命令执行底层原理探究-PHP(三)

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前言

针对不同平台/语言下的命令执行是不相同的,存在很大的差异性。因此,这里对不同平台/语言下的命令执行函数进行深入的探究分析。

文章开头会对不同平台(Linux、Windows)下:终端的指令执行、语言(PHP、Java、Python)的命令执行进行介绍分析。后面,主要以PHP语言为对象,针对不同平台,对命令执行函数进行底层深入分析,这个过程包括:环境准备、PHP内核源码的编译、运行、调试、审计等,其它语言分析原理思路类似。

该系列分析文章主要分为四部分,如下:

  • 第一部分:命令执行底层原理探究-PHP (一)

针对不同平台(Linux、Windows)下:终端的指令执行、语言(PHP、Java、Python)的命令执行进行介绍分析。

  • 第二部分:命令执行底层原理探究-PHP (二)

主要以PHP语言为对象,针对不同平台,进行环境准备、PHP内核源码的编译、运行、调试等。

  • 第三部分:命令执行底层原理探究-PHP (三)

针对Windows平台下,PHP命令执行函数的底层原理分析。

  • 第四部分:命令执行底层原理探究-PHP (四)

针对Linux平台下,PHP命令执行函数的底层原理分析。

本文《 命令执行底层原理探究-PHP (三) 》主要讲述的是第三部分:针对Windows平台下,PHP命令执行函数的底层原理分析。

 

PHP for Windows

针对Windows平台下:PHP命令执行函数的底层分析。

命令执行底层分析

针对命令执行函数的底层分析,这里主要采用两种手段去分析:静态审计(静态审计内核源码)、动态审计(动态调试内核源码)。

静态审计

PHP命令执行函数有很多

system
exec
passthru
shell_exec
proc_open
popen
pcntl_exec
escapeshellarg
escapeshellcmd                                              
、、、、

大部分命令执行函数于ext/standard/exec.c源码中实现

/* {{{ proto string exec(string command [, array &output [, int &return_value]])
   Execute an external program */
PHP_FUNCTION(exec)
{
    php_exec_ex(INTERNAL_FUNCTION_PARAM_PASSTHRU, 0);
}
/* }}} */

/* {{{ proto int system(string command [, int &return_value])
   Execute an external program and display output */
PHP_FUNCTION(system)
{
    php_exec_ex(INTERNAL_FUNCTION_PARAM_PASSTHRU, 1);
}
/* }}} */

/* {{{ proto void passthru(string command [, int &return_value])
   Execute an external program and display raw output */
PHP_FUNCTION(passthru)
{
    php_exec_ex(INTERNAL_FUNCTION_PARAM_PASSTHRU, 3);
}
/* }}} */

/* {{{ proto string shell_exec(string cmd)
   Execute command via shell and return complete output as string */
PHP_FUNCTION(shell_exec)
{
    FILE *in;
    char *command;
    size_t command_len;
    zend_string *ret;
    php_stream *stream;

    ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(1, 1)
        Z_PARAM_STRING(command, command_len)
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_END();

#ifdef PHP_WIN32
    if ((in=VCWD_POPEN(command, "rt"))==NULL) {
#else
    if ((in=VCWD_POPEN(command, "r"))==NULL) {
#endif
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Unable to execute '%s'", command);
        RETURN_FALSE;
    }

    stream = php_stream_fopen_from_pipe(in, "rb");
    ret = php_stream_copy_to_mem(stream, PHP_STREAM_COPY_ALL, 0);
    php_stream_close(stream);

    if (ret && ZSTR_LEN(ret) > 0) {
        RETVAL_STR(ret);
    }
}
/* }}} */

观察上面代码部分,可以发现system、exec、passthru这三个命令执行函数调用函数一样,皆为php_exec_ex()函数,不同点只在于调用函数的第二个参数mode不同0、1、3作为标识。而shell_exec函数则是调用VCWD_POPEN()函数去实现。

下面以system()命令执行函数执行whoami指令为例:

system('whoami');

借助源码审查工具Source Insight【导入php7.2.9源码项目】进行底层函数跟踪分析

首先找到php中system()函数声明处:ext\standard\exec.c:263

PHP_FUNCTION(system)
{
    php_exec_ex(INTERNAL_FUNCTION_PARAM_PASSTHRU, 1);
}

很明显system函数由php_exec_ex()函数实现,跟进同文件下找到php_exec_ex()函数实现【Source Insight下面可以使用Ctrl+鼠标左键点击定位函数位置】:ext\standard\exec.c:209

static void php_exec_ex(INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS, int mode) /* {{{ */
{
    char *cmd;
    size_t cmd_len;
    zval *ret_code=NULL, *ret_array=NULL;
    int ret;

    ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(1, (mode ? 2 : 3))
        Z_PARAM_STRING(cmd, cmd_len)
        Z_PARAM_OPTIONAL
        if (!mode) {
            Z_PARAM_ZVAL_DEREF(ret_array)
        }
        Z_PARAM_ZVAL_DEREF(ret_code)
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_END_EX(RETURN_FALSE);

    if (!cmd_len) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Cannot execute a blank command");
        RETURN_FALSE;
    }
    if (strlen(cmd) != cmd_len) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "NULL byte detected. Possible attack");
        RETURN_FALSE;
    }

    if (!ret_array) {
        ret = php_exec(mode, cmd, NULL, return_value);
    } else {
        if (Z_TYPE_P(ret_array) != IS_ARRAY) {
            zval_ptr_dtor(ret_array);
            array_init(ret_array);
        } else if (Z_REFCOUNT_P(ret_array) > 1) {
            zval_ptr_dtor(ret_array);
            ZVAL_ARR(ret_array, zend_array_dup(Z_ARR_P(ret_array)));
        }
        ret = php_exec(2, cmd, ret_array, return_value);
    }
    if (ret_code) {
        zval_ptr_dtor(ret_code);
        ZVAL_LONG(ret_code, ret);
    }
}
/* }}} */

阅读php_exec_ex()函数实现,会对cmd参数进行初始化处理,然后调用php_exec(mode, cmd, NULL, return_value)函数,mode为不同执行函数标识、cmd为指令参数。

跟踪php_exec()函数调用:ext\standard\exec.c:97

/* {{{ php_exec
 * If type==0, only last line of output is returned (exec)
 * If type==1, all lines will be printed and last lined returned (system)
 * If type==2, all lines will be saved to given array (exec with &$array)
 * If type==3, output will be printed binary, no lines will be saved or returned (passthru)
 *
 */
PHPAPI int php_exec(int type, char *cmd, zval *array, zval *return_value)
{
    FILE *fp;
    char *buf;
    size_t l = 0;
    int pclose_return;
    char *b, *d=NULL;
    php_stream *stream;
    size_t buflen, bufl = 0;
#if PHP_SIGCHILD
    void (*sig_handler)() = NULL;
#endif

#if PHP_SIGCHILD
    sig_handler = signal (SIGCHLD, SIG_DFL);
#endif

#ifdef PHP_WIN32
    fp = VCWD_POPEN(cmd, "rb");
#else
    fp = VCWD_POPEN(cmd, "r");
#endif
    if (!fp) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Unable to fork [%s]", cmd);
        goto err;
    }

    stream = php_stream_fopen_from_pipe(fp, "rb");

    buf = (char *) emalloc(EXEC_INPUT_BUF);
    buflen = EXEC_INPUT_BUF;

    if (type != 3) {
        b = buf;

        while (php_stream_get_line(stream, b, EXEC_INPUT_BUF, &bufl)) {
            /* no new line found, let's read some more */
            if (b[bufl - 1] != '\n' && !php_stream_eof(stream)) {
                if (buflen < (bufl + (b - buf) + EXEC_INPUT_BUF)) {
                    bufl += b - buf;
                    buflen = bufl + EXEC_INPUT_BUF;
                    buf = erealloc(buf, buflen);
                    b = buf + bufl;
                } else {
                    b += bufl;
                }
                continue;
            } else if (b != buf) {
                bufl += b - buf;
            }

            if (type == 1) {
                PHPWRITE(buf, bufl);
                if (php_output_get_level() < 1) {
                    sapi_flush();
                }
            } else if (type == 2) {
                /* strip trailing whitespaces */
                l = bufl;
                while (l-- > 0 && isspace(((unsigned char *)buf)[l]));
                if (l != (bufl - 1)) {
                    bufl = l + 1;
                    buf[bufl] = '\0';
                }
                add_next_index_stringl(array, buf, bufl);
            }
            b = buf;
        }
        if (bufl) {
            /* strip trailing whitespaces if we have not done so already */
            if ((type == 2 && buf != b) || type != 2) {
                l = bufl;
                while (l-- > 0 && isspace(((unsigned char *)buf)[l]));
                if (l != (bufl - 1)) {
                    bufl = l + 1;
                    buf[bufl] = '\0';
                }
                if (type == 2) {
                    add_next_index_stringl(array, buf, bufl);
                }
            }

            /* Return last line from the shell command */
            RETVAL_STRINGL(buf, bufl);
        } else { /* should return NULL, but for BC we return "" */
            RETVAL_EMPTY_STRING();
        }
    } else {
        while((bufl = php_stream_read(stream, buf, EXEC_INPUT_BUF)) > 0) {
            PHPWRITE(buf, bufl);
        }
    }

    pclose_return = php_stream_close(stream);
    efree(buf);

done:
#if PHP_SIGCHILD
    if (sig_handler) {
        signal(SIGCHLD, sig_handler);
    }
#endif
    if (d) {
        efree(d);
    }
    return pclose_return;
err:
    pclose_return = -1;
    goto done;
}
/* }}} */

审计int php_exec(int type, char *cmd, zval *array, zval *return_value)函数代码,发现函数内部会首先调用VCWD_POPEN()函数去处理cmd指令【在这里不难发现该部分函数VCWD_POPEN()调用同shell_exec()可执行函数实现原理相同,也就说明system、exec、passthru、shell_exec这类命令执行函数原理相同,底层都调用了相同函数VCWD_POPEN()去执行系统指令】。

这里的VCWD_POPEN()函数调用会通过相应的平台去执行:PHP_WIN32为Windows平台、另一个为Unix平台

#ifdef PHP_WIN32
    fp = VCWD_POPEN(cmd, "rb");
#else
    fp = VCWD_POPEN(cmd, "r");
#endif

进入VCWD_POPEN(cmd, "rb")函数: Zend\zend_virtual_cwd.h:269

#define VCWD_POPEN(command, type) virtual_popen(command, type)

由于VCWD_POPEN函数为virtual_popen实现,直接进入virtual_popen()函数实现:Zend\zend_virtual_cwd.c:1831

#ifdef ZEND_WIN32
CWD_API FILE *virtual_popen(const char *command, const char *type) /* {{{ */
{
    return popen_ex(command, type, CWDG(cwd).cwd, NULL);
}
/* }}} */
#else /* Unix */
CWD_API FILE *virtual_popen(const char *command, const char *type) /* {{{ */
{
    size_t command_length;
    int dir_length, extra = 0;
    char *command_line;
    char *ptr, *dir;
    FILE *retval;

    command_length = strlen(command);

    dir_length = CWDG(cwd).cwd_length;
    dir = CWDG(cwd).cwd;
    while (dir_length > 0) {
        if (*dir == '\'') extra+=3;
        dir++;
        dir_length--;
    }
    dir_length = CWDG(cwd).cwd_length;
    dir = CWDG(cwd).cwd;

    ptr = command_line = (char *) emalloc(command_length + sizeof("cd '' ; ") + dir_length + extra+1+1);
    memcpy(ptr, "cd ", sizeof("cd ")-1);
    ptr += sizeof("cd ")-1;

    if (CWDG(cwd).cwd_length == 0) {
        *ptr++ = DEFAULT_SLASH;
    } else {
        *ptr++ = '\'';
        while (dir_length > 0) {
            switch (*dir) {
            case '\'':
                *ptr++ = '\'';
                *ptr++ = '\\';
                *ptr++ = '\'';
                /* fall-through */
            default:
                *ptr++ = *dir;
            }
            dir++;
            dir_length--;
        }
        *ptr++ = '\'';
    }

    *ptr++ = ' ';
    *ptr++ = ';';
    *ptr++ = ' ';

    memcpy(ptr, command, command_length+1);
    retval = popen(command_line, type);

    efree(command_line);
    return retval;
}
/* }}} */
#endif

不难发现,针对virtual_popen()函数实现,也存在于不同平台,这里主要分析Windows平台,针对Unix平台在下面PHP for Linux部分会详细讲述。

针对Windows平台,virtual_popen()函数实现非常简单,直接调用popen_ex()函数进行返回。

进入popen_ex()函数实现:TSRM\tsrm_win32.c:473

TSRM_API FILE *popen_ex(const char *command, const char *type, const char *cwd, char *env)
{/*{{{*/
    FILE *stream = NULL;
    int fno, type_len, read, mode;
    STARTUPINFOW startup;
    PROCESS_INFORMATION process;
    SECURITY_ATTRIBUTES security;
    HANDLE in, out;
    DWORD dwCreateFlags = 0;
    BOOL res;
    process_pair *proc;
    char *cmd = NULL;
    wchar_t *cmdw = NULL, *cwdw = NULL, *envw = NULL;
    int i;
    char *ptype = (char *)type;
    HANDLE thread_token = NULL;
    HANDLE token_user = NULL;
    BOOL asuser = TRUE;

    if (!type) {
        return NULL;
    }

    /*The following two checks can be removed once we drop XP support */
    type_len = (int)strlen(type);
    if (type_len <1 || type_len > 2) {
        return NULL;
    }

    for (i=0; i < type_len; i++) {
        if (!(*ptype == 'r' || *ptype == 'w' || *ptype == 'b' || *ptype == 't')) {
            return NULL;
        }
        ptype++;
    }

    cmd = (char*)malloc(strlen(command)+strlen(TWG(comspec))+sizeof(" /c ")+2);
    if (!cmd) {
        return NULL;
    }

    sprintf(cmd, "%s /c \"%s\"", TWG(comspec), command);
    cmdw = php_win32_cp_any_to_w(cmd);
    if (!cmdw) {
        free(cmd);
        return NULL;
    }

    if (cwd) {
        cwdw = php_win32_ioutil_any_to_w(cwd);
        if (!cwdw) {
            free(cmd);
            free(cmdw);
            return NULL;
        }
    }

    security.nLength                = sizeof(SECURITY_ATTRIBUTES);
    security.bInheritHandle            = TRUE;
    security.lpSecurityDescriptor    = NULL;

    if (!type_len || !CreatePipe(&in, &out, &security, 2048L)) {
        free(cmdw);
        free(cwdw);
        free(cmd);
        return NULL;
    }

    memset(&startup, 0, sizeof(STARTUPINFOW));
    memset(&process, 0, sizeof(PROCESS_INFORMATION));

    startup.cb            = sizeof(STARTUPINFOW);
    startup.dwFlags        = STARTF_USESTDHANDLES;
    startup.hStdError    = GetStdHandle(STD_ERROR_HANDLE);

    read = (type[0] == 'r') ? TRUE : FALSE;
    mode = ((type_len == 2) && (type[1] == 'b')) ? O_BINARY : O_TEXT;

    if (read) {
        in = dupHandle(in, FALSE);
        startup.hStdInput  = GetStdHandle(STD_INPUT_HANDLE);
        startup.hStdOutput = out;
    } else {
        out = dupHandle(out, FALSE);
        startup.hStdInput  = in;
        startup.hStdOutput = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
    }

    dwCreateFlags = NORMAL_PRIORITY_CLASS;
    if (strcmp(sapi_module.name, "cli") != 0) {
        dwCreateFlags |= CREATE_NO_WINDOW;
    }

    /* Get a token with the impersonated user. */
    if(OpenThreadToken(GetCurrentThread(), TOKEN_ALL_ACCESS, TRUE, &thread_token)) {
        DuplicateTokenEx(thread_token, MAXIMUM_ALLOWED, &security, SecurityImpersonation, TokenPrimary, &token_user);
    } else {
        DWORD err = GetLastError();
        if (err == ERROR_NO_TOKEN) {
            asuser = FALSE;
        }
    }

    envw = php_win32_cp_env_any_to_w(env);
    if (envw) {
        dwCreateFlags |= CREATE_UNICODE_ENVIRONMENT;
    } else {
        if (env) {
            free(cmd);
            free(cmdw);
            free(cwdw);
            return NULL;
        }
    }

    if (asuser) {
        res = CreateProcessAsUserW(token_user, NULL, cmdw, &security, &security, security.bInheritHandle, dwCreateFlags, envw, cwdw, &startup, &process);
        CloseHandle(token_user);
    } else {
        res = CreateProcessW(NULL, cmdw, &security, &security, security.bInheritHandle, dwCreateFlags, envw, cwdw, &startup, &process);
    }
    free(cmd);
    free(cmdw);
    free(cwdw);
    free(envw);

    if (!res) {
        return NULL;
    }

    CloseHandle(process.hThread);
    proc = process_get(NULL);

    if (read) {
        fno = _open_osfhandle((tsrm_intptr_t)in, _O_RDONLY | mode);
        CloseHandle(out);
    } else {
        fno = _open_osfhandle((tsrm_intptr_t)out, _O_WRONLY | mode);
        CloseHandle(in);
    }

    stream = _fdopen(fno, type);
    proc->prochnd = process.hProcess;
    proc->stream = stream;
    return stream;
}/*}}}*/

TSRM\tsrm_win32.c文件不难发现,由virtual_popen()函数不同平台到popen_ex()函数可知,virtual_popen()函数是作为不同平台的分割点,此时的调用链已经到了仅和windows平台有联系。

接着对*popen_ex()函数进行分析,参数:command为指令参数、cwd为当前工作目录、env为环境变量信息。

为cmd变量动态分配空间:这里不得不说把cmd变量的空间分配的刚刚好

cmd = (char*)malloc(strlen(command)+strlen(TWG(comspec))+sizeof(" /c ")+2);

分配空间后,为cmd变量赋值

sprintf(cmd, "%s /c \"%s\"", TWG(comspec), command);

=> cmd = "cmd.exe /c whoami"

这部分其实在PHP官方手册的可执行函数中也有说明

到这里也就会发现system、exec、passthru、shell_exec这类命令执行函数底层都会调用系统终端cmd.exe来执行传入的指令参数。那么既然会调用系统cmd,就要将cmd进程启动起来。

继续向后分析*popen_ex()函数,会找到相关Windows系统API来启动cmd.exe进程,然后由cmd进程执行指令参数(内部|外部指令)。

    if (asuser) {
        res = CreateProcessAsUserW(token_user, NULL, cmdw, &security, &security, security.bInheritHandle, dwCreateFlags, envw, cwdw, &startup, &process);
        CloseHandle(token_user);
    } else {
        res = CreateProcessW(NULL, cmdw, &security, &security, security.bInheritHandle, dwCreateFlags, envw, cwdw, &startup, &process);
    }

在 Windows 平台上,创建进程有 WinExecsystem_spawn/_wspawnCreateProcessShellExecute 等多种途径,但上述函数基本上还是由 CreateProcess Family 封装的。在 Windows 使用 C/C++ 创建进程应当优先使用 CreateProcessCreateProcess有三个变体,主要是为了支持以其他权限启动进程, CreateProcess 及其变体如下:

Function Feature Details
CreateProcessW/A 创建常规进程,权限继承父进程权限
CreateProcessAsUserW/A 使用主 Token 创建进程,子进程权限与 Token 限定一致 必须开启 SE_INCREASE_QUOTA_NAME
CreateProcessWithTokenW 使用主 Token 创建进程,子进程权限与 Token 限定一致 必须开启 SE_IMPERSONATE_NAME
CreateProcessWithLogonW/A 使用指定用户凭据启动进程

PS:有关Windows系统API的调用情况,一般编程语言启动某个可执行程序的进程,都会调用CreateProcessW系统API,而不使用CreateProcessAsUserW系统API。同时在cmd终端进程下,启动外部指令程序所调用的系统API一般为CreateProcessInternalW

接着将进程运行的结果信息以流的形式返回,最终完成PHP命令执行函数的整个调用过程。

    if (read) {
        fno = _open_osfhandle((tsrm_intptr_t)in, _O_RDONLY | mode);
        CloseHandle(out);
    } else {
        fno = _open_osfhandle((tsrm_intptr_t)out, _O_WRONLY | mode);
        CloseHandle(in);
    }

    stream = _fdopen(fno, type);
    proc->prochnd = process.hProcess;
    proc->stream = stream;
    return stream;

同理,按照上述整个审计思路,可整理出PHP常见命令执行函数在Windows平台下的底层调用链

动态审计

有了上面静态审计部分的分析,后续进行动态调试会很方便。这里同样以system()函数执行whoami指令为例来进行动态调试,其它函数调试原理类似。

// test.php

<?php
system("whoami");
?>

ext/standard/exec.c:265中对system()函数实现入口处下断点,F5启动调试,运行至断点处

F11步入函数php_exec_ex(INTERNAL_FUNCTION_PARAM_PASSTHRU, 1)内部:ext\standard\exec.c:209

php_exec_ex()对cmd参数初始化处理后调用php_exec(mode, cmd, NULL, return_value)函数

F11步入php_exec()函数:ext\standard\exec.c:97php_exec()函数会传入cmd指令调用VCWD_POPEN()函数

F11步入VCWD_POPEN()函数实现:

#define VCWD_POPEN(command, type) virtual_popen(command, type)

Zend\zend_virtual_cwd.h:269

由于VCWD_POPEN函数为virtual_popen实现,直接进入virtual_popen()函数实现:Zend\zend_virtual_cwd.c:1831

virtual_popen()函数将cmd指令、当前工作空间等参数传给popen_ex(command, type, CWDG(cwd).cwd, NULL)函数执行返回。

F11步入popen_ex()函数实现:TSRM\tsrm_win32.c:473

跟进popen_ex()函数,对cmd进行动态分配空间及赋值

从cmd赋值的结果上来看,命令执行函数执行命令由底层调用cmd.exe来执行相应系统指令(内部|外部)。

后续调用CreateProcessW()系统API来启动cmd.exe进程,执行相应的指令即可。

查看函数之间的调用栈

如果单纯的是想知道某个命令执行函数是否调用cmd.exe终端去执行系统指令的话,可以在php脚本里面写一个循环,然后观察进程创建情况即可:简单、粗暴。

 

参考链接

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