0 从零开始的Java RASP实现(一)

本科毕设做过Python的RASP之后，对这项技术很有兴趣，当时OpenRASP开始出现，并且Java的实现非常接近真正的运行时防御的概念。一直没有时间和足够的动力学习Java，最近一口气学了不少Java相关的东西，准备从反序列化和RASP两个方向继续深入学一下Java。这边笔记主要也是记录整个学习过程，目标是仿照OpenRASP的java实现，完成一个Java的RASP。

1 javaagent

1.1 Main方法启动前

概念介绍：

javaagent是java命令提供的一个参数，这个参数可以指定一个jar包，在真正的程序没有运行之前先运行指定的jar包。并且对jar包有两个要求：

• jar包的MANIFEST.MF文件必须指定Premain-Class
• Premain-Class指定的类必须实现premain()方法。

这个premain方法会在java命令行指定的main函数之前运行。

在java命令参数种，还可以看到其它参数，例如

-agentlib:<libname>[=<选项>]
                  加载本机代理库 <libname>, 例如 -agentlib:hprof
                  另请参阅 -agentlib:jdwp=help 和 -agentlib:hprof=help
-agentpath:<pathname>[=<选项>]
                  按完整路径名加载本机代理库
-javaagent:<jarpath>[=<选项>]
                  加载 Java 编程语言代理, 请参阅 java.lang.instrument

javaagent可以指定很多个，jvm会依次执行不同的jar。前面提到的premain方法有两种定义方式

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst)

public static void premain(String agentArgs)

根据sun.instrument.InstrumentationImpl 的源代码，可以知道，会优先调用第一种写法。这种方法可以在JDK1.5及之后的版本使用

如何使用

使用javaagent需要几个步骤：

• 定义一个MANIFEST.MF文件，必须包含Premain-Class选项，也需要加入Can-Redefine-Classes和Can-Retransform-Classes选项，后面两个选项看名字就知道意思
• 创建Premain-Class指定的类，类中包含premain方法，该方法可以进一步加载RASP实现原理
• 将MANIFEST.MF和写好的各种类打包成jar
• 启动java时，添加-javaagent:xx.jar，即可让java先自动执行写好的premain方法

在premain方法执行时，获取的Instrumentation对象还会加载大部分类，包括后面main方法执行时需要加载的各种类，但是抓不到系统类。也就是说，在这个位置在main方法执行前，就可以拦截或者重写类，结合ASM、javassist、cglib方式就可以实现对类的改写或者插桩。

创建agent

现在来实现一下，目录结构如下

-java-agent
----src
----|----main
----|----------java
----|--------------com
----|-------------------bitterz
----|----------------------PreMain
----|pom.xml

pom.xml使用idea创建maven项目自带的pom.xml即可，然后加入如下配置

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
            <configuration>
                <archive>
                    <manifestEntries>
                        <Premain-Class>com.bitterz.PreMain</Premain-Class>
                        <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                        <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                    </manifestEntries>
                </archive>
            </configuration>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

修改里面的premain即可，这样配置之后，直接使用idea的maven->package就可以打包成一个可以使用的agent.jar。

com.bitterz.PreMain如下：

package com.bitterz;

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.lang.instrument.Instrumentation;
import java.security.ProtectionDomain;

public class PreMain {
        public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst){
            System.out.println("agentArgs:" + agentArgs);
            inst.addTransformer(new DefineTransformer(), true);
        }

        static class DefineTransformer implements ClassFileTransformer{
            @Override
            public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
                System.out.println("premain load Class: " + className);  // 注意这里的输出
                return classfileBuffer;
            }
        }
}

创建main

然后再创建一个要执行的main

package com.bitterz;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Main.main() in test project");
    }
}

同样修改pom.xml配置，只需要再<manifestEntries>标签下添加一个<Main-Class>即可用idea的maven打包成一个jar，并且指定了main类。

两个项目用maven打包后，在命令行执行一下

可以看到premain先输出了加载的各种类，包括com.bitterz.Main，然后才是真正的main执行，最后结束时，premain还加载了一些结束时需要的类。到此，在启动main方法前，实现对后续类的加载或进一步修改操作，已经有了雏形

1.2 JVM启动后

前面的方法需要在main函数启动前，执行agent，但有些时候，jvm已经启动了，而且服务不能轻易暂停，但这个时候还是想对jvm中的类做一些修改应该怎么办呢？

attach机制

这就要引入attch机制了，jdk1.6之后在Instrumentation中添加了一种agentmain的代理方法，可以在main函数执行之后再运行。和premain函数一样，开发者可以编写一个包含agentmain函数的Java类，它也有两种写法：

public static void agentmain (String agentArgs, Instrumentation inst)

public static void agentmain (String agentArgs)

同样的，带有Instrumentation的方法会被优先调用，开发者必须再MANIFEST.MF文件中设置Agent-Class来指定包含agentmain函数的类。

这种attach机制的具体实现在com.sun.tools.attach中，有如下两个类：

• VirtualMachine 字面意义表示一个Java 虚拟机，也就是程序需要监控的目标虚拟机，提供了获取系统信息(比如获取内存dump、线程dump，类信息统计(比如已加载的类以及实例个数等)， loadAgent，Attach 和 Detach （Attach 动作的相反行为，从 JVM 上面解除一个代理）等方法，可以实现的功能可以说非常之强大 。该类允许我们通过给attach方法传入一个jvm的pid(进程id)，远程连接到jvm上

  代理类注入操作只是它众多功能中的一个，通过loadAgent方法向jvm注册一个代理程序agent，在该agent的代理程序中会得到一个Instrumentation实例，该实例可以 在class加载前改变class的字节码，也可以在class加载后重新加载。在调用Instrumentation实例的方法时，这些方法会使用ClassFileTransformer接口中提供的方法进行处理。

• VirtualMachineDescriptor 则是一个描述虚拟机的容器类，配合 VirtualMachine 类完成各种功能

具体实现过程：通过VirtualMachine类的attach(pid)方法，便可以attach到一个运行中的java进程上，之后便可以通过loadAgent(agentJarPath)来将agent的jar包注入到对应的进程，然后对应的进程会调用agentmain方法。

从jdk根目录的lib/tools.jar源码一路追踪了一下VirtualMachine.attach方法，发现传入一个pid之后，在Windows下会通过WindowsVirtualMachine这个类的构造函数，调用native方法，实现对jvm进程的attach

启动一个长时间运行的jvm

底层方法还得靠c/c++来实现(滑稽)，了解这个机制之后，回到前面的agentmain的实现流程。首先启动一个一直运行的jvm

package com.bitterz;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("Main.main() in test project start!!");
        Thread.sleep(300000000);
        System.out.println("Main.main() in test project end!!");
    }
}

打包一个agentmain代理jar

启动之后，把再写一个agentmain，并且还要写好MANIFEST.MF文件配置，代码和pom.xml如下：

package com.bitterz;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

public class AgentMain {
    public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
        System.out.println("agentmain start!");
        System.out.println(instrumentation.toString());
    }
}

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
            <configuration>
                <archive>
                    <manifestEntries>
                        <Agent-Class>com.bitterz.AgentMain</Agent-Class>
                        <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                        <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                    </manifestEntries>
                </archive>
            </configuration>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

使用maven package打包成一个jar文件即可

运用attach

再开启动另一个java程序，使用进程号attach到前面一直运行的jvm，并使用loadAgent给这个jvm添加代理jar：

package com.bitterz.attach;

import com.sun.tools.attach.AgentInitializationException;
import com.sun.tools.attach.AgentLoadException;
import com.sun.tools.attach.AttachNotSupportedException;
import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

import java.io.IOException;

public class AttachTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, AttachNotSupportedException, AgentLoadException, AgentInitializationException {
        VirtualMachine attach = VirtualMachine.attach("12244");  // 命令行找到这个jvm的进程号
        attach.loadAgent("C:\\Users\\helloworld\\Desktop\\java learn\\java-attach\\target\\java-attach-1.0-SNAPSHOT.jar");
        attach.detach();
    }
}

运行这个java文件，会看到前面一直sleep运行的jvm会输出agentmain里面给定的输出！

这里也就说明，通过attach机制，我们可以对指定运行中的jvm添加agent，而在premain方法中获取到Instrumentation对象，通过对Instrumentation对象添加transformer类，可以实现类转换(Class Transform)，也就是在transform函数中结合修改字节码的方法(ASM、Javassist、cglib等)可以进一步实现RASP！

后续的文章将会写一写如何实现这些对指定类方法的Hook，以及如何运行时对底层函数的参数进行过滤。

参考

https://www.cnblogs.com/rickiyang/p/11368932.html

https://www.cnblogs.com/kendoziyu/p/maven-auto-build-javaagent-jar.html

Java底层防护 – OpenRASP核心源码浅析