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XStream 组件高危漏洞分析与利用

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作者：深信服千里目实验室
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/WtT0o2ygGGQek3wvIulfiQ

1. 组件介绍

XStream是Java类库，用来将对象序列化成XML(JSON)或反序列化为对象。XStream在运行时使用Java反射机制对要进行序列化的对象树的结构进行探索，并不需要对对象作出修改。XStream可以序列化内部字段，包括私private和final字段，并且支持非公开类以及内部类。在缺省情况下，XStream不需要配置映射关系，对象和字段将映射为同名XML元素。但是当对象和字段名与XML中的元素名不同时，XStream支持指定别名。XStream支持以方法调用的方式，或是Java标注的方式指定别名。XStream在进行数据类型转换时，使用系统缺省的类型转换器。同时，也支持用户自定义的类型转换器。

XStream类图：

2. 高危漏洞介绍

漏洞名称漏洞ID影响版本CVSS
XStream 远程代码执行漏洞CVE-2013-7285XStream <= 1.4.69.8
XStream 远程代码执行漏洞CVE-2019-10173XStream < 1.4.109.8
XStream 远程代码执行漏洞CVE-2020-26217XStream <= 1.4.138.0
XStream 外部实体注入漏洞CVE-2016-3674XStream <= 1.4.87.5
XStream 拒绝服务攻击CVE-2017-7957XStream <= 1.4.97.5

XStream组件漏洞主要是java反序列化造成的远程代码执行漏洞，目前官方通过黑名单的方式对java反序列化攻击进行防御，由于黑名单防御机制存在被绕过的风险，因此以后可能会再次出现类似上述java反序列化漏洞。

3. 漏洞利用链

3.1 组件风险梳理

根据XStream组件的漏洞，结合XStream常用的使用场景，得到如下风险梳理的场景图。

3.2 利用链总结

基于风险梳理思维导图，总结出一种漏洞的利用场景。

3.2.1 无权限 -> GetShell


XStream远程代码执行漏洞单独使用，即可完成GetShell。一般情况，如果一个Web应用中使用了受漏洞影响版本的XStream，都会受XStream本身的漏洞影响。除此之外，由于XStream是将XML格式数据反序列化成对象。因此如果Web应用还引入了其他的在反序列化过程中容易出现安全问题的依赖，也会出现反序列化漏洞。

4. 高可利用漏洞分析

从高危漏洞列表中，针对部分近年高可利用漏洞进行漏洞深入分析。

技术背景

java动态代理

Java标准库提供了一种 动态代理（Dynamic Proxy） 的机制：可以在运行期动态创建某个interface的实例。

例子： 我们先定义了接口Hello，但是我们并不去编写实现类，而是直接通过JDK提供的一个Proxy.newProxyInstance()创建了一个Hello接口对象。这种没有实现类但是在运行期动态创建了一个接口对象的方式，我们称为动态代码。JDK提供的动态创建接口对象的方式，就叫动态代理。

package test3_proxyclass;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        InvocationHandler handler = new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println(method);
                if (method.getName().equals("morning")) {
                    System.out.println("Good morning, " + args[0]);
                }
                return null;
            }
        };
        Hello hello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(
                Hello.class.getClassLoader(), // 传入ClassLoader
                new Class[] { Hello.class }, // 传入要实现的接口
                handler); // 传入处理调用方法的InvocationHandler
        hello.morning("Bob");
    }
}

interface Hello {
    void morning(String name);
}

java动态代理机制中有两个重要的类和接口InvocationHandler（接口）和Proxy（类），这一个类Proxy和接口InvocationHandler是我们实现动态代理的核心；

InvocationHandler接口: proxy代理实例的调用处理程序实现的一个接口，每一个proxy代理实例都有一个关联的调用处理程序；在代理实例调用方法时，方法调用被编码分派到调用处理程序的invoke方法。

newProxyInstance: 创建一个代理类对象，它接收三个参数，我们来看下几个参数的含义：

loader：一个classloader对象，定义了由哪个classloader对象对生成的代理类进行加载
interfaces：一个interface对象数组，表示我们将要给我们的代理对象提供一组什么样的接口，如果我们提供了这样一个接口对象数组，那么也就是声明了代理类实现了这些接口，代理类就可以调用接口中声明的所有方法。
h：一个InvocationHandler对象，表示的是当动态代理对象调用方法的时候会关联到哪一个InvocationHandler对象上，并最终由其调用。

getInvocationHandler： 返回指定代理实例的调用处理程序

getProxyClass： 给定类加载器和接口数组的代理类的java.lang.Class对象。

isProxyClass： 当且仅当使用getProxyClass方法或newProxyInstance方法将指定的类动态生成为代理类时，才返回true。

newProxyInstance： 返回指定接口的代理类的实例，该接口将方法调用分派给指定的调用处理程序。

4.1 XStream 远程代码执行漏洞

1 漏洞信息

1.1 漏洞简介

  • 漏洞名称：XStream Remote Code Execution Vulnerability
  • 漏洞编号：CVE-2013-7285
  • 漏洞类型：Remote Code Execution
  • CVSS评分：CVSS v2.0：7.5 ， CVSS v3.0：9.8
  • 漏洞危害等级：高危

1.2 漏洞概述

包含类型信息的流在unmarshalling时，会再次创建之前写入的对象。因此XStream会基于这些类型信息创建新的实例。攻击者可以操控XML数据，将恶意命令注入在在可以执行任意shell命令的对象中，实现漏洞的利用。

1.3 漏洞利用条件

  • 无

1.4 漏洞影响

影响版本：
XStream <= 1.4.6

1.5 漏洞修复

获取XStream最新版本，下载链接：https://x-stream.github.io/download.html

2.漏洞复现

2.1 环境拓扑


2.2 应用协议

8080/HTTP

2.3 环境搭建

基于Windows平台，使用环境目录下的xstreamdemo环境，拷贝后使用Idea打开xstreamdemo文件夹，下载maven资源，运行DemoApplication类，即可启动环境。效果如图。

2.4 漏洞复现

运行sniper工具箱，填写表单信息，点击Attack，效果如图。

3.漏洞分析

3.1 详细分析

3.1.1 代码分析

传入的payload首先会在com.thoughtworks.xstream.XStream的fromXML()方法中处理，在进入unmarshal()方法中进行解集。

在com.thoughtworks.xstream.core.AbstractTreeMarshallingStrategy类中的unmarshal()方法中调用start()方法进行Java对象转换。

在com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller类中的start()方法通过调用readClassType()获取type类型。

在readClassType()方法中调用readClassAttribute方法。

进入readClassAttribute方法调用aliasForSystemAttribute方法获取别名。调用getAttribute方法，获取reader对象中记录的外部传入XML数据中是否存在对应的标签，如果不存在则返回null。

回到HierarchicalStreams#readClassType方法中调用realClass方法，通过别名在wrapped对象中的Mapper中循环查找，获取与别名对应的类。

找到sorted-set别名对应的java.util.SortedSet类，并将类存入realClassCache对象中。

回到TreeUnmarshaller#start方法，调用convertAnother方法。进入convertAnother方法后，调用defaultImplementationOf方法，在mapper对象中寻找java.util.SortedSet接口类的实现类java.util.TreeSet。

获取java.util.TreeSet类型，调用lookupConverterForType方法，寻找对应类型的转换器。进入lookupConverterForType方法，循环获取转换器列表中的转换器，调用转换器类中的canConvert方法判断选出的转换器是否可以对传入的type类型进行转换。

转换器TreeSetConverter父类CollectionConverter中canConvert方法判断，传入的type与java.util.TreeMap相同，返回true，表示可以使用TreeSetConverter转换器进行转换。

回到DefaultConverterLookup#lookupConverterForType方法，将选取的converter与对应的type存入typeToConverterMap。

回到TreeUnmarshaller#convertAnother方法中，调用this.convert方法。

首先判断传入的xml数据中是否存在reference标签，如果不存在，则将当前标签压入parentStack栈中，并调用父类的convert方法。

进入convert方法中，调用转换器中的unmarshal方法，对传入的xml数据继续解组。

首先调用unmarshalComparator方法判断是否存在comparator，如果不存在，则返回NullComparator对象。

根据unmarshalledComparator对象状态，为possibleResult对象赋予TreeSet类型对象。

由于possibleResult是一个空的TreeMap，因此最终treeMap也是一个空对象，从而调用treeMapConverter.populateTreeMap方法。

进入populateTreeMap方法中，首先调用调用putCurrentEntryIntoMap方法解析第一个标签，再调用populateMap方法处理之后的标签（此流程中二级标签只存在一个，因此在处理二级标签时暂不进入populateMap方法）。

具体调用流程如下，com.thoughtworks.xstream.converters.collections.TreeSetConverter类中调用putCurrentEntryIntoMap方法 -> com.thoughtworks.xstream.converters.collections.AbstractCollectionConverter.readItem() 中的 readClassType()方法获取传入xml数据中标签名（别名）对应的类（与本节中获取sorted-set对应类的流程相同）。本次获取的是dynamic-proxy对应的java.lang.reflect.Proxy.DynamicProxyMapper类型，并将别名与类型作为键值对，存入realClassCache中。

回到AbstractCollectionConverter.readItem()方法中，调用convertAnother方法，寻找DynamicProxyMapper对应的convert，获取到DynamicProxyConverter转换器。

得到com.thoughtworks.xstream.mapper.DynamicProxyMapper$DynamicProxy，按照之前获取转换器之后的流程，调用转换器中的unmarshal()方法获取interface元素，得到java.lang.Comparable，并添加到mapper中。

在通过循环查询，继续查找下面的节点元素，进而获得了handler java.beans.EventHandler。

调用Proxy.newProxyInstance方法创建动态代理，实现java.lang.Comparable接口。

调用convertAnother方法获取传入type的转换器，java.beans.EventHandler对应的convert是ReflectionConverter。并将父类及其对象写进HashMap中

在com.thoughtworks.xstream.converters.reflection.AbstractReflectionConverter.duUnmarshal()方法获取下面的节点元素target java.lang.ProcessBuilder。
具体流程如下：调用getFieldOrNull方法，判断xml格式中传入的标签名在目标类中是否存在对应属性。

在调用reader.getNodeName()方法获取标签名，并赋值给originalNodeName。

调用realMember方法获取反序列化属性的名称。

调用readClassAttribute方法获取target标签中传入的类名

调用realClass获取上述过程中类名对应的类，并调用unmarshallField方法进行解析。

进入方法中，寻找对应type的转换器，由于是java.beans.EventHandler作为动态代理的实现类，所以选择的转化器都是ReflectionConverter 。使用选中的转换器进行解组。

使用ReflectionConverter convert处理java.lang.ProcessBuilder ，在duUnmarshal()方法获取command标签和comand标签下的String标签及其参数。（其中String标签下的参数是在下一层convert调用中获取的。）

调用this.reflectionProvider.writeField方法，将参数值传入对象中。


在按照获取target标签相同的流程获取action标签，最终将start方法存入对象中。

回到TreeMapConverter#populateTreeMap方法中，上述过程中构造的object保存在sortedMap中。且其中的动态代理实现的接口是java.lang.Comparable，因此只要调用java.lang.Comparable接口中的compareTo方法，即可触发动态代理，进入java.beans.EventHandler实现类中的invoke方法。在populateTreeMap方法中调用putAll方法，将sortedMap中的对象写入result变量的过程中会调用到compareTo，调用链如下。

进入java.beans.EventHandler#invoke方法中，通过反射执行对象中的方法。

3.1.2补丁分析

XStream1.4.7版本中，在com.thoughtworks.xstream.converters.reflection.ReflectionConverter添加type != eventHandlerType阻止ReflectionConverter解析java.beans.EventHandler类。从而防御了此漏洞。

4.2 XStream 远程代码执行漏洞

1.漏洞信息

1.1 漏洞简介

  • 漏洞名称：XStream Remote Code Execution Vulnerability
  • 漏洞编号：CVE-2019-10173
  • 漏洞类型：Remote Code Execution
  • CVSS评分：CVSS v2.0：7.3 ， CVSS v3.0：9.8
  • 漏洞危害等级：高危

1.2 漏洞概述

包含类型信息的流在unmarshalling时，会再次创建之前写入的对象。因此XStream会基于这些类型信息创建新的实例。攻击者可以操控XML数据，将恶意命令注入在在可以执行任意shell命令的对象中，实现漏洞的利用。

1.3 漏洞利用条件

无

1.4 漏洞影响

影响版本：
XStream = 1.4.10

1.5 漏洞修复

获取XStream最新版本，下载链接：https://x-stream.github.io/download.html

2.漏洞复现

2.1 环境拓扑


2.2 应用协议

8080/HTTP

2.3 环境搭建

基于Windows平台，使用环境目录下的xstreamdemo环境，拷贝后使用Idea打开xstreamdemo文件夹，下载maven资源，运行DemoApplication类，即可启动环境。效果如图。

2.4 漏洞复现

运行sniper工具箱，填写表单信息，点击Attack，效果如图。

3.漏洞分析

3.1 详细分析

3.1.1 代码分析

CVE-2019-10173漏洞与CVE-2013-7285漏洞原理相同，由于在XStream的安全模式默认不启动，导致防御失效。

Xstream 1.4.7对于漏洞的防御措施：通过在com.thoughtworks.xstream.converters.reflection.ReflectionConverter添加type != eventHandlerType阻止ReflectionConverter解析java.beans.EventHandler类

Xstream 1.4.10漏洞产生原因：在com.thoughtworks.xstream.converters.reflection.ReflectionConverter类中，canConvert方法中的type != eventHandlerType被删除了，使得原来的漏洞利用方式可以再次被利用。由于在Xstream1.4.10中的com.thoughtworks.xstream.XStream类增加了setupDefaultSecurity()方法和InternalBlackList转换器，通过黑名单的形式对漏洞进行防御。但是安全模式默认不开启，必须在初始化后才可以使用，eg：XStream.setupDefaultSecurity(xStream)。导致防御失效，造成漏洞的第二次出现。

3.1.2补丁分析

XStream1.4.11版本中，在com.thoughtworks.xstream.XStream更改安全模式初始化方法中的securityInitialized标志位。在调用InternalBlackList转换器中的canConvert方法时,可以进行黑名单匹配，从而防御了此漏洞。

漏洞防御在Xstream1.4.11中的com.thoughtworks.xstream.XStream类中InternalBlackList类会对java.beans.EventHandler进行过滤，java.beans.EventHandler执行marshal或者unmarshal方法时，会抛出异常终止程序。

4.3 XStream 远程代码执行漏洞

1.漏洞信息

1.1 漏洞简介

  • 漏洞名称：XStream Remote Code Execution Vulnerability
  • 漏洞编号：CVE-2020-26217
  • 漏洞类型：Remote Code Execution
  • CVSS评分：CVSS v2.0：无， CVSS v3.0：8.0
  • 漏洞危害等级：高危

1.2 漏洞概述

包含类型信息的流在unmarshalling时，会再次创建之前写入的对象。因此XStream会基于这些类型信息创建新的实例。攻击者可以操控XML数据，将恶意命令注入在在可以执行任意shell命令的对象中，实现漏洞的利用。

1.3 漏洞利用条件

  • 无

1.4 漏洞影响

影响版本：
XStream = 1.4.13

1.5 漏洞修复

获取XStream最新版本，下载链接：https://x-stream.github.io/download.html

2.漏洞复现

2.1 环境拓扑


2.2 应用协议

8080/HTTP

2.3 环境搭建

基于Windows平台，使用环境目录下的xstreamdemo环境，拷贝后使用Idea打开xstreamdemo文件夹，下载maven资源，运行DemoApplication类，即可启动环境。效果如图。

2.4 漏洞复现

运行sniper工具箱，填写表单信息，点击Attack，效果如图。

3.漏洞分析

3.1 详细分析

3.1.1 代码分析

代码分析：传入的payload首先会在com.thoughtworks.xstream.XStream的fromXML()方法中处理，在进入unmarshal()方法中进行解集。

在com.thoughtworks.xstream.core.AbstractTreeMarshallingStrategy类中的unmarshal()方法中调用start()方法进行Java对象转换。

在com.thoughtworks.xstream.core.TreeUnmarshaller类中的start()方法通过调用readClassType()获取type类型。

在readClassType()方法中调用readClassAttribute方法。

进入readClassAttribute方法调用aliasForSystemAttribute方法获取别名。调用getAttribute方法，获取reader对象中记录的外部传入XML数据中是否存在对应的标签，如果不存在则返回null。

回到HierarchicalStreams#readClassType方法中调用realClass方法，通过别名在wrapped对象中的Mapper中循环查找，获取与别名对应的类。

在DefaultMapper中，通过反射，获取到string标签传入的class，并将类存入realClassCache对象中。

回到TreeUnmarshaller#start方法，调用convertAnother方法。进入convertAnother方法后，调用lookupConverterForType方法，寻找对应类型的转换器。进入lookupConverterForType方法，循环获取转换器列表中的转换器，调用转换器类中的canConvert方法判断选出的转换器是否可以对传入的type类型进行转换。

转换器ReflectionConverter中canConvert方法判断，传入的type非null，返回true，表示可以使用ReflectionConverter转换器进行转换。

回到DefaultConverterLookup#lookupConverterForType方法，将选取的converter与对应的type存入typeToConverterMap。

回到TreeUnmarshaller#convertAnother方法中，调用this.convert方法。

首先判断传入的xml数据中是否存在reference标签，如果不存在，则将当前标签压入parentStack栈中，并调用父类的convert方法。

在com.thoughtworks.xstream.converters.reflection.AbstractReflectionConverter.duUnmarshal()方法获取下面的节点元素iter java.util.ArrayList$Itr。
具体流程如下：调用getFieldOrNull方法，判断xml格式中传入的标签名在目标类中是否存在对应属性。

在调用reader.getNodeName()方法获取标签名，并赋值给originalNodeName。

调用realMember方法获取反序列化属性的名称。

调用readClassAttribute方法获取iter标签中传入的类名

调用realClass获取上述过程中类名对应的类，并调用unmarshallField方法进行解析。

进入方法中，寻找对应type的转换器，使用选中的ReflectionConverter转换器进行解组。

使用ReflectionConverter convert处理java.util.ArrayList$Itr ，在duUnmarshal()方法获取cursor标签和cursor标签下的参数。（调用unmarshallField方法，与上述流程相似）

调用this.reflectionProvider.writeField方法，将参数值传入对象中。


回到AbstractReflectionConverter#doUnmarshal方法中获取后续的标签及其参数（分别为lastRet，expectedModCount，outer-class）。

按照同样的反序列化流程获取属性值，并写入对象。

解析outer-class标签，由于type是java.util.ArrayList，选择转换器是CollectionConverter。

调用CollectionConverter#unmarshal方法进行反序列化。

调用CollectionConverter#populateCollection -> CollectionConverter#addCurrentElementToCollection->AbstractCollectionConverter#readItem方法。最终调用realClass方法获取type类，获取过程中将outer-class标签下的子标签存入realClassCache中。

回到AbstractCollectionConverter#readBareItem方法调用convertAnother方法，按照之前的流程进行反序列化，为属性赋值，并写入对象。

最终返回ProcessBuilder对象，写入FilterIterator对象中。

在按照获取java.util.ArrayList$Itr对象相同的流程获取javax.imageio.ImageIO$ContainsFilter对象，通过反序列化为其内部的method属性和name属性进行赋值。

在选择转换器的过程中，由于method属性的类型是java.lang.reflect.Method，因此选择对应的转换器为JavaMethodConverter。

调用JavaMethodConverter#unmarshal方法进行xml数据解析，获取java.lang.processBuilder类中的start方法对象，写入到javax.imageio.ImageIO$ContainsFilter对象中。

再按照相同的流程，将start方法名写入name属性中。

最终在调用ReflectionProvider#writeField方法将javax.imageio.ImageIO$ContainsFilter对象写进FilterIterator对象的filter属性中。

将FilterIterator对象返回给最初的iterator对象中。

调用iterator.next()方法时，会调用其实现类FilterIterator中的next方法。

进入调用advance方法，调用filter方法时，会通过反射执行ProcessBuilder对象中的start方法，从而造成代码执行。

3.1.2补丁分析

XStream1.4.11版本中，在com.thoughtworks.xstream.XStream更改安全模式初始化方法中的securityInitialized标志位。在调用InternalBlackList转换器中的canConvert方法时,可以进行黑名单匹配，从而防御了此漏洞。

漏洞防御XStream1.4.14版本中，在com.thoughtworks.xstream.XStream的黑名单添加java.lang.ProcessBuilder和javax.imageio.ImageIO$ContainsFilter。从而防御了此漏洞。

5.漏洞利用

XStream 远程代码执行漏洞

漏洞利用视频，请转到原文观看，链接：https://mp.weixin.qq.com/s/WtT0o2ygGGQek3wvIulfiQ

6.参考链接

1.https://blog.csdn.net/yaomingyang/article/details/80981004
2.https://github.com/x-stream/xstream/compare/XSTREAM_1_4_6...XSTREAM_1_4_7
3.https://github.com/x-stream/xstream/compare/XSTREAM_1_4_10...XSTREAM_1_4_11
4.https://github.com/x-stream/xstream/compare/XSTREAM_1_4_13...XSTREAM_1_4_14

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