자바 직렬화의 대안을 찾자

2021-10-29

직렬화의 시작

1997년, 자바에 처음으로 직렬화가 도입되었다.

그때만 하더라도 직렬화는 연구용 언어인 모듈라-3 에서나 시도되었을 뿐,

대중적 언어에 적용된건 처음이었기에 다소 위험하지 않겠냐는 이야기가 나왔다.

프로그래머가 어렵지 않게 분산 객체를 만들 수 있다는 구호는 매력적이였지만,

  • 보이지 않는 생성자
  • API와 구현 사이의 모호해진 경계
  • 잠재적인 정확성
  • 성능
  • 보안
  • 유지보수성

등 그 대가가 컸다.

지지자들은 장점이 이런 위험성을 압도한다고 생각했지만, 지금까지 경험한 바로는 그 반대다.

직렬화로 인한 문제점들

2000년대 초반에 논의된 취약점들이 그 후로 십년 이상 심각하게 악용되었다.

2016년 11월에는 샌프란시스코 시영 교통국이 랜섬웨어 공격을 받아 요금 징수 시스템이 이틀간 마비되는 사태를 겪기도 했다.

직렬화의 근본적인 문제는 공격 범위가 너무 넓고 지속적으로 더 넓어져 방어하기 어렵다는 점이다.

ObjectInputStream 의 readObject 메서드를 호출하면 객체 그래프가 역직렬화하기 때문이다.

readObject 메서드는 (Serializable 인터페이스를 구현했다면) 클래스패스 안의 거의 모든 타입의 객체를 만들어낼 수 있는, 사실상 마법 같은 생성자다.

바이트 스트림을 역직렬화하는 과정에서 이 메서드는 그 타입들 안의 모든 코드를 수행할 수 있다.

이 말인즉슨, 그 타입들의 코드 전체가 공격 볌위에 들어간다는 뜻이다.

자바의 표준 라이브러리나 아파치 커먼즈 컬렉션 같은 서든파티 라이브러리는 물론 애플리케이션 자신의 클래스들도 공격 범위에 포함된다.

관련한 모든 모범 사례를 따르고 모든 직렬화 가능 클래스들을 공격에 대비하도록 작성한다 해도 애플리케이션은 여전히 취약할 수 있다.

CERT 조정 센터의 기술 관리자인 로버트 시커드의 말을 들어보자.

자바의 역직렬화는 명백하고 현존하는 위험이다.

이 기술은 지금도 애플리케이션에서 직접 혹은,

자바 하부 시스템

  • RMI(Remote Method Invocation)
  • JMX(Java Management Extension),
  • JMS(Java Messaging System)

을 통해 간접적으로 쓰이고 있기 때문이다.

신뢰할 수 없는 스트림을 역직렬화하면 원격 코드 실행(remote code execution, RCE), 서비스 거부(denial-of-service, Dos) 등이 공격으로 이어질 수 있다.

잘못한 게 아무것도 없는 애플리케이션이라도 이런 공격에 취약해질 수 있다.

공격자와 보안 전문가들은 자바 라이브러리와 널리 쓰이는 서드파티 라이브러리에서 직렬화 가능 타입들을 연구하여

역직렬화 과정에서 호출되어 잠재적으로 위험한 동작을 수행하는 메서드들을 찾아보았다.

이런 메서드를 가젯(gadget)이라고 부른다.

여러 가젯을 함께 사용하여 가젯 체인을 구성할 수도 있는데,

가끔식 공격자가 기반 하드웨어의 네이티브 코드를 마음대로 실행할 수 있는 아주 강력한 가젯 체인도 발견되곤 한다.

그래서 아주 신중하게 제작한 바이트 스트림만 역직렬화해야 한다.

샌프란시스코 교통국을 마비시킨 공격이 정확히 이런 사례로, 가젯들이 체인으로 엮어 피해가 더욱 컸따.

이 외에도 여러 공격이 있었을 것이고, 앞으로도 더 있을 것이다.

역직렬화 폭탄

가젯까지 갈 것도 없이,

역직렬화에 시간이 오래 걸리는 짧은 스트림을 역직렬화하는 것만으로도 서비스 거부 공격에 쉽게 노출될 수 있다.

이런 스트림을 역직렬화 폭탄(deserialization bomb)이라고 한다.

여기 바우터르 쿠카르츠가 HashSet과 문자열만 사용해 만든 예가 있다.

역직렬화 폭탄 - 이 스트림의 역직렬화는 영원히 계속 된다.

static byte[] bomb() {
  Set<Object> root = new HashSet<>();
  Set<Object> s1 = root;
  Set<Object> s2 = new HashSet<>();
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    Set<Object> t1 = new HashSet<>();
    Set<Object> t2 = new HashSet<>();
    t1.add("foo"); //t1을 t2와 다르게 만든다.
    s1.add(t1); s1.add(t2);
    s2.add(t1); s2.add(t2);
    s1 = t1;
    s2 = t2;
  }
  return serialize(root); // 간결하게 하기 위해 이 메서드의 코드는 생략함
}

이 객체 그래프는 201개의 HashSet 인스턴스로 구성되며,

그 각각은 3개 이하의 객체 참조를 갖는다.

스트림의 전체 크기는 5,744 바이트지만, 역직렬화는 절대 끝나지 않는다.

문제는 HashSet 인스턴스를 역직렬화하려면 그 원소들의 해시코드를 계산해야 한다는 데 있다.

루트 HashSet에 담긴 두 원소는 각각 다른 HashSet 2개씩을 원소로 갖는 HashSet이다.

그리고 반복문에 의해 이 구조가 깊이 100단계까지 만들어진다.

따라서 이 HashSet을 역직렬화하려면 hashCode 메서드를 2^100번 넘게 호출해야 한다.

역직렬화가 영원히 계속된다는 것도 문제지만, 무언가 잘못되었다는 신호조차 주지 않는다는 것도 큰 문제다.

이 코드는 단 몇 개의 객체만 생성해도 스택 깊이 제한에 걸려 버린다.

그렇다면 이 문제들을 어떻게 대처해야 할까?

애초에 신뢰할 수 없는 바이트 스트림을 역직렬화하는 일 자체가 스스로를 공격에 노출하는 행위다.

따라서 직렬화 위험을 회피하는 가장 좋은 방법은 아무것도 역직렬화하지 않는 것이다.

우리가 작성하는 새로운 시스템에서 자바 직렬화를 써야 할 이유는 전혀 없다.

객체와 바이트 시퀀스를 변환해주는 다른 메커니즘이 많이 있다.

이 방식들은 자바 직렬화의 여러 위험을 회피하면서 다양한 플랫폼 지원, 우수한 성능, 풍부한 지원도구 등 이점을 제공한다.

이런 메커니즘들도 직렬화 시스템이라 불리기도 하지만,

여기서는 직렬화와 구분하고자 크로스-플랫폼 구조화된 데이터표현(cross-platform-structured-data representation이라 한다.

크로스 플랫폼 구조화된 데이터 표현

이 표현들의 공통점은 자바 직렬화보다 훨씬 간단하다는 것이다.

임의 객체 그래프를 자동으로 직렬화/역직렬화하지 않는다.

대신 속성-값 쌍의 집합으로 구성된 간단하고 구조화된 데이터 객체를 사용한다.

그리고 기본 타입 몇 개와 배열 타입만 지원할 뿐이다.

이런 간단한 추상화만으로도 아주 강력한 분산 시스템을 구축하기에 충분하고,

자바 직렬화가 가져온 심각한 문제들을 회피할 수 있음이 밝혀졌다.

크래스-플랫폼 구조화된 데이터 표현의 선두주자는

  • JSON
  • 프로토콜 버퍼(Protocol Buffers, protobuf)

이다.

JSON은 더글라스 크록퍼드가 브라우저와 서버의 통신용으로 설계했고,

프로토콜 버퍼는 구글이 서버 사이에 데이터를 교환하고 저장하기 위해 설계했다.

보통은 이들은 언어 중립적이라고 하지만, 사실 JSON은 자바스크립트용으로,

프로토콜버퍼는 C++용으로 만들어졌고, 아직도 그 흔적이 남아 있다.

둘의 가장 큰 차이는 JSON은 텍스트 기반이라 사람이 읽을 수 있고,

프로토콜 버퍼는 이진 표현이라 효율이 훨씬 높다는 점이다.

또한 JSON은 오직 데이터를 표현하는 데만 쓰이지만,

프로토콜 버퍼는 문서를 위한 스키마를 제공하고 올바로 쓰도록 강요한다.

효율은 프로토콜 버퍼가 훨씬 좋지만 텍스트 기반 표현에는 JSON이 아주 효과적이다.

또한, 프로토콜 버퍼는 이진 표현뿐 아니라 사람이 읽을 수 있는 텍스트 표현(pbtxt)도 지원한다.

레거시

레거시 시스템 때문에 자바 직렬화를 완전히 배제할 수 없을 때의 차선책은 신뢰할 수 없는 데이터는 절대 역직렬화하지 않는 것이다.

특히, 신뢰할 수 없는 발신원으로부터의 RMI는 절대 수용해서는 안 된다.

자바의 공식 보안 코딩 지침에서는

신뢰 할 수 없는 데이터의 역직렬화는 본질적으로 위험하므로 절대로 피해야 한다

라고 조언한다.

이 문장은 글씨가 크고 굵으며, 붉은 색 기울임꼴로 되어 있다.

문서 전체에서 이 문장만 이렇게 강조해 놓았다.

역직렬화 필터링

직렬화를 피할 수 없고 역직렬화한 데이터가 안전한지 완전히 확신할 수 없다면 객체 역직렬화 필터링(java.io.ObjectInputFilter)을 사용하자

객체 역직렬화 필터링은 데이터 스트림이 역직렬화되기 전에 필터를 설치하는 기능이다.

클래스 단위로, 특정 클래스를 받아들이거나 거부할 수 있다.

기본 수용 모드에서는 블랙리스트에 기록된 잠재적으로 위엄한 클래스들을 거부한다.

반대로 기본 거부 모드에서는 화이트리스트에 기록된 안전하다고 알려진 클래스들만 수용한다.

블랙리스트 방식보다는 화이트리스트 방식을 추천한다.

블랙리스트 방식은 이미 알려진 위험으로부터만 보호할 수 있기 때문이다.

여러분의 애플리케이션을 위한 화이트리스트를 자동으로 생성해주는 스왓이라는 도구도 있으니 참고하자.

필터링 기능은 메모리를 과하게 사용하거나 객체 그래프가 너무 깊어지는 사태로부터 보호해준다.

하지만 앞서 보여준 직렬화 폭탄을 걸러내지 못한다.

마무리

안타깝게도 직렬화는 여전히 자바 생태계 곳곳에 쓰이고 있다.

자바 직렬화를 사용하는 시스템을 관리해야 한다면 시간과 노력을 들여서라도 크로스 플랫폼 구조화된 데이터 표현으로 마이그레이션하는 것을 심각하게 고민해봐야 한다.

하지만 현실적인 이유로 지금도 직렬화 가능 클래스를 작성하거나 유지보수해야 하는 사람이 있을 수 있다.

직렬화 가능 클래스를 올바르고 안전하고 효율적으로 작성하려면 상당한 주의가 필요하다.