• 本文作者: 天融信安全应急响应中心
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  • 2021年4月6日
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Xstream反序列化远程代码执行漏洞深入分析

0. 前言

Xstream是java中一个使用比较广泛的XML序列化组件,本文以近期Xstream爆出的几个高危RCE漏洞为案例,对Xstream进行分析,同时对POC的构成原理进行讲解

 

1. Xstream简介

XStream是一个简单的基于Java库,Java对象序列化到XML,反之亦然(即:可以轻易的将Java对象和xml文档相互转换)。

Xstream具有以下优点

  • 使用方便 – XStream的API提供了一个高层次外观,以简化常用的用例。
  • 无需创建映射 – XStream的API提供了默认的映射大部分对象序列化。
  • 性能 – XStream快速和低内存占用,适合于大对象图或系统。
  • 干净的XML – XStream创建一个干净和紧凑XML结果,这很容易阅读。
  • 不需要修改对象 – XStream可序列化的内部字段,如私有和最终字段,支持非公有制和内部类。默认构造函数不是强制性的要求。
  • 完整对象图支持 – XStream允许保持在对象模型中遇到的重复引用,并支持循环引用。
  • 可自定义的转换策略 – 定制策略可以允许特定类型的定制被表示为XML的注册。
  • 安全框架 – XStream提供了一个公平控制有关解组的类型,以防止操纵输入安全问题。
  • 错误消息 – 出现异常是由于格式不正确的XML时,XStream抛出一个统一的例外,提供了详细的诊断,以解决这个问题。
  • 另一种输出格式 – XStream支持其它的输出格式,如JSON。

下面通过一个小案例来演示Xstream如何将java对象序列化成xml数据

首先是两个简单的pojo类,都实现了Serializable接口并且重写了readObject方法

然后生成一个People对象,并使用Xstream对其进行序列化

最后的执行结果如下

如果两个pojo类没有实现Serializable接口则序列化后的数据是以下这个样子

看到这里,有些同学可能就意识到了,Xstream在处理实现了Serializable接口和没有实现Serializable接口的类生成的对象时,方法是不一样的。

在TreeUnmarshaller类的convertAnother方法处下断点,如下图所示

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这里会获取一个converter,中文直译为转换器,Xstream的思路是通过不同的converter来处理序列化数据中不同类型的数据,我们跟进该方法看看在处理最外层的没有实现Serializable接口的People类时用的是哪种converter

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从执行的结果中可以看到最终返回一个ReflectionConverter,当然不同的类型在这里会返回不同的Converter,这里仅仅只是处理我们自定义的未实现Serializable接口的People类时使用ReflectionConverter,该Converter的原理是通过反射获取类对象并通过反射为其每个属性进行赋值,那如过是处理实现了Serializable接口并且重写了readObject方法的People类时会有什么不一样呢?

更换序列化后的数据,在同样的位置打上断点,会发现这里处理People的Converter由ReflectionConverter变成了,SerializableConverter。

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这是我们尝试在People类的readObject类处打上断点

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会发现执行过程中居然调用了我们重写的readObject方法,此时的调用链如下

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既然会调用readObject方法的话,那此时我们的思路应该就很清晰了,只需要找到一条利用链,就可以尝试进行反序列化攻击了

 

2. CVE-2021-21344

下面是漏洞相关POC

不难看出最外层封装的类是PriorityQueue,PriorityQueue是实现了Serializable接口并且重写了readObject方法的这点从POC中PriorityQueue的标签上也看得出,结合我们之前对XStream的分析 这次我们直接在PriorityQueued的readObject方法中打上断点。

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研究过java反序列化的同学对PriorityQueue这个类肯定不会陌生,经典的CommonCollections利用链中有几个就用到了PriorityQueue,放一下此刻的调用链。

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然后我们跟进heapify()方法,

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经过一些调试来到了PriorityQueue类的siftDownUsingComparator方法中如下图所示。

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这里调用了PriorityQueue类中存储在comparator属性中的对象的compare方法,这时我们回过头来再去看一下POC

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我们可以很直观的从XStream序列化的数据中看到PriorityQueue类的comparator属性中存储的是一个sun.awt.datatransfer.DataTransferer$IndexOrderComparator类型的对象 也就是说接下来会调用DataTransferer$IndexOrderComparator对象的compare方法。

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剩下的过程就是一系列的嵌套调用,最终会执行到com.sun.rowset.JdbcRowSetImpl的getDatabaseMetaData中,并最终在JdbcRowSetImpl的connect方法中通过JNDI去lookup事先封装在JdbcRowSetImpl的dataSource中的恶意地址

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最后贴一下调用栈

 

CVE-2021-21344分析至此完毕。

2. CVE-2021-21345

先粘贴一下cve-2021-21345的poc

可以看到21345的利用链较之21344的利用链来说变化不大,唯一的不同点在于执行代码的位置不再使用JdbcRowSetImpl去远程加载恶意类来到本地执行恶意代码,而是使用com.sun.corba.se.impl.activation.ServerTableEntry类直接在本地执行恶意代码,从利用的复杂度上来和21344做比较的话无疑是简单的不少,既然整个利用链中变化的只有这一处,那就单分析这个类就可以了,将断点直接打在ServerTableEntry类的verify方法上。

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这里直接将activationCmd属性中的值作为参数调用Runtime.exec来进行执行,而activationCmd在序列化的数据中就已经被我们自定义了值。

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由于调用栈和CVE-2021-21344基本一样所以就不再重复粘贴的,至此CVE-2021-21345分析完毕

 

3. CVE-2021-21347

首先先看下POC

可以看到这个漏洞的利用链就和之前两个大不相同了,并且在分析该漏洞的时候也踩了一些坑,在这里也和大家详细说明一下

这里我先用jdk 1.8.20版本来复现这个漏洞,然而执行的时候却返回以下错误

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一开始没太明白这里是出了什么问题 先是跟着报错信息中提示的路径去看了一下,发现是在反序列化PriorityQueue的comparator属性的时候出现了问题。

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经过一段跟踪调试,跟踪到类加载的地方发现根本找不到这个ObservableList$1的对象,从这个名字带有$1不难看出,这是一个匿名内部类对象,此时我们先去ObservableList这个类中去查看一下,然后发现ObservableList是一个接口类型,源码如下

发现根本就没有什么匿名内部类,此时分析陷入了僵局,然后经过该漏洞的作者threedr3am师傅的指导,尝试更换了下JDK的版本,将JDK版本更换为1.8.131版本后ObservableList的源码发生了变化。这里只粘贴关键的代码。

可以看到sorted()方法里面多了一个Comparator类型的匿名内部类对象,而这个就是我们反序列化是POC中的那个ObservableList$1,这里写一个简单的例子验证一下

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该漏洞利用的时候对JDK的版本有一定的限制,

接下来开始继续分析,然后当我用JDK1.8.131再次运行的时候又爆了另一个错误

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这里提示找不到 java.security.ProtectionDomain$Key.outer-class这个属性,然后经过一段让人头秃的调试后终于搞明白了其中缘由。

首先着重看一下出现问题的POC的位置

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导致报错的就是这个outer-class标签,报错的原因是反序列化的时候找不到这个outer-class属性,我们来到对应的类也就是ProtectionDomain$Key这个类中查看一下

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发现key是一个静态内部类。

接下来我们要搞明白,就XStream在什么情况下在序列化的数据中出现这个outer-class标签,这里进行一个简单的实验

这里有两个类,一个是Foo类,另一个Bar是一个成员内部类,这里Foo有一个属性bar用来存储一个Bar类型的数据。接下来我们实例化一下这个类,然后对其属性进行赋值,并用XStream对其进行序列化。

查看执行结果

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当引用了自己的成员内部类时,XStream就会通过outer-class来进行标识。在回过去看poc就可以理解这里表示的意思是Key作为一个成员内部类被ProtectionDomain引用,但是在jdk1.8.131中ProtectionDomain$Key是一个静态内部类呀,静态内部类XStream序列化的时候是不会通过<outer-class>标签进行标识的

介于之前菜的坑,我又将jdk版本更换到1.8.221版本此时再看ProtectionDomain$Key这个类,可以看到在1.8.221版本的jdk中,Key已经从静态内部来改成一个成员内部类了,此时在运行POC就不会报找不到outer-class的错误了。

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当然既然在jdk1.8.131版本中Key时静态内部类,那我们也可以直接通过在POC中删除<outer-class>这个标签来避免这个报错。

不过虽然时不报错了,但是我们还是没搞清楚这个outer-class究竟为什么会有这条属性,这里引用一篇文章java非静态内部类中的属性this$0

接着用我们写的Demo中的Foo类和它的成员内部类Bar类来进行讲解,在Foo$Bar对象生成过后我打一个断点

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这里有一个变量名为this$0的一个变量,仔细观察他的类型,发现是一个Foo类型的,也就是说他是Foo这个最外层的类对象,还记得学习java基础的时候在学习内部类的时候学过的一个知识点,就是内部类可以直接使用外部类的公有或私有变量,而外部类却不能直接使用内部类的变量,就是因为内部类会在编译时就加入一个外部类作为变量。

搞明白了这一点后我们就继续分析gadget

同样的PriorityQueue部分就不再重复讲解了,只贴一下调用链

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我们从ObsevableList$1这个匿名内部类开始讲起,我们来看下这个匿名内部类的实现

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这里 o1和o2是同一个Base64Data对象,目的调用Base64Data.toString方法,跟入查看toString方法详情

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toString方法中调用了Base64Data.get方法,继续跟入,在get方法中调用了ByteArrayOutputStreamEx.readFrom()方法,而传入的参数则是一个SequenceInputStream对象。

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这里先粘贴一下此时整个Base64Data对象的封装情况。

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跟入ByteArrayOutputStreamEx.readFrom()方法,经过几次嵌套调用后,来到了SequenceInputStream.nextStream()方法中,这里的关键是调用了属性e,也就是POC中就封装进去的MultiUIDefaults$MultiUIDefaultsEnumerator对象的hasMoreElements()方法

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继续跟进,就会看到调用了JavacProcessingEnvironment$NameProcessIterator.hasNext()方法

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当跟入到hasNext()方法方法后可以看到该方法中的关键点在于,调用processorCL的loadClass方法

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我们直接从POC中来查看processorCL就是封装进去的URLClassLoader对象,而var1就是封装入names属性中的Arrays$ArrayList对象中存储的字符串也就是恶意类的名字。

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接下来的步骤就是通过URLClassloader去远程加载恶意类到本地 然后执行静态代码块中的恶意代码从而导致RCE,这个过程就不进行深入赘述了,至此CVE-2021-21347漏洞分析完毕

 

4. CVE-2021-21350

粘贴一下POC

该漏洞的整个利用链和CVE-2021-21345如出一辙,不同的地方在于,最后的加载恶意Class的Classloader不再使用URLClassloader去远程加载,而是采用了com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader,这里相信对FastJson有了解的同学应该不陌生,这里使用了BCEL的方式来进行恶意代码执行

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但是整个利用链和CVE-2021-21347是一样的,所以这里也就不重复赘述了。

 

5. CVE-2021-21351

粘贴一下POC

这次用到的gadget入口点为javax.naming.ldap.Rdn$RdnEntry,在使用该POC之前仍然有一个点是需要注意的,\ <__overrideDefaultParser>这个标签在低版本的jdk中是没有的,需要进行更换。

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更换成以下标签。

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接下来就用jdk1.8.20为例,来进行分析。首先在POC中我们可以直观的看到,有两个Rdn$RdnEntry的序列化数据,最外层的触发点是Rdn$RdnEntry.compareTo方法,该方法是对比两个Rdn$RdnEntry的value属性是否相同。

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当前对象的value属性是一个Xstring对象,在POC中的这个位置。

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所以跟进Xstring.equals方法,该方法中需要注意的是调用了obj2 也就是传入的XRTreeFrag.toString方法,跟进该方法

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经过一次嵌套调用后,来到XRTreeFrag.str方法中 这里调用了之前就封装在POC中的SAX2DTM对象,如下图所示

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跟入SAX2DTM.getStringValue方法,经过两次嵌套调用后,来到了SAX2DTM.nextNode方法中,该方法中需要注意的是调用了m_incrementalSAXSource属性也就是POC中封装好的IncrementalSAXSource_Xerces对象的deliverMoreNodes方法。

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继续向下执行,最终会执行到IncrementalSAXSource_Xerces.parseSome方法,该方法会通过反射调用JdbcRowSetImpl.setAutoCommit方法。

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接下来的流程就还是JdbcRowSetImpl的老一套了,就不再深入说明了。至此CVE-2021-21351分析完毕

6. 总结

此次爆出的几个反序列化RCE漏洞,总结下漏洞的触发点分别为“java.util.PriorityQueue.compare()“、“javax.naming.ldap.Rdn$RdnEntry.compareTo()”、而Xstream的防护方法也是很直白是通过黑名单的形式来进行防护。

下面是1.4.15版本的黑名单

然后是1.4.16版本的黑名单

 

Written by 天融信安全应急响应中心