深入理解 JavaScript Prototype 污染攻击

本来是想发在代码审计知识星球里的一篇科普文章,因为最近知识星球似乎在和神秘组织对接,无法发表内容,所以发在博客里。Code-Breaking官方writeup拖了很久,主要是没时间,不过外面已经有很多同学的writeup了,所以问题不大。

JavaScript是一门非常灵活的语言,我感觉在某些方面可能比PHP更加灵活。所以,除了传统的SQL注入、代码执行等注入型漏洞外,也会有一些独有的安全问题,比如今天要说这个prototype污染。

0x01 prototype__proto__分别是什么?

JavaScript中,我们如果要定义一个类,需要以定义“构造函数”的方式来定义:

function Foo() {
    this.bar = 1
}

new Foo()

Foo函数的内容,就是Foo类的构造函数,而this.bar就是Foo类的一个属性。

为了简化编写JavaScript代码,ECMAScript 6后增加了class语法,但class其实只是一个语法糖。

一个类必然有一些方法,类似属性this.bar,我们也可以将方法定义在构造函数内部:

function Foo() {
    this.bar = 1
    this.show = function() {
        console.log(this.bar)
    }
}

(new Foo()).show()

但这样写有一个问题,就是每当我们新建一个Foo对象时,this.show = function...就会执行一次,这个show方法实际上是绑定在对象上的,而不是绑定在“类”中。

我希望在创建类的时候只创建一次show方法,这时候就则需要使用原型(prototype)了:

function Foo() {
    this.bar = 1
}

Foo.prototype.show = function show() {
    console.log(this.bar)
}

let foo = new Foo()
foo.show()

image.png

我们可以认为原型prototype是类Foo的一个属性,而所有用Foo类实例化的对象,都将拥有这个属性中的所有内容,包括变量和方法。比如上图中的foo对象,其天生就具有foo.show()方法。

我们可以通过Foo.prototype来访问Foo类的原型,但Foo实例化出来的对象,是不能通过prototype访问原型的。这时候,就该__proto__登场了。

一个Foo类实例化出来的foo对象,可以通过foo.__proto__属性来访问Foo类的原型,也就是说:

foo.__proto__ == Foo.prototype

image.png

所以,总结一下:

  1. prototype是一个类的属性,所有类对象在实例化的时候将会拥有prototype中的属性和方法
  2. 一个对象的__proto__属性,指向这个对象所在的类的prototype属性

0x02 JavaScript原型链继承

所有类对象在实例化的时候将会拥有prototype中的属性和方法,这个特性被用来实现JavaScript中的继承机制。

比如:

function Father() {
    this.first_name = 'Donald'
    this.last_name = 'Trump'
}

function Son() {
    this.first_name = 'Melania'
}

Son.prototype = new Father()

let son = new Son()
console.log(`Name: ${son.first_name} ${son.last_name}`)

Son类继承了Father类的last_name属性,最后输出的是Name: Melania Trump

总结一下,对于对象son,在调用son.last_name的时候,实际上JavaScript引擎会进行如下操作:

  1. 在对象son中寻找last_name
  2. 如果找不到,则在son.__proto__中寻找last_name
  3. 如果仍然找不到,则继续在son.__proto__.__proto__中寻找last_name
  4. 依次寻找,直到找到null结束。比如,Object.prototype__proto__就是null

image.png

JavaScript的这个查找的机制,被运用在面向对象的继承中,被称作prototype继承链。

以上就是最基础的JavaScript面向对象编程,我们并不深入研究更细节的内容,只要牢记以下几点即可:

  1. 每个构造函数(constructor)都有一个原型对象(prototype)
  2. 对象的__proto__属性,指向类的原型对象prototype
  3. JavaScript使用prototype链实现继承机制

0x03 原型链污染是什么

第一章中说到,foo.__proto__指向的是Foo类的prototype。那么,如果我们修改了foo.__proto__中的值,是不是就可以修改Foo类呢?

做个简单的实验:

// foo是一个简单的JavaScript对象
let foo = {bar: 1}

// foo.bar 此时为1
console.log(foo.bar)

// 修改foo的原型(即Object)
foo.__proto__.bar = 2

// 由于查找顺序的原因,foo.bar仍然是1
console.log(foo.bar)

// 此时再用Object创建一个空的zoo对象
let zoo = {}

// 查看zoo.bar
console.log(zoo.bar)

最后,虽然zoo是一个对象{},但zoo.bar的结果居然是2:

image.png

原因也显而易见:因为前面我们修改了foo的原型foo.__proto__.bar = 2,而foo是一个Object类的实例,所以实际上是修改了Object这个类,给这个类增加了一个属性bar,值为2。

后来,我们又用Object类创建了一个zoo对象let zoo = {},zoo对象自然也有一个bar属性了。

那么,在一个应用中,如果攻击者控制并修改了一个对象的原型,那么将可以影响所有和这个对象来自同一个类、父祖类的对象。这种攻击方式就是原型链污染

0x04 哪些情况下原型链会被污染?

在实际应用中,哪些情况下可能存在原型链能被攻击者修改的情况呢?

我们思考一下,哪些情况下我们可以设置__proto__的值呢?其实找找能够控制数组(对象)的“键名”的操作即可:

  • 对象merge
  • 对象clone(其实内核就是将待操作的对象merge到一个空对象中)

以对象merge为例,我们想象一个简单的merge函数:

function merge(target, source) {
    for (let key in source) {
        if (key in source && key in target) {
            merge(target[key], source[key])
        } else {
            target[key] = source[key]
        }
    }
}

在合并的过程中,存在赋值的操作target[key] = source[key],那么,这个key如果是__proto__,是不是就可以原型链污染呢?

我们用如下代码实验一下:

let o1 = {}
let o2 = {a: 1, "__proto__": {b: 2}}
merge(o1, o2)
console.log(o1.a, o1.b)

o3 = {}
console.log(o3.b)

结果是,合并虽然成功了,但原型链没有被污染:

image.png

这是因为,我们用JavaScript创建o2的过程(let o2 = {a: 1, "__proto__": {b: 2}})中,__proto__已经代表o2的原型了,此时遍历o2的所有键名,你拿到的是[a, b]__proto__并不是一个key,自然也不会修改Object的原型。

那么,如何让__proto__被认为是一个键名呢?

我们将代码改成如下:

let o1 = {}
let o2 = JSON.parse('{"a": 1, "__proto__": {"b": 2}}')
merge(o1, o2)
console.log(o1.a, o1.b)

o3 = {}
console.log(o3.b)

可见,新建的o3对象,也存在b属性,说明Object已经被污染:

image.png

这是因为,JSON解析的情况下,__proto__会被认为是一个真正的“键名”,而不代表“原型”,所以在遍历o2的时候会存在这个键。

merge操作是最常见可能控制键名的操作,也最能被原型链攻击,很多常见的库都存在这个问题。

0x05 Code-Breaking 2018 Thejs 分析

我在Code-Breaking 2018中出了一道原型链污染的CTF题目,为了更加贴合真实环境,我没有刻意加太多自己的代码,后端主要代码如下(完整代码可参考这里):

// ...
const lodash = require('lodash')
// ...

app.engine('ejs', function (filePath, options, callback) { 
// define the template engine
    fs.readFile(filePath, (err, content) => {
        if (err) return callback(new Error(err))
        let compiled = lodash.template(content)
        let rendered = compiled({...options})

        return callback(null, rendered)
    })
})
//...

app.all('/', (req, res) => {
    let data = req.session.data || {language: [], category: []}
    if (req.method == 'POST') {
        data = lodash.merge(data, req.body)
        req.session.data = data
    }

    res.render('index', {
        language: data.language, 
        category: data.category
    })
})

lodash是为了弥补JavaScript原生函数功能不足而提供的一个辅助功能集,其中包含字符串、数组、对象等操作。这个Web应用中,使用了lodash提供的两个工具:

  1. lodash.template 一个简单的模板引擎
  2. lodash.merge 函数或对象的合并

其实整个应用逻辑很简单,用户提交的信息,用merge方法合并到session里,多次提交,session里最终保存你提交的所有信息。

而这里的lodash.merge操作实际上就存在原型链污染漏洞。

在污染原型链后,我们相当于可以给Object对象插入任意属性,这个插入的属性反应在最后的lodash.template中。我们看到lodash.template的代码:https://github.com/lodash/lodash/blob/4.17.4-npm/template.js#L165

// Use a sourceURL for easier debugging.
var sourceURL = 'sourceURL' in options ? '//# sourceURL=' + options.sourceURL + '\n' : '';
// ...
var result = attempt(function() {
  return Function(importsKeys, sourceURL + 'return ' + source)
  .apply(undefined, importsValues);
});

options是一个对象,sourceURL取到了其options.sourceURL属性。这个属性原本是没有赋值的,默认取空字符串。

但因为原型链污染,我们可以给所有Object对象中都插入一个sourceURL属性。最后,这个sourceURL被拼接进new Function的第二个参数中,造成任意代码执行漏洞。

我将带有__proto__的Payload以json的形式发送给后端,因为express框架支持根据Content-Type来解析请求Body,这里给我们注入原型提供了很大方便:

image.png

可见,我们代码执行成功,返回了id命令的结果。

整个案例我觉得是一个非常经典的原型链污染漏洞教程,代码不多,逻辑不复杂,没有刻意创造漏洞,真正触发漏洞的代码在库中。

我一直觉得,出题不要刻意创造漏洞,而是找找你的知识点是否能在真实环境下找到应用。

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评论

Samui 回复

对于原型链污染的漏洞,加上hasOwnProperty的检查是否可以预防呢

wonderkun 回复

师傅在这个题目中找的这个利用链真是太流畅了,不得不膜啊 。

phithon 回复

@wonderkun 可惜懂欣赏的人并不多。

人迹罕至 回复

什么时候出个 Go Web framework 的欣赏一下。

phithon 回复

@人迹罕至 那得等我先学一阵子

repostone 回复

非技术的路过。

饿额额 回复

膜拜膜拜

Anemone 回复

问一下payload里面,直接return e => { return global.process.mainModule.constructor._load('child_process').execSync('uname -a')}就可以了,为什么还有个for循环呢?

phithon 回复

@Anemone
这问题太好了,文中没有讲到。
原型链污染攻击有个弊端,就是你一旦污染了原型链,除非整个程序重启,否则所有的对象都会被污染与影响。
这将导致一些正常的业务出现bug,或者就像这道题里一样,我的payload发出去,response里就有命令的执行结果了。这时候其他用户访问这个页面的时候就能看到这个结果,所以在CTF中就会泄露自己好不容易拿到的flag,所以需要一个for循环把Object对象里污染的原型删掉。

迷弟 回复

p神,可以推荐一下适合入门审计的cms吗?

跨境电商之家 回复

不错不错,来看看。。

xxy 回复

谢谢p神深入浅出的分享。但是在02节貌似有个小小的笔误,寻找show属性该改为寻找last_name属性才对。

phithon 回复

@xxy 谢谢,已修改

k 回复

p神,可不可以指点一些关于php代码审计的学习方法,php要学到什么程度玩审计

phithon 回复

@k 看懂一个完整cms

233 回复

看完感觉就是个前端写的,知识的广度很大啊

香香 回复

万能的p神,这些知识都是从哪里学习到的呀

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