次往后排

所以ALOAD 1在JVM中执行的过程应该如下

后续三步的过程同上

第一个INVOKEVIRTUAL作用是append了可控变量name，返回值压栈

LDC是SQL语句的结尾，再次append完返回值压栈

INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
LDC "\""
INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;

执行完这两步后状态如下（注意Local Variables中的变量被ALOAD完不变）

结尾的两步其实也简单，注意到toString方法没有参数，返回一个String

所以会弹栈再压栈，下一步的ASTORE 2作用是保存到局部变量表第3位

INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.toString ()Ljava/lang/String;
ASTORE 2

以上过程图示

注意以上的过程只是第一句String sql = ...的字节码分析

第二步List<User> users = jdbcTemplate.query(...);的字节码如下

ALOAD 0
GETFIELD org/sec/cidemo/dao/impl/SQLIDaoImpl.jdbcTemplate : Lorg/springframework/jdbc/core/JdbcTemplate;
ALOAD 2
NEW org/springframework/jdbc/core/BeanPropertyRowMapper
DUP
LDC Lorg/sec/cidemo/model/User;.class
INVOKESPECIAL org/springframework/jdbc/core/BeanPropertyRowMapper.<init> (Ljava/lang/Class;)V
INVOKEVIRTUAL org/springframework/jdbc/core/JdbcTemplate.query (Ljava/lang/String;Lorg/springframework/jdbc/core/RowMapper;)Ljava/util/List;
ASTORE 3

首先来看前两步，局部变量表第1位的this压栈，然后GETFIELD

这个指令的作用是取栈顶对象中的某个属性，然后压栈

再取局部变量表第3位的sql压栈

之后NEW BeanPropertyRowMapper不仔细分析了，读者可以自行分析

直到关键方法INVOKEVIRTUAL JdbcTemplate.query之前的过程图示如下

（其中BPW是BeanPropertyRowMapper对象）

上图最右侧的OperandStack状态正是调用关键方法之前的状态

INVOKEVIRTUAL org/springframework/jdbc/core/JdbcTemplate.query (Ljava/lang/String;Lorg/springframework/jdbc/core/RowMapper;)Ljava/util/List;

该方法需要两个参数，由于非STATIC需要加上方法本身的this参数，也就是总共需要三个参数

入参的顺序是从右到左，依次弹出栈中的三个元素作为参数，然后执行该方法

没有必要做后续的分析了，这一步已经可以确认SQL注入漏洞了

分析思路

借用上文一张图

JVM在进入该方法时候，会在局部变量表里面初始化参数，第1位this，方法参数依次往后排

由于我们假设了name参数是可控的参数，可以给它一个颜色表明它存在问题

所以上文拼接字符串的部分可以表示如下

字符串被拼接后保存到局部变量表

后续的jdbcTemplate.query调用又会取出来，作为参数传入

所以如果一开始的name是红色且最后数据库操作的参数中包含了红色，说明存在漏洞

代码实现

那么如何实现呢？

造个Operand Stack和Local Variables

其中的泛型T可以理解为上文的红色

public class OperandStack<T> {
private final LinkedList<Set<T>> stack;
// pop push methods
}

public class LocalVariables<T> {
private final ArrayList<Set<T>> array;
// set get method
}

在进入方法的时候初始化这两个数据结构

public void visitCode() {
super.visitCode();
localVariables.clear();
operandStack.clear();
if ((this.access & Opcodes.ACC_STATIC) == 0) {
localVariables.add(new HashSet<>());
}
for (Type argType : Type.getArgumentTypes(desc)) {
for (int i = 0; i < argType.getSize(); i++) {
localVariables.add(new HashSet<>());
}
}
}

模拟JVM的操作

以下是节选自CoreMethodAdapter的部分代码，其中visitInsn方法是遇到无操作数的指令情况

实际上这个模拟很复杂，需要处理各种指令的情况，比如GOTO等指令需要复制状态，处理起来很麻烦

@Override
public void visitInsn(int opcode) {
switch (opcode) {
case Opcodes.NOP:
break;
case Opcodes.LCONST_0:
case Opcodes.LCONST_1:
case Opcodes.DCONST_0:
case Opcodes.DCONST_1:
operandStack.push();
operandStack.push();
break;
case Opcodes.IALOAD:
case Opcodes.FALOAD:
case Opcodes.AALOAD:
case Opcodes.BALOAD:
case Opcodes.CALOAD:
case Opcodes.SALOAD:
operandStack.pop();
operandStack.pop();
operandStack.push();
break;
case Opcodes.LALOAD:
case Opcodes.DALOAD:
operandStack.pop();
operandStack.pop();
operandStack.push();
operandStack.push();
break;
....
}
}

关于该类完整代码参考：

https://github.com/EmYiQing/CodeInspector/blob/master/src/main/java/org/sec/core/CoreMethodAdapter.java

当我们给两大数据结构中的元素设置内容时，其实就相当于上文的红色

遇到JVM指令后，模拟做出相同的push/pop等操作，一般情况下这个红色就会传递下去

如果出现类似RETURN的操作，红色不会传递下去，那么我们判断下是否符合指定的条件，然后手动传递下去即可

实际上这一步实现起来不是那么简单，会遇到很多意外的情况

0x03 方法调用图

回到一开始的地方：当时说我们认为name参数是可控参数

为什么能这么认为，如何判断是否真正可控？

还是从实际的例子入手，一个最简单的SpringMVC入口，经过Service层到达Dao层完成数据库操作

@RequestMapping("/select")
@ResponseBody
public List<User> select(@RequestParam("name") String name){
return sqliService.selectUser(name);
}
@Override
public List<User> selectUser(String name) {
return sqliDao.selectUser(name);
}
@Override
public List<User> selectUser(String name) {
String sql = "select * from t_user where name=\"" + name + "\"";
List<User> users = jdbcTemplate.query(sql, new BeanPropertyRowMapper(User.class));
return users;
}

可以使用ASM技术分析所有的字节码

这里的所有指的是目标jar包中源代码，依赖库以及JDK中的字节码

然后visit所有的method（可以理解为遍历所有class文件的方法）

分析即可得到当前整个运行环境中，存在的每个方法中有那些方法调用

直接这样说也许显得空白，下面用一个简单的例子解释：每个方法中有那些方法调用是什么意思

public class Demo{
int demo(int a){
int b = A.test1(a);
int c = new A().test2(a);
}
}

那么它存在这样的调用（数字表示参数索引）

Demo.demo(1)->A.test1(0)
Demo.demo(1)->A.test2(1)

由于test1方法是静态方法，而demo和test2方法不是。需要考虑到正常情况下方法参数索引0为this

而caller参数a的索引为1，target参数索引在静态情况下为0，正常情况下为1

这是一处简单的方法，经过测试运行环境实际上会有几万到几百万个方法，需要做的事情是分析所有方法

思路有了，接下来写代码

遍历到的每个方法在进入方法时设置上当前的参数索引（visitCode是ASM定义观察方法过程中的第一步）

@Override
public void visitCode() {
super.visitCode();
int localIndex = 0;
int argIndex = 0;
if ((this.access & Opcodes.ACC_STATIC) == 0) {
localVariables.set(localIndex, "arg" + argIndex);
localIndex += 1;
argIndex += 1;
}
for (Type argType : Type.getArgumentTypes(desc)) {
localVariables.set(localIndex, "arg" + argIndex);
localIndex += argType.getSize();
argIndex += 1;
}
}

在当前方法内遇到方法调用时，会执行visitMethodInsn方法

@Override
public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String name, String desc, boolean itf) {
Type[] argTypes = Type.getArgumentTypes(desc);
// 这里主要目的是判断是否STATIC决定第0位参数是否为this
if (opcode != Opcodes.INVOKESTATIC) {
Type[] extendedArgTypes = new Type[argTypes.length + 1];
System.arraycopy(argTypes, 0, extendedArgTypes, 1, argTypes.length);
extendedArgTypes[0] = Type.getObjectType(owner);
argTypes = extendedArgTypes;
}
switch (opcode) {
case Opcodes.INVOKESTATIC:
case Opcodes.INVOKEVIRTUAL:
case Opcodes.INVOKESPECIAL:
case Opcodes.INVOKEINTERFACE:
int stackIndex = 0;
// 遍历调用方法的所有参数
for (int i = 0; i < argTypes.length; i++) {
// 这个argIndex是目标方法的参数索引
int argIndex = argTypes.length - 1 - i;
Type type = argTypes[argIndex];
// 从Operand Stack中取出当前参数对应的值
Set<String> taint = operandStack.get(stackIndex);
if (taint.size() > 0) {
for (String argSrc : taint) {
// 由于这个值是visitCode时初始化的
// 所以会是arg1这样的格式需要切割
srcArgIndex = Integer.parseInt(argSrc.substring(3));
// 构造当前的CallGraph并保存结果
discoveredCalls.add(new CallGraph(
new MethodReference.Handle(
new ClassReference.Handle(this.owner), this.name, this.desc),
new MethodReference.Handle(
new ClassReference.Handle(owner), name, desc),
srcArgIndex,
argIndex));
}
}
stackIndex += type.getSize();
}
break;
default:
throw new IllegalStateException("unsupported opcode: " + opcode);
}
super.visitMethodInsn(opcode, owner, name, desc, itf);
}

通过以上的代码，筛选后可以得到下面的结果

caller:Controller.select(1)
target:Service.selectUser(1)
caller:Service.selectUser(1)
target:Dao.selectUser(1)

这时候如果将第一步的name变成红色，通过模拟JVM两大数据结构之间的交互，让这个红色在方法调用间逐渐传递

从Controller层传递到最后Dao层调用数据库操作的地方，这里就贯通了整个流程

为了方便理解，再画一张图表示

其中start是前端传入的可控参数，在Local Variables中将它染红，select(name)方法调用前压栈，调用后弹出

这时候红色消失了，如何确保传递呢？

通过上文分析得到的CallGraph结果，查到Controller.select(1)->Service.selectUser(1)发现name参数传入了selectUser方法中，也就是上图最左边栈顶的红色

于是手动给Service Local Variables中对应的参数索引位置设置颜色，为了区分选择了蓝色

Service层两大数据结构模拟过程同上，到达Dao层。通过CallGraph查到了这样的结果：Service.selectUser(1)->Dao.selectUser(1)认为第1个参数name可以继续传递

而Dao层的操作相比前两层来看复杂了很多，这里正是本文一开始分析的数据流分析

一开始假设Dao.selectUser(name)的name参数是可控输入，直接染红。假设在这里就可以去掉了

最终到达jdbcTemplate.query(sql,...)处

经过上文数据流分析，发现了拼接sql语句并执行的操作，也就是SQL注入漏洞

0x04 返回值分析

对漏洞而言，仅仅确定漏洞可以触发其实是不足的，更需要想办法做到回显

类似普通的漏洞分析，可以看到上文已经做到了漏洞触发的分析，如果遇到反射XSS这种需要判断回显的怎么办

给出一个简单的反射XSS例子

Controller

@RequestMapping("/reflection")
@ResponseBody
public String reflection(@RequestParam("data") String message) {
return xssService.reflection(message);
}

Service

@Override
public String reflection(String message) {
if (!message.equals("test")) {
return message;
}
return "error";
}

简单地分析可以发现如果message参数不是test那么就会原样输出给前端，造成反射XSS

上文的红色原理可以用在这里

单独分析Service层方法，如果入参染成红色，返回时ALOAD 1会把入参压栈，因此返回值也变成了红色

ALOAD 1
LDC "test"
INVOKEVIRTUAL java/lang/String.equals (Ljava/lang/Object;)Z
...
ALOAD 1
ARETURN

图片表示过程如下：

再分析Controller层，由于我们已知Service层的方法返回值有可能和入参一致，所以调用Service.select方法得到返回值可以设为红色，进而可以初步推断出反射XSS

（这里为了简化分析，所以暂不考虑其他的操作，比如字符串是否被实体化编码等）

逆拓扑排序

涉及到另外一个问题，应该从哪个方法优先分析？

答案：应该从最底层的调用开始分析

假如有如下的调用链：A.B.C.D.E单一的线性调用，可以直接从E开始

如果不是线性的，应该如何处理呢？

参考GadgetInspector中的逆拓扑排序

关于逆拓扑排序，参考Longofo师傅的文章，对图片做了一些优化和精简

这是一个方法调用关系：

在排序中的stack和visited和sorted过程如下：

只要有子方法，就一个个地入栈

到达method7发现没有子方法，那么弹出并加入visited和sorted

回溯上一层，method3还有一个method8子方法，压栈

method8没有子方法，回溯上一层method3也没有，都弹出并进入右侧

到达method6，有子方法，压栈，找到method6下的method1，压栈，注意这里是Set结构不重复，所以压了等于没压

回溯后method6和method2都没有子方法了，弹出并进入右边

往后执行遇到method1的两个子方法method3和method4，由于method3已在visited，直接return，把method4压栈。然后method4没有子方法弹栈，最后剩下的method1也没有子方法，弹栈

最终得到的排序结果就是7836241，达到了最末端在最开始的效果

0x05 总结

代码地址：https://github.com/EmYiQing/CodeInspector