Golang TLS双向身份认证DoS漏洞分析(CVE-2018-16875)

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一、前言

如果程序源代码使用Go语言编写,并且用到了单向或者双向TLS认证,那么就容易受到CPU拒绝服务(DoS)攻击。Go语言的crypto/x509标准库中的校验算法存在逻辑缺陷,攻击者可以精心构造输入数据,使校验算法在尝试验证客户端提供的TLS证书链时占用所有可用的CPU资源。

为了保护正常服务,大家应立即升级到G0 v1.10.6、v1.11.3或者更新版本。

 

二、研究背景

42Crunch的API Security平台后端采用的是微服务架构,而微服务使用Go语言编写。微服务之间通过gRPC相互通信,并且部署了REST API网关用于外部调用。为了确保安全性,我们遵循了“TLS everywhere”(处处部署TLS)原则,广泛采用了TLS双向认证机制。

Go的标准库原生支持SSL/TLS认证,也支持大量与连接处理、验证、身份认证等方面有关的x509和TLS原语。这种原生支持可以避免外部依赖,使用标准化的、经过精心维护和审核的TLS库也能降低安全风险。

因此42Crunch很有可能受此TLS漏洞影响,需要理解漏洞原理,保证42Crunch平台的安全性。

42Crunch安全团队针细致分析了该CVE,如下文所示。

 

三、问题描述

这个DoS问题最早由Netflixx发现,Golang在issue跟踪日志中提到:

crypto/x509包负责解析并验证X.509编码的密钥和证书,正常情况下会占用一定的资源来处理攻击者提供的证书链。

crypto/x509包并没有限制验证每个证书链时所分配的工作量,攻击者有可能构造恶意输入,导致CPU拒绝服务。Go TLS服务器在接受客户端证书或者TLS客户端在验证证书时会受此漏洞影响。

该漏洞具体位于crypto/x509 Certificate.Verify()函数的调用路径中,该函数负责证书认证及验证。

 

四、漏洞分析

背景知识

为了便于漏洞分析,我们举个简单的例子:TLS客户端连接至TLS服务器,服务器验证客户端证书。

TLS服务器在8080端口监听TLS客户端请求,验证客户端证书是否由证书颁发机构(CA)颁发:

caPool := x509.NewCertPool()
ok := caPool.AppendCertsFromPEM(caCert)
if !ok {
        panic(errors.New("could not add to CA pool"))
}

tlsConfig := &tls.Config{
        ClientCAs:  caPool,
        ClientAuth: tls.RequireAndVerifyClientCert,
}

//tlsConfig.BuildNameToCertificate()
server := &http.Server{
        Addr:      ":8080",
        TLSConfig: tlsConfig,
}

server.ListenAndServeTLS(certWeb, keyWeb)

在标准的TLS验证场景中,TLS客户端会连接到TLS服务器的8080端口,然后向服务器提供证书的“trust chain”(信任链),其中包括客户端证书、root CA证书以及中间所有CA证书。TLS服务器处理TLS握手,验证客户端证书,检查客户端是否可信(即客户端证书是否由服务器信任的CA签名)。通常TLS握手过程如下图所示:

分析Go语言的crypto/x509库,最终我们会进入x509/tls/handshake_server.go:doFullHandshake()函数代码段:

...
if c.config.ClientAuth >= RequestClientCert {
        if certMsg, ok = msg.(*certificateMsg); !ok {
                c.sendAlert(alertUnexpectedMessage)
                return unexpectedMessageError(certMsg, msg)
        }
        hs.finishedHash.Write(certMsg.marshal())

        if len(certMsg.certificates) == 0 {
                // The client didn't actually send a certificate
                switch c.config.ClientAuth {
                case RequireAnyClientCert, RequireAndVerifyClientCert:
                        c.sendAlert(alertBadCertificate)
                        return errors.New("tls: client didn't provide a certificate")
                }
        }

        pub, err = hs.processCertsFromClient(certMsg.certificates)
        if err != nil {
                return err
        }

        msg, err = c.readHandshake()
        if err != nil {
                return err
        }
}
...

根据代码,服务器会处理收到的客户端证书,然后调用x509/tls/handshake_server.go:processCertsFromClient()函数。如果需要验证客户端证书,服务器就会创建一个VerifyOptions结构,其中包含如下信息:

  • root CA池,即已配置的一系列可信CA(由服务器控制),用来验证客户端证书
  • 中间CA池,即服务端收到的一系列中间CA(由客户端控制)
  • 已签名的客户端证书(由客户端控制)
  • 其他字段(可选项)
if c.config.ClientAuth >= VerifyClientCertIfGiven && len(certs) > 0 {
        opts := x509.VerifyOptions{
                Roots:         c.config.ClientCAs,
                CurrentTime:   c.config.time(),
                Intermediates: x509.NewCertPool(),
                KeyUsages:     []x509.ExtKeyUsage{x509.ExtKeyUsageClientAuth},
        }

        for _, cert := range certs[1:] {
                opts.Intermediates.AddCert(cert)
        }

        chains, err := certs[0].Verify(opts)
        if err != nil {
                c.sendAlert(alertBadCertificate)
                return nil, errors.New("tls: failed to verify client's certificate: " + err.Error())
        }

        c.verifiedChains = chains
}

为了澄清问题机理,我们需要理解服务端如何管理证书池,以便通过高效的方式来验证证书。证书池实际上就是一个证书列表,可以根据实际需求通过3种不同的方式来访问。一种访问方式如下图所示:池中证书可以通过索引数组(这里为Certs)来访问,以CN, IssuerName, SubjectKeyId字段作为哈希字段。

验证过程

服务端使用VerifyOptions参数调用Verify()函数来处理客户端证书(即chain:certs[0]中的第一个证书)。

然后Verify()会根据客户端提供的证书链来处理待验证的客户端证书,但首先需要使用buildChains()函数建立并检查整条验证链:

var candidateChains [][]*Certificate
if opts.Roots.contains(c) {
        candidateChains = append(candidateChains, []*Certificate{c})
} else {
        if candidateChains, err = c.buildChains(make(map[int][][]*Certificate), []*Certificate{c}, &opts); err != nil {
                return nil, err
        }
}

buildChains()函数会依次调用占用CPU资源的一些函数,递归处理这条链上的每个元素。

buildChains()函数依赖于findVerifiedParents()函数,而后者可以通过IssuerName或者AuthorityKeyId映射访问证书池,识别上级证书,,然后返回候选证书索引,以便后续根据客户端控制的证书池来验证该证书。

在正常情况下,程序会提取IssuerNameAuthorityKeyId,并且认为这些值为唯一值,只会返回一个待验证的证书:

func (s *CertPool) findVerifiedParents(cert *Certificate) (parents []int, errCert *Certificate, err error) {
    if s == nil {
        return
    }
    var candidates []int

    if len(cert.AuthorityKeyId) > 0 {
        candidates = s.bySubjectKeyId[string(cert.AuthorityKeyId)]
    }
    if len(candidates) == 0 {
        candidates = s.byName[string(cert.RawIssuer)]
    }

    for _, c := range candidates {
        if err = cert.CheckSignatureFrom(s.certs[c]); err == nil {
            parents = append(parents, c)
        } else {
            errCert = s.certs[c]
        }
    }

    return
}

buildChains()函数会在客户端发给TLS服务器的整条证书链上执行如下操作:

  • 在(服务端)root CA池上调用findVerifiedParents(client_certificate),查找待验证证书的签发机构(判断是否为root CA),然后根据AuthorityKeyId(如果不为nil)或者原始的issuer值(如果为nil)检查所有找到的证书的签名
  • 在(客户端提供的)中间CA池上调用findVerifiedParents(client_certificate),查找已验证证书的签发机构(判断是否为中间CA),然后根据AuthorityKeyId(如果不为nil)或者原始的issuer值(如果为nil)检查所有找到的证书的签名
  • 获取上一级中间签名节点
  • 在新发现的中间节点上调用buildChains(),然后重复前面描述的签名检查过程

DoS攻击

攻击者可以构造一种非预期场景,其中所有的中间CA证书使用的都是同一个名称,并且AuthKeyId值为nil,这样当调用buildChains()findVerifiedParent()函数时,就会造成CPU DoS攻击效果。findVerifiedParent()函数会返回与该名称匹配的所有证书(这里返回的是整个证书池),然后检查所有证书的签名。检查完毕后,会再次递归调用buildchains()函数处理找到的上一级证书,最后处理到root CA为止。每一次检查过程实际上都会处理整个中间CA池,因此单单一个TLS连接就会耗尽所有可用的CPU资源。

 

五、漏洞影响

攻击者可以精心构造一条证书链,使客户端证书校验过程耗尽服务端所有CPU资源,降低目标主机响应速度。只需要1个连接就能导致这种攻击效果。根据Go的调度程序规则,只有两个CPU核心会受到影响,CPU使用率达到100%,攻击者可以创建新连接,强制调度程序分配更多资源来校验签名,最终导致目标服务或目标主机无响应。

 

六、缓解措施

Go语言社区已经通过如下措施修复该问题:

  • findVerifiedParent()证书池查找过程中移除签名检测逻辑
  • 限制签名检测次数,最多检测100个中间CA(实际信任链中很难看到这种情况)

如果向修复该漏洞,请立即升级到G0 v1.10.6、v1.11.3或者更新版本。

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