一、基本概念

Java序列化：就是将内存中的Java对象转换为字节序列的过程，可以理解为对Java对象打个快照。通过序列化，可以方便将Java对象保存在内存、文件、数据库等媒介中，也便于在网络中传输和共享Java对象。

Java反序列化：就是Java序列化的逆过程，将字节序列恢复为Java对象的过程。

序列化/反序列化并不是Java语言的独有特性，像PHP、Python、Ruby等动态语言也有类似的特性。序列化/反序列化的主要目的是：

1、远程过程调用（RPC）：为不同系统或不同进程之间提供Java对象数据交互；

2、缓存/持久化存储：可以将Java对象缓存或存储到本地文件、磁盘、数据库等媒介中；

3、会话tokens：用于HTTP cookies、HTML form表单参数、API 认证tokens等场景的交互数据。

在Java中，序列化/反序列化操作主要由 java.io.ObjectOutputStream.writeObject(Object) 方法和 java.io.ObjectInputStream.readObject()方法实现；在用户代码中，可以通过重写上述方法实现自定义操作。

Java序列化数据格式

参考文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/platform/serialization/spec/protocol.html

Java对象经过序列化后得到的数据是个二进制流，以固定的魔数（0xaced）和版本（0x0005）开始；在渗透测试过程中，可以以此来识别应用系统中反序列化的入口点。（0xaced 0005的base64编码以rO0AB开始，通常在Web应用系统中传输的Java序列化数据会经过base64编码）。

Java序列化数据示例：

00000000: aced 0005 7400 0d48 656c 6c6f 2c20 776f  ....t..Hello, wo
00000010: 726c 6421                                rld!

在Github上提供了Java对象序列化dump工具，可以对Java对象序列化后的数据进行解析，具体请参考：https://github.com/NickstaDB/SerializationDumper。例如，将上述二进制数据解析后的结果如下：

二、漏洞原理

Java反序列化漏洞产生的原因在于Java应用程序接收来自用户的序列化数据并尝试对其进行反序列化；如果攻击者通过构造恶意输入，让反序列化过程产生非预期的对象，将可能导致各种后果，严重时可能造成远程代码执行。

Java序列化/反序列化代码demo

下面代码演示将一段字符串经序列化保存到本地文件中，然后再从文件中恢复序列化的字符串。

package orz.vuln.poc;

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;

//将String对象序列化后保存到data.ser文件中
public class Serialization {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String text="Hello, world!";
        
        FileOutputStream fos=new FileOutputStream("D:/data.ser");
        ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(fos);
        oos.writeObject(text);
        oos.close();
        fos.close();
    }
}

序列化后的数据：

package orz.vuln.poc;

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

//将data.ser文件中的数据反序列化为Java对象：
public class Deserialization {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileInputStream fis=new FileInputStream("D:/data.ser");
        ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(fis);
        String text=(String) ois.readObject();
        fis.close();
        ois.close();
        System.out.println(text);
    }
}

执行结果：

在这里，可以通过修改本地文件数据控制反序列化后的字符串的值；例如，将data.ser修改如下：

00000000: aced 0005 7400 0845 7669 6c54 6578 74    ....t..EvilText

执行反序列化代码，结果：

更进一步Java序列化/反序列化

在实际开发中，更多是通过实现Serializable接口并重写readObject()方法对自定义类对象进行反序列化，以完成更多操作。如下代码示例，我们通过自定义Test类，实现了Serializable接口，并重写readObject()方法，在readObject()方法中，我们自定义输出字符串“Oops...”和弹出计算器操作。

package orz.vuln.poc;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;

public class DemoCode {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		
		Test test=new Test("calc.exe");
		
		FileOutputStream fos=new FileOutputStream("D:/object.ser");
		ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(fos);
		oos.writeObject(test);
		oos.close();
		fos.close();
		
		FileInputStream fis=new FileInputStream("D:/object.ser");
		ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(fis);
		Test test2=(Test) ois.readObject();
		ois.close();
	}
}

class Test implements Serializable {
	private String cmd;
	
	public Test(String cmd) {
		this.cmd=cmd;
	}
	
	//重写readObject()方法
	private void readObject(java.io.ObjectInputStream in) throws Exception {
		in.defaultReadObject();
		System.out.println("Oops...");
		java.lang.Runtime.getRuntime().exec(cmd);//触发代码执行，模拟调用链
	}
}

执行结果：

调用堆栈如下：

DemoCode [Java Application]	
	orz.vuln.poc.DemoCode at localhost:53445	
		Thread [main] (Suspended (entry into method exec in Runtime))	
			Runtime.exec(String) line: 345	
			Test.readObject(ObjectInputStream) line: 38	
			NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Method, Object, Object[]) line: not available [native method]	
			NativeMethodAccessorImpl.invoke(Object, Object[]) line: 57	
			DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Object, Object[]) line: 43	
			Method.invoke(Object, Object...) line: 601	
			ObjectStreamClass.invokeReadObject(Object, ObjectInputStream) line: 1004	
			ObjectInputStream.readSerialData(Object, ObjectStreamClass) line: 1891	
			ObjectInputStream.readOrdinaryObject(boolean) line: 1796	
			ObjectInputStream.readObject0(boolean) line: 1348	
			ObjectInputStream.readObject() line: 370	
			DemoCode.main(String[]) line: 22	
	D:\Tools\Java\jdk1.7.0_21\jre\bin\javaw.exe (2021年3月17日 下午5:13:24)	

从上述结果可以看出，反序列化将调用重写的readObject()方法，执行了自定义的字符串输出和弹出计算器。如果重写的readObject()方法中可以构造出代码执行利用链，将存在远程代码执行漏洞。当然，在实际开发过程中不可能像上述代码一样直接在readObject()方法内部写上java.lang.Runtime.getRuntime().exec(cmd)这种代码；但是也差不太多，只是实际调用链比较复杂，通过控制反序列化的输入数据，结合Java反射调用机制，寻找可构建远程代码执行的调用链，动态调用java.lang.Runtime.getRuntime().exec()完成代码执行。

下面可以放一个JDK7u21反序列化漏洞的调用堆栈做个对比，只是调用过程更加复杂化：

orz.vuln.poc.JDK7u21Exploit at localhost:53452	
	Thread [main] (Suspended (entry into method exec in Runtime))	
		owns: TemplatesImpl  (id=46)	
		Runtime.exec(String) line: 345	
		EvilCodes.<init>() line: 17	
		NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Constructor, Object[]) line: not available [native method]	
		NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(Object[]) line: 57	
		DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(Object[]) line: 45	
		Constructor<T>.newInstance(Object...) line: 525	
		Class<T>.newInstance0() line: 374	
		Class<T>.newInstance() line: 327	
		TemplatesImpl.getTransletInstance() line: 380	
		TemplatesImpl.newTransformer() line: 410	
		NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Method, Object, Object[]) line: not available [native method]	
		NativeMethodAccessorImpl.invoke(Object, Object[]) line: 57	
		DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Object, Object[]) line: 43	
		Method.invoke(Object, Object...) line: 601	
		AnnotationInvocationHandler.equalsImpl(Object) line: 197	
		AnnotationInvocationHandler.invoke(Object, Method, Object[]) line: 59	
		$Proxy0.equals(Object) line: not available	
		LinkedHashMap<K,V>(HashMap<K,V>).put(K, V) line: 475	
		LinkedHashSet<E>(HashSet<E>).readObject(ObjectInputStream) line: 309	
		NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Method, Object, Object[]) line: not available [native method]	
		NativeMethodAccessorImpl.invoke(Object, Object[]) line: 57	
		DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Object, Object[]) line: 43	
		Method.invoke(Object, Object...) line: 601	
		ObjectStreamClass.invokeReadObject(Object, ObjectInputStream) line: 1004	
		ObjectInputStream.readSerialData(Object, ObjectStreamClass) line: 1891	
		ObjectInputStream.readOrdinaryObject(boolean) line: 1796	
		ObjectInputStream.readObject0(boolean) line: 1348	
		ObjectInputStream.readObject() line: 370	
		JDK7u21Exploit.main(String[]) line: 91	

三、总结

Java反序列化漏洞的根源在于ObjectInputStream.readObject()方法在进行反序列化时并没有对生成的对象类型做检测和限制，并且当这种反序列化漏洞存在于一些公共类库中时，将造成重大影响。例如Apache Commons Collections中实现的一些类可以被反序列化用来实现任意代码执行。而在WebLogic、WebSphere、JBoss、Jenkins、OpenNMS这些应用的反序列化漏洞能够得以利用，就是因为这些应用中使用了Apache Commons Collections类库。这就好像在开启了ASLR地址随机化防御的系统中，出现了一个加载地址固定的共享库，或者类似于C语言中使用的链接库，当这些库存在漏洞时，将对使用了这些库的应用造成重大影响。