UTF-8 Overlong Encoding导致的安全问题

「代码审计」知识星球中@1ue 发表了一篇有趣的文章《探索Java反序列化绕WAF新姿势》，深入研究了一下其中的原理，我发现这是一个对我来说很“新”，但实际上年纪已经很大的Trick。

0x01 UTF-8编码原理

UTF-8是现在最流行的编码方式，它可以将unicode码表里的所有字符，用某种计算方式转换成长度是1到4位字节的字符。

参考这个表格，我们就可以很轻松地将unicode码转换成UTF-8编码：

First code point	Last code point	Byte 1	Byte 2	Byte 3	Byte 4
U+0000	U+007F	0xxxxxxx
U+0080	U+07FF	110xxxxx	10xxxxxx
U+0800	U+FFFF	1110xxxx	10xxxxxx	10xxxxxx
U+10000	U+10FFFF	11110xxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx

举个例子，欧元符号€的unicode编码是U+20AC，按照如下方法将其转换成UTF-8编码：

首先，因为U+20AC位于U+0800和U+FFFF之间，所以按照上表可知其UTF-8编码长度是3
0x20AC的二进制是10 0000 1010 1100，将所有位数从左至右按照4、6、6分成三组，第一组长度不满4前面补0：0010，000010，101100
分别给这三组增加前缀1110、10和10，结果是11100010、10000010、10101100，对应的就是\xE2\x82\xAC
\xE2\x82\xAC即为欧元符号€的UTF-8编码

0x02 Overlong Encoding是什么问题？

那么，了解了UTF-8的编码过程，我们就可以很容易理解Overlong Encoding是什么问题了。

Overlong Encoding就是将1个字节的字符，按照UTF-8编码方式强行编码成2位以上UTF-8字符的方法。

仍然举例说明，比如点号.，其unicode编码和ascii编码一致，均为0x2E。按照上表，它只能被编码成单字节的UTF-8字符，但我按照下面的方法进行转换：

0x2E的二进制是10 1110，我给其前面补5个0，变成00000101110
将其分成5位、6位两组：00000，101110
分别给这两组增加前缀110，10，结果是11000000，10101110，对应的是\xC0AE

0xC0AE并不是一个合法的UTF-8字符，但我们确实是按照UTF-8编码方式将其转换出来的，这就是UTF-8设计中的一个缺陷。

按照UTF-8的规范来说，我们应该使用字符可以对应的最小字节数来表示这个字符。那么对于点号来说，就应该是0x2e。但UTF-8编码转换的过程中，并没有限制往前补0，导致转换出了非法的UTF-8字符。

这种攻击方式就叫“Overlong Encoding”。

Overlong Encoding实际上很早就被提出了，早到那时候我还没开始学安全。很多语言在实现UTF-8的转换时，会对这个攻击方式做一定检查。比如，Python中如果你想将0xC0AE转换成点号，就会抛出异常：

但我们质朴刚健的Java生态，在很多地方是没有对其进行防御的，这就导致了一些安全问题。

0x03 GlassFish 任意文件读取漏洞

如果对安全熟悉的读者，看到前面的0xC0AE，其实应该很快想起来一个经典漏洞——GlassFish 任意文件读取漏洞。

这个漏洞就是在URL中使用%C0%AE来代替点号.，绕过目录穿越的限制，导致任意文件读取漏洞：

其原理就是GlassFish在路径解码时使用UTF-8编码，很典型的Overlong Encoding利用。

0x04 利用Overlong Encoding绕过WAF

回到本文开头的文章，其实@1ue 是完全在分析反序列化代码的时候发现了这个问题，换句话说，就等于把Overlong Encoding攻击重新发现了一遍，还是挺厉害的。

Java在反序列化时使用ObjectInputStream类，这个类实现了DataInput接口，这个接口定义了读取字符串的方法readUTF。在解码中，Java实际实现的是一个魔改过的UTF-8编码，名为“Modified UTF-8”。

参考其文档可以发现，“Modified UTF-8”类似于MySQL中的UTF8，只使用三个字节来表示：

但其三字节以内的转换过程是和UTF-8相同的，所以仍然继承了“Overlong Encoding”缺陷。

攻击者可以将反序列化字节流里一些字符按照“Overlong Encoding”的方法转换成非法UTF-8字符，用来绕过一些基于流量的防御方法。

我写了一个简单的Python函数，用于将一个ASCII字符串转换成Overlong Encoding的UTF-8编码：

def convert_int(i: int) -> bytes:
    b1 = ((i >> 6) & 0b11111) | 0b11000000
    b2 = (i & 0b1111111) | 0b10000000
    return bytes([b1, b2])


def convert_str(s: str) -> bytes:
    bs = b''
    for ch in s.encode():
        bs += convert_int(ch)

    return bs


if __name__ == '__main__':
    print(convert_str('.')) # b'\xc0\xae'
    print(convert_str('org.example.Evil')) # b'\xc1\xef\xc1\xf2\xc1\xe7\xc0\xae\xc1\xe5\xc1\xf8\xc1\xe1\xc1\xed\xc1\xf0\xc1\xec\xc1\xe5\xc0\xae\xc1\xc5\xc1\xf6\xc1\xe9\xc1\xec'

参考链接：