关于反序列化漏洞分析及利用研究的文章不少,但鲜有检测及修复方面的介绍,本文旨站在应用安全的角度,从安全编码、代码审计、漏洞检测及修复方案对反序列化漏洞进行详细分享。

概述

序列化是让Java对象脱离Java运行环境的一种手段,可以有效的实现多平台之间的通信、对象持久化存储。

Java 序列化是指把 Java 对象转换为字节序列的过程便于保存在内存、文件、数据库中,ObjectOutputStream类的 writeObject() 方法可以实现序列化。反序列化是指把字节序列恢复为 Java 对象的过程,ObjectInputStream 类的 readObject() 方法用于反序列化。

漏洞成因

序列化和反序列化本身并不存在问题。但当输入的反序列化的数据可被用户控制,那么攻击者即可通过构造恶意输入,让反序列化产生非预期的对象,在此过程中执行构造的任意代码。

漏洞代码示例如下:

......
//读取输入流,并转换对象
InputStream in=request.getInputStream();
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(in);
//恢复对象
ois.readObject();
ois.close();

这里特别要注意的是非预期的对象,正因为此java标准库及大量第三方公共类库成为反序列化漏洞利用的关键。安全研究人员已经发现大量利用反序列化漏洞执行任意代码的方法,最让大家熟悉的是Gabriel Lawrence和Chris Frohoff在《Marshalling Pickles how deserializing objects can ruin your day》中提出的利用Apache Commons Collection实现任意代码执行。此后安全研究人员也陆续爆出XML、Json、Yaml等反序列化的相关漏洞。

除了commons-collections 3.1可以用来利用java反序列化漏洞,还有更多第三方库同样可以用来利用反序列化漏洞并执行任意代码,部分如下:

  • commons-fileupload 1.3.1
  • commons-io 2.4
  • commons-collections 3.1
  • commons-logging 1.2
  • commons-beanutils 1.9.2
  • org.slf4j:slf4j-api 1.7.21
  • com.mchange:mchange-commons-java 0.2.11
  • org.apache.commons:commons-collections 4.0
  • com.mchange:c3p0 0.9.5.2
  • org.beanshell:bsh 2.0b5
  • org.codehaus.groovy:groovy 2.3.9
  • ......

Java反序列化详解

序列化数据结构

通过查看序列化后的数据,可以看到反序列化数据开头包含两字节的魔术数字,这两个字节始终为十六进制的0xAC ED。接下来是两字节的版本号0x00 05的数据。此外还包含了类名、成员变量的类型和个数等。

这里以类SerialObject示例来详细进行介绍Java对象序列化后的数据结构:

public class SerialObject implements Serializable{
    private static final long serialVersionUID = 5754104541168322017L;

    private int id;
    public String name;

    public SerialObject(int id,String name){
        this.id=id;
        this.name=name;
    }
    ...
}

序列化SerialObject实例后以二进制格式查看:

00000000: aced 0005 7372 0024 636f 6d2e 7878 7878  ....sr.$com.xxxx
00000010: 7878 2e73 6563 2e77 6562 2e68 6f6d 652e  xx.sec.web.home.
00000020: 5365 7269 616c 4f62 6a65 6374 4fda af97  SerialObjectO...
00000030: f8cc c5e1 0200 0249 0002 6964 4c00 046e  .......I..idL..n
00000040: 616d 6574 0012 4c6a 6176 612f 6c61 6e67  amet..Ljava/lang
00000050: 2f53 7472 696e 673b 7870 0000 07e1 7400  /String;xp....t.
00000060: 0563 7279 696e 0a                        .cryin.

序列化的数据流以魔术数字和版本号开头,这个值是在调用ObjectOutputStream序列化时,由writeStreamHeader方法写入:

protected void writeStreamHeader() throws IOException {
     bout.writeShort(STREAM_MAGIC);//STREAM_MAGIC (2 bytes) 0xACED
     bout.writeShort(STREAM_VERSION);//STREAM_VERSION (2 bytes) 5
    }

序列化后的SerialObject对象详细结构:

STREAM_MAGIC (2 bytes) 0xACED 
STREAM_VERSION (2 bytes) 0x0005
    TC_OBJECT (1 byte) 0x73
        TC_CLASSDESC (1 byte) 0x72
        className
            length (2 bytes) 0x24 = 36
            text (36 bytes) com.xxxxxx.sec.web.home.SerialObject
        serialVersionUID (8 bytes) 0x4FDAAF97F8CCC5E1 = 5754104541168322017
        classDescInfo
            classDescFlags (1 byte) 0x02 = SC_SERIALIZABLE
            fields
                count (2 bytes) 2
                field[0]
                    primitiveDesc
                        prim_typecode (1 byte) I = integer
                        fieldName
                            length (2 bytes) 2
                            text (2 bytes) id
                field[1]
                    objectDesc
                        obj_typecode (1 byte) L = object
                        fieldName
                            length (2 bytes) 4
                            text (4 bytes)  name
                        className1
                            TC_STRING (1 byte) 0x74
                                length (2 bytes) 0x12 = 18
                                text (18 bytes) Ljava/lang/String;

            classAnnotation
                TC_ENDBLOCKDATA (1 byte) 0x78

            superClassDesc
                TC_NULL (1 byte) 0x70
    classdata[]
        classdata[0] (4 bytes) 0xe107 = id = 2017
        classdata[1]
            TC_STRING (1 byte) 0x74
            length (2 bytes) 5
            text (8 bytes) cryin

反序列化过程详解

Java程序中类ObjectInputStream的readObject方法被用来将数据流反序列化为对象,如果流中的对象是class,则它的ObjectStreamClass描述符会被读取,并返回相应的class对象,ObjectStreamClass包含了类的名称及serialVersionUID。

如果类描述符是动态代理类,则调用resolveProxyClass方法来获取本地类。如果不是动态代理类则调用resolveClass方法来获取本地类。如果无法解析该类,则抛出ClassNotFoundException异常。

如果反序列化对象不是String、array、enum类型,ObjectStreamClass包含的类会在本地被检索,如果这个本地类没有实现java.io.Serializable或者externalizable接口,则抛出InvalidClassException异常。因为只有实现了Serializable和Externalizable接口的类的对象才能被序列化。

反序列化漏洞检测方案

代码审计

反序列化操作一般在导入模版文件、网络通信、数据传输、日志格式化存储、对象数据落磁盘或DB存储等业务场景,在代码审计时可重点关注一些反序列化操作函数并判断输入是否可控,如下:

ObjectInputStream.readObject
ObjectInputStream.readUnshared
XMLDecoder.readObject
Yaml.load
XStream.fromXML
ObjectMapper.readValue
JSON.parseObject
...

同时也要关注存在漏洞的第三方库及版本是否安全。

进阶审计

对于直接获取用户输入进行反序列化操作这种点比较好审计并发现,目前反序列化漏洞已经被谈起太多次了,所以有经验的开发都会在代码中有相应的修复。但并不是所有修复都无懈可击。比如采用黑名单校验的修复方式,对于这种修复可在工程代码中尝试挖掘新的可以利用的’gadget‘。

代码中有使用到反序列化操作,那自身项目工程中肯定存在可以被反序列化的类,包括Java自身、第三方库有大量这样的类,可被反序列化的类有一个特点,就是该类必定实现了Serializable接口,Serializable 接口是启用其序列化功能的接口,实现 java.io.Serializable 接口的类才是可序列化的。一个典型的示例如下:

public class SerialObject implements Serializable{
    private static final long serialVersionUID = 5754104541168322017L;

    private int id;
    public String name;

    public SerialObject(int id,String name){
        this.id=id;
        this.name=name;
    }

    public void readObject(java.io.ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException{
        //执行默认的readObject()方法
        in.defaultReadObject();
    }
}

所以在代码审计时对这些类也可进行特别关注,分析并确认是否有可能被发序列化漏洞利用执行任意代码。发现新的可利用的类即可突破使用黑名单进行校验的一些应用。

白盒检测

大型企业的应用很多,每个都人工去审计不现实,往往都有相应的自动化静态代码审计工具,这里以ObjectInputStream.readObject()为例,其它原理也相似。在自动化检测时,可通过实现解析java源代码,检测readObject()方法调用时判断其对象是否为java.io.ObjectOutputStream。如果此时ObjectInputStream对象的初始化参数来自外部请求输入参数则基本可以确定存在反序列化漏洞了。这是只需确认是否存在相应的安全修复即可。 检测方式可参考lgtm.com对于Deserialization of user-controlled data的实现:

/**
 * @name Deserialization of user-controlled data
 * @description Deserializing user-controlled data may allow attackers to
 *              execute arbitrary code.
 * @kind problem
 * @problem.severity error
 * @precision high
 * @id java/unsafe-deserialization
 * @tags security
 *       external/cwe/cwe-502
 */
import java
import semmle.code.java.security.DataFlow
import semmle.code.java.frameworks.Kryo
import semmle.code.java.frameworks.XStream
import semmle.code.java.frameworks.SnakeYaml

class ObjectInputStreamReadObjectMethod extends Method {
  ObjectInputStreamReadObjectMethod() {
    this.getDeclaringType().getASourceSupertype*().hasQualifiedName("java.io", "ObjectInputStream") and
    (this.hasName("readObject") or this.hasName("readUnshared"))
  }
}

class XMLDecoderReadObjectMethod extends Method {
  XMLDecoderReadObjectMethod() {
    this.getDeclaringType().hasQualifiedName("java.beans", "XMLDecoder") and
    this.hasName("readObject")
  }
}

class SafeXStream extends FlowSource {
  SafeXStream() {
    any(XStreamEnableWhiteListing ma).getQualifier().(VarAccess).getVariable().getAnAccess() = this
  }
}

class SafeKryo extends FlowSource {
  SafeKryo() {
    any(KryoEnableWhiteListing ma).getQualifier().(VarAccess).getVariable().getAnAccess() = this
  }
}

predicate unsafeDeserialization(MethodAccess ma, Expr sink) {
  exists(Method m | m = ma.getMethod() |
    m instanceof ObjectInputStreamReadObjectMethod and
    sink = ma.getQualifier()
    or
    m instanceof XMLDecoderReadObjectMethod and
    sink = ma.getQualifier()
    or
    m instanceof XStreamReadObjectMethod and
    sink = ma.getAnArgument() and
    not exists(SafeXStream sxs | sxs.flowsTo(ma.getQualifier()))
    or
    m instanceof KryoReadObjectMethod and
    sink = ma.getAnArgument() and
    not exists(SafeKryo sk | sk.flowsTo(ma.getQualifier()))
    or
    ma instanceof UnsafeSnakeYamlParse and
    sink = ma.getArgument(0)
  )
}

class UnsafeDeserializationSink extends Expr {
  UnsafeDeserializationSink() {
    unsafeDeserialization(_, this)
  }
  MethodAccess getMethodAccess() { unsafeDeserialization(result, this) }
}

from UnsafeDeserializationSink sink, RemoteUserInput source
where source.flowsTo(sink)
select sink.getMethodAccess(), "Unsafe deserialization of $@.", source, "user input"

黑盒检测

调用ysoserial并依次生成各个第三方库的利用payload(也可以先分析依赖第三方包量,调用最多的几个库的paylaod即可),该payload构造为访问特定url链接的payload,根据http访问请求记录判断反序列化漏洞是否利用成功。如:

java -jar ysoserial.jar CommonsCollections1 'curl " + URL + " '

也可通过DNS解析记录确定漏洞是否存在。现成的轮子很多,推荐NickstaDB写的SerialBrute,还有一个针对RMI的测试工具BaRMIe,也很不错~。.

RASP检测

Java程序中类ObjectInputStream的readObject方法被用来将数据流反序列化为对象,如果流中的对象是class,则它的ObjectStreamClass描述符会被读取,并返回相应的class对象,ObjectStreamClass包含了类的名称及serialVersionUID。

类的名称及serialVersionUID的ObjectStreamClass描述符在序列化对象流的前面位置,且在readObject反序列化时首先会调用resolveClass读取反序列化的类名,所以RASP检测反序列化漏洞时可通过重写ObjectInputStream对象的resolveClass方法获取反序列化的类即可实现对反序列化类的黑名单校验。

百度的开源RASP产品就是使用的这种方法,具体可参考其DeserializationHook.java的实现:

@Override
    protected MethodVisitor hookMethod(int access, String name, String desc,
                                       String signature, String[] exceptions, MethodVisitor mv) {
        if ("resolveClass".equals(name) && "(Ljava/io/ObjectStreamClass;)Ljava/lang/Class;".equals(desc)) {
            return new AdviceAdapter(Opcodes.ASM5, mv, access, name, desc) {
                @Override
                protected void onMethodEnter() {
                    loadArg(0);
                    invokeStatic(Type.getType(HookHandler.class),
                            new Method("checkDeserializationClass", "(Ljava/io/ObjectStreamClass;)V"));
                }
            };
        }
        return mv;
    }

其中检测覆盖的反序列化类黑名单如下:

plugin.register('deserialization', function (params, context) {
    var deserializationInvalidClazz = [
        'org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer',
        'org.apache.commons.collections.functors.InstantiateTransformer',
        'org.apache.commons.collections4.functors.InvokerTransformer',
        'org.apache.commons.collections4.functors.InstantiateTransformer',
        'org.codehaus.groovy.runtime.ConvertedClosure',
        'org.codehaus.groovy.runtime.MethodClosure',
        'org.springframework.beans.factory.ObjectFactory',
        'xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl'
    ]

    var clazz = params.clazz
    for (var index in deserializationInvalidClazz) {
        if (clazz === deserializationInvalidClazz[index]) {
            return {
                action:     'block',
                message:    '尝试反序列化攻击',
                confidence: 100
            }
        }
    }
    return clean
})

攻击检测

通过查看反序列化后的数据,可以看到反序列化数据开头包含两字节的魔术数字,这两个字节始终为十六进制的0xAC ED。接下来是两字节的版本号。我只见到过版本号为5(0x00 05)的数据。考虑到zip、base64各种编码,在攻击检测时可针对该特征进行匹配请求post中是否包含反序列化数据,判断是否为反序列化漏洞攻击。

xxxdeMacBook-Pro:demo xxx$ xxd objectexp 
    00000000: aced 0005 7372 0032 7375 6e2e 7265 666c  ....sr.2sun.refl
    00000010: 6563 742e 616e 6e6f 7461 7469 6f6e 2e41  ect.annotation.A
    00000020: 6e6e 6f74 6174 696f 6e49 6e76 6f63 6174  nnotationInvocat
    00000030: 696f 6e48 616e 646c 6572 55ca f50f 15cb  ionHandlerU.....

但仅从特征匹配只能确定有攻击尝试请求,还不能确定就存在反序列化漏洞,还要结合请求响应、返回内容等综合判断是否确实存在漏洞。

Java反序列化漏洞修复方案

通过Hook resolveClass来校验反序列化的类

通过上面序列化数据结构可以了解到包含了类的名称及serialVersionUID的ObjectStreamClass描述符在序列化对象流的前面位置,且在readObject反序列化时首先会调用resolveClass读取反序列化的类名,所以这里通过重写ObjectInputStream对象的resolveClass方法即可实现对反序列化类的校验。这个方法最早是由IBM的研究人员Pierre Ernst在2013年提出《Look-ahead Java deserialization》,具体实现代码示例如下:

public class AntObjectInputStream extends ObjectInputStream{
    public AntObjectInputStream(InputStream inputStream)
            throws IOException {
        super(inputStream);
    }

    /**
     * 只允许反序列化SerialObject class
     */
    @Override
    protected Class<?> resolveClass(ObjectStreamClass desc) throws IOException,
            ClassNotFoundException {
        if (!desc.getName().equals(SerialObject.class.getName())) {
            throw new InvalidClassException(
                    "Unauthorized deserialization attempt",
                    desc.getName());
        }
        return super.resolveClass(desc);
    }
}

通过此方法,可灵活的设置允许反序列化类的白名单,也可设置不允许反序列化类的黑名单。但反序列化漏洞利用方法一直在不断的被发现,黑名单需要一直更新维护,且未公开的利用方法无法覆盖。

SerialKiller 是由Luca Carettoni利用上面介绍的方法实现的反序列化类白/黑名单校验的jar包。具体使用方法可参考其代码仓库。

contrast-rO0是一个轻量级的agent程序,通过通过重写ObjectInputStream来防御反序列化漏洞攻击。使用其中的SafeObjectInputStream类来实现反序列化类白/黑名单控制,示例代码如下:

SafeObjectInputStream in = new SafeObjectInputStream(inputStream, true);
in.addToWhitelist(SerialObject.class);

in.readObject();

使用ValidatingObjectInputStream来校验反序列化的类

使用Apache Commons IO Serialization包中的ValidatingObjectInputStream类的accept方法来实现反序列化类白/黑名单控制,具体可参考ValidatingObjectInputStream介绍;示例代码如下:

private static Object deserialize(byte[] buffer) throws IOException,
ClassNotFoundException , ConfigurationException {
    Object obj;
    ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(buffer);
    // Use ValidatingObjectInputStream instead of InputStream
    ValidatingObjectInputStream ois = new   ValidatingObjectInputStream(bais); 

    //只允许反序列化SerialObject class
    ois.accept(SerialObject.class);
    obj = ois.readObject();
    return obj;
}

使用ObjectInputFilter来校验反序列化的类

Java 9包含了支持序列化数据过滤的新特性,开发人员也可以继承java.io.ObjectInputFilter类重写checkInput方法实现自定义的过滤器,,并使用ObjectInputStream对象的setObjectInputFilter设置过滤器来实现反序列化类白/黑名单控制。示例代码如下:

import java.util.List;
import java.util.Optional;
import java.util.function.Function;
import java.io.ObjectInputFilter;
class BikeFilter implements ObjectInputFilter {
    private long maxStreamBytes = 78; // Maximum allowed bytes in the stream.
    private long maxDepth = 1; // Maximum depth of the graph allowed.
    private long maxReferences = 1; // Maximum number of references in a graph.
    @Override
    public Status checkInput(FilterInfo filterInfo) {
        if (filterInfo.references() < 0 || filterInfo.depth() < 0 || filterInfo.streamBytes() < 0 || filterInfo.references() > maxReferences || filterInfo.depth() > maxDepth|| filterInfo.streamBytes() > maxStreamBytes) {
            return Status.REJECTED;
        }
        Class<?> clazz = filterInfo.serialClass();
        if (clazz != null) {
            if (SerialObject.class == filterInfo.serialClass()) {
                return Status.ALLOWED;
            }
            else {
                return Status.REJECTED;
            }
        }
        return Status.UNDECIDED;
    } // end checkInput
} // end class BikeFilter

上述示例代码,仅允许反序列化SerialObject类对象,上述示例及更多关于ObjectInputFilter的均参考自NCC Group Whitepaper由Robert C. Seacord写的《Combating Java Deserialization Vulnerabilities with Look-Ahead Object Input Streams (LAOIS)

黑名单校验修复

在反序列化时设置类的黑名单来防御反序列化漏洞利用及攻击,这个做法在源代码修复的时候并不是推荐的方法,因为你不能保证能覆盖所有可能的类,而且有新的利用payload出来时也需要随之更新黑名单。

但有某些场景下可能黑名单是一个不错的选择。写代码的时候总会把一些经常用到的方法封装到公共类,这样其它工程中用到只需要导入jar包即可,此前已经见到很多提供反序列化操作的公共接口,使用第三方库反序列化接口就不好用白名单的方式来修复了。这个时候作为第三方库也不知道谁会调用接口,会反序列化什么类,所以这个时候可以使用黑名单的方式来禁止一些已知危险的类被反序列化,部分的黑名单类如下:

  • org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer
  • org.apache.commons.collections.functors.InstantiateTransformer
  • org.apache.commons.collections4.functors.InvokerTransformer
  • org.apache.commons.collections4.functors.InstantiateTransformer
  • org.codehaus.groovy.runtime.ConvertedClosure
  • org.codehaus.groovy.runtime.MethodClosure
  • org.springframework.beans.factory.ObjectFactory
  • com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl
  • org.apache.commons.fileupload
  • org.apache.commons.beanutils
  • ...

安全编码建议

  • 更新commons-collections、commons-io等第三方库版本;
  • 业务需要使用反序列化时,尽量避免反序列化数据可被用户控制,如无法避免建议尽量使用白名单校验的修复方式;

总结

关于反序列化漏洞分析及利用研究的文章不少,但鲜有检测及修复方面的介绍,本文旨站在应用安全的角度,从安全编码、代码审计、漏洞检测及修复方案对反序列化漏洞进行详细分享。希望对从事应用安全的朋友有所帮助。文中若有问题之处欢迎指出交流。

参考

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