Black Hat Europe 2021议题解读:Wi-Fi Mesh中的安全攻击面

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近年来,随着万物互联技术的发展,Mesh技术逐渐兴起,Mesh技术是一种组网技术,可将多个接入点组成同一个网络来提供服务,相比于传统的WiFi组网技术,Mesh组网更稳定,更快,扩展性更强。而WiFi Mesh也凭借着自组织,自管理,自治愈的特性,在未来万物互联的场景中占据重要的地位。

针对WiFi Mesh的新兴场景,在本次Black Hat Europe 2021大会上,百度安全以线上的形式分享了议题《BadMesher: New Attack Surfaces of Wi-Fi Mesh Network》,该议题主要讨论了WiFi Mesh中的安全攻击面,设计并实现了一套自动化漏洞挖掘工具MeshFuzzer,并展示了其在实际漏洞挖掘过程中的效果。

 

议题解读

基本概念

EasyMesh概念

EasyMesh是WiFi联盟推出的一项标准化认证方案,其经历了三个发展阶段:

图 1 EasyMesh发展流程

2018年,Mesh技术为厂商各自实现,缺乏统一的标准,因此不同厂商的设备之间无法互联互通。
2019年,WiFi联盟推出EasyMesh V1版本,引入了Onboarding流程和Auto-Config流程,并使用1905控制协议来实现Mesh中大部分的控制功能。
2020年,WiFi联盟推出EasyMesh V2和V3版本,V3版本丰富了更多的控制特性,尤其增加了安全特性,为控制消息添加了授权和完整性校验。
目前通过EasyMesh认证的厂商已经有数十家,其中包括Mediatek、Huawei、ZTE等。

EasyMesh架构

EasyMesh的架构如图 2所示,其中包含两个关键链路,两个关键角色。

图 2 EasyMesh架构图

关键链路

1、Fronthaul链路:指的是暴露的WiFi链路,也就是我们手机能够正常连接的SSID
2、Backhual链路:指的是隐藏的WiFi链路,即为是无法搜索到的SSID,是专门为Mesh提供的链路

关键角色

1、Controller角色:Mesh网络的管理者,可向Agent发送控制指令,来完成Mesh网络的管理,达到自组织,自管理,自治愈的效果
2、Agent角色:Mesh网络的执行者,通过接受Controller的控制指令来执行任务,并向Controller反馈执行结果
这里的角色并不针对具体的设备,是逻辑实体,一个设备既可以作为Controller也可以作为Agent,或者同时作为Contrller和Agent。

Mesh网络构建过程

整个Mesh网络构建过程分为如下2步:
1、Onboarding
2、Discovery和Configuration

Onboarding过程

Onboarding过程是帮助一个未加入Mesh网络的设备加入Mesh网络,我们将未加入网络的设备称为Enrollee设备,整个过程是通过1905 Push Button Configueration协议(后面简称1905 PBC)来实现的,1905 PBC包含了如下3个特性:
1、特性1:入网双方需要进行push button
2、特性2:基于WiFi Protected Setup实现
3、特性3:基于TLV

从图 3中可看出,1905 PBC在Multi-AP Extension部分进行了专门的标记,也就是标记获取的是Backhaul的SSID。因此Entollee设备可通过1905 PBC来获得Mesh链路的入网凭证。

图 3 Multi-AP Extension

整个Onboarding的流程如图 4所示:

图 4 Onboarding流程

首先将两个设备进行Push Button,让两个设备进入配网状态。

其次Enrollee设备通过1905 PBC来与Fronthaul SSID交互,经过M1-M8的过程后,最终Existing Agent将Backhual的SSID和password返回给Enrollee设备,之后Enrollee设备便能够连接Backhaul SSID,加入Mesh网络。

至此Onboarding流程完成了。

Discovery和Configuration过程

整体流程如图 5所示:

图 5 Discovery和Configuration流程

在完成Onborading流程后,Enrollee设备需要找到Mesh网络中的Controller来获得当前Mesh网络的基本配置,这里则使用IEEE1905.1a控制协议,Enrollee设备通过“AP Autoconfig Search”广播包来探测Controller是否存在,若网络中存在Controller, 则Controller会回复“AP Autoconfig Response”, Enrollee设备成功找到了Controller,至此,Discovery过程完成。

Configuration过程则是将当前Mesh网络的配置信息同步给Enrollee设备,如Mesh网络的用户名密码,通信Channel的选择,网络稳定性的维持参数等,是通过“AP Autoconfig Wifi Sample Configuration”来实现的,Enrollee设备获取了Mesh网络的基本配置,可真正的Agent的身份加入Mesh大家庭里,至此整个Mesh 网络构建完成。

Mesh网络控制过程

Mesh网络的维护与管理是一项重要的工程,通过IEEE1905.1a来实现,IEEE1905.1a本质上是介于物理层和网络层的协议,是定义了家庭网络中的有线或无线的控制技术。在Mesh场景中,IEEE1905.1a是载体,提供了多种控制协议如设备发现、设备配置、设备管理等,其整个实现都是基于Type-Length-Value,部分EasyMesh控制协议如表 1所示:

表 1 部分EasyMesh控制协议

这里选择“Multi-AP Policy Config Request Message”来作为例子,可以看到图 6对应的命令字为 0x8003,具体的Streeing Policy则满足基本的TLV,可以看到图 6中Type为0x89,len为21,而value则为对应的payload。

图 6 Multi-AP Policy Config Message

攻击面分析

分析完了整个Mesh网络的组网和控制过程,我们来看看实际的攻击面,攻击的载体是两个关键协议:
1、1905 Push Button Configuration Protocol
2、IEEE 1905.1a Control Protocol
对应的是两个关键的攻击面:
1、攻击网络构建过程
2、攻击网络控制过程

攻击Mesh网络构建过程

攻击Existing Agent
攻击者:“Bad“ Enrollee Agent
受害者:Exixting Agent
攻击载体:1905 Push Button Configuration Protocol(M1、M3、M5、M7)
整个攻击流程如图 7所示

图 7 攻击Existing Agent

攻击者构造恶意的Enrollee设备来攻击Existing Agent,具体则是基于1905 PBC发送畸形的M1、M3、M5、M7包来进行攻击,可触发Existing Agent在M1、M3、M5、M7过程中的TLV的解析漏洞。

攻击Enrollee Agent

攻击者:“Bad” Existing Agent
受害者:Enrollee Agent
攻击载体:1905 Push Button Configuration Protocol(M2、M4、M6、M8)
整个攻击流程如图 8所示

图 8 攻击Enrollee Agent

攻击者构造恶意的Existing Agent设备来攻击Enrollee设备,具体则是基于1905 PBC回复畸形的M2、M4、M6、M8包来进行攻击,可触发Enrollee设备在M2、M4、M6、M8过程中的TLV解析漏洞。

攻击Mesh网络控制过程

分析完Mesh构建的攻击面,再看Mesh网络控制的攻击面。
攻击者:“Bad” Existing Agent
受害者:Controller和其他Existing Agent
攻击载体:IEEE 1905.1a Control Protocol

攻击者可发送畸形的1905包来触发Controller和Existing Agent中1905 TLV的解析漏洞,图 9是我们针对“AP_AUTOCONFIGURATION_WSC_MESSAGE”设计的恶意包,可以看到,我们在SSID的len部分填入了0xFF,而实际的SSID最长为64,并在SSID的payload部分中全部填入0xFF,从图 10实际获取的数据包中可以看到,实际的SSID部分充满了我们填充的0xFF的Payload,这是不符合SSID解析的预期。

图 9 模拟发送畸形的IEEE 1905.1a控制包

图 10 实际的IEEE 1905.1a控制包

自动化工具MeshFuzzer

MeshFuzzer架构

我们的Meshfuzzer包含两个Fuzzing子系统,分别是针对1905 PBC的Fuzzing以及针对1905.1a的Fuzzing,整体架构如图 11所示。

图 11 MeshFuzzer架构

上半部分是我们设计的针对1905 PBC的Fuzzing子系统,我们采用实际设备间的WPS交互数据作为输入,经过我们的TLV 变异系统,最终使用我们的802.1的发包器来进行发包,与此同时对设备进行串口连接,实时监控crash的状态。

下半部分是我们设计的针对IEEE 1905.1a的Fuzzing子系统,我们实现了大部分EasyMesh中的控制协议字段,同样经过我们的TLV变异系统,最终使用我们的1905发包器来进行发包,通过独有的1905数据包来监控crash的状态。

变异策略

由于两个目标协议均是基于TLV实现的,我们可以用统一的变异策略来高效的辅助Fuzzing的进行。

变异策略1:变异长度字段,通过过长或者过短的长度来触发TLV解析的一些常规内存破坏漏洞,比如长度过短会导致越界读,或者整数溢出,过长会导致越界写等问题,图 12是我们实际测试中将长度字段变异为过短的效果。

变异策略2:对现有的TLV块进行随机的增删改,这可能会导致的内存破坏相关的逻辑漏洞,如Double-Free、UAF等,图 13是我们实际测试中随机增加TLV块的效果。

图 12 过短的长度字段

图 13 随机对TLV块进行增加

Fuzzing网络构建过程

软硬件选择

硬件部分:选择Ubuntu或者树莓派4,配合无线的USB网卡来进行发包操作。

软件部分:选择了对wpa_supplicant进行改造来定制化我们的Fuzzer,具体原因则是wpa_supplicant本身支持1905 PBC协议,因此我们可以在其不同的阶段中加入我们的变异策略,可高效稳定的实现Mesh网络构建阶段的Fuzzing工作。

图 14 wpa_supplicant实现代码

实际Fuzzing Existing Agent

我们使用以上的定制化的Fuzzing工具,便可模拟整个1905 PBC过程,并对M1、M3、M5、M7阶段注入Fuzzing Payload,图 15是我们在Fuzzing过程中,捕获到的的M7阶段的TLV解析导致的越界写入漏洞的崩溃日志,图 16是我们捕获的实际的数据包。

图 15 M7阶段越界写问题

图 16 M7阶段越界写实际数据包

我们监控崩溃的方式则是通过对目标设备进行Ping探测以及串口实时捕获崩溃日志。

实际Fuzzing “Existing” Agent

Network构建过程另一个受害角色,则是未配网的“Enrollee”,我们模拟一个恶意的“Existing” Agent来fuzzing “Enrollee”。这里为了保证让Enrollee持续保持加入Mesh网络的状态,我们编写了一个脚本,如图 17所示。

图 17 Enrollee保持加入Mesh网络脚本

我们在M2、M4、M6、M8阶段注入了Fuzzing Payload,图 18是我们Fuzzing过程中,触发的M6阶段的TLV解析导致的越界写入漏洞。图 19是我们捕获的实际的数据包。

图 18 M8阶段越界写问题

图 19 M8阶段越界写实际数据包

这里我们监控崩溃的方式仍然是通过对目标设备进行Ping探测以及串口实时捕获崩溃日志。

Fuzzing网络控制过程

软硬件选择

硬件部分:选择了Macbook Pro,因为Macbook Pro可以较好的支持1905数据包的发。
软件部分:选择了现有的开源库pyieee1905,因此我们可以基于pyieee1905来开发自定义的协议字段,这将大大减少我们Fuzzer的开发工作量,我们只需要实现EasyMesh里的控制协议便可对网络控制部分进行Fuzzing测试。

图 20 pyieee1905

监控模块

由于1905的处理模块大多是单独的进程,我们无法直接通过串口捕获崩溃,也无法通过对设备发送Ping探测包来监控1905进程的运行状态,这里我们选择EasyMesh里提供的1905 Topology Query Message,该数据包是用于设备1905进程间探测互相支持的能力,因此通过设备对该包的回复与否,我们便可容易的知道,设备上的1905进程是否存活,或者是否在正常工作。

图 21 Topology Query Message

每当我们发出一个Fuzzing Payload,便会发送一次1905 Topology Query,若得到回复,说明1905 Daemon正常工作,若未得到回复,说明1905 Daemon可能出现了问题,此时我们会记录此次发送的Fuzzing Payload到本地保存,并等待进程的重启。

图 22 1905 崩溃监控与保存

图 23 实际崩溃

实际效果

我们使用MeshFuzzer在Mediatek MT7915的EasyMesh解决方案中发现了多处TLV解析导致的内存破坏漏洞,并发现了1处违背安全设计准则的安全问题,累计获得了19个CVE,问题列表如图 24所示,目前Mediatek已经修复了所有问题并输出了安全补丁。

图 24 MT7915安全问题

安全建议

对于处理TLV解析导致的内存破坏漏洞,我们建议对数据包进行完整解析,然后一一检查类型和长度,最后进行处理,当长度和类型检查失败时对数据包进行丢弃。

一个很好的例子是wpa_supplicant,图 25中显示了wpa_supplicant处理TLV包的过程,遵循解析->分发->验证->处理的过程。

图 25 正确的TLV处理例子

针对违背安全设计准则的问题,EasyMesh V3标准中有一节专门描述了1905协议的安全能力。例如,要隔离 Backhaul 和 FrontHaul 链路,需要增加消息的完整性校验并1905包进行加密,建议厂商在实现EasyMesh时,遵守EasyMesh标准,实现1905协议的安全能力。

 

总结

对整个议题总结如下:
1、我们发现了WiFi Mesh中的多个安全攻击面,攻击者可以在Mesh网络构建阶段和网络控制阶段对Mesh网络中的设备发起攻击
2、我们开发了一款自动化漏洞挖掘工具MeshFuzzer,可以自动挖掘厂商在实现EasyMesh时引入的安全漏洞
3、在实践中,我们在MT7915芯片的EasyMesh解决方案中发现了多处安全问题,获得了19个CVE,并给出相应的修复建议

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