nginx解析漏洞允许缓存投毒攻击

许多nginx用户会使用Google 公共 DNS，OpenDNS 或ISP 的解析器解析器等解析程序指令来配置 nginx，但是这当中存在很大的风险，唯一安全的选择是在本地主机上运行一个解析器。我发现，不仅 nginx 的存根 （stub） 解析器会生成非随机的或可预见的 DNS txids，连每个 nginx 的工作进程都会在每个 DNS 查询中使用相同的 UDP 源端口。

只要使用一个简短的脚本就可以在Linux （GNU C 库） 中预测Nginx 的 txids。

这些缺陷允许恶意攻击者发送欺骗性的 DNS 回复去感染解析程序缓存，导致 nginx 代理 HTTP 会向任何攻击者指定的上游服务器发送请求，从而访问到浏览器的恶意内容。

奇怪的是 nginx 开发人员并不认为这存在任何安全问题。在我向 security-@nginx.org 报告之后，他们只修补一部分问题并且拒绝修补其他问题，也没有发布安全咨询。所以我觉得必须要公开我的调查结果，告知nginx 用户他们所面临的潜在风险 。

细节

Nginx 生成 DNS txids所使用的是用于在 Linux/Unix 上random() 和在 Windows 上 rand （） 的宏ngx_random() 。

问题 1：

在 Windows 上，nginx 从来没有通过 srand()发送种子 PRNG ，所以 C盘会默认为 1，导致 txids 总是遵循同样的次序，而不是随机种子︰ 41，18467，6334、 26500，19169，15724......

问题 2：

在 Linux 上，对于random() 的依靠使得 txids 变得可预测，因为特定配置下的 nginx 会将random() 值泄漏给远程用户：当ngx_mail_core_module 启用时通过 SMTP/POP3/IMAP CRAM-MD5盐功能，或有时会通过标头暴露客户的$request_id 变量。

 问题 3；

在所有平台上，nginx的每个工作进程都允许 OS 选择随机的 UDP 源端口发送 DNS 查询。工作进程会重用遍又一遍的在同一端口发送所有查询，直到 nginx 重新启动。既然猜测 txid是可行的，攻击者只需要蛮力进入源端口就可以感染 nginx 的解析程序缓存。OS TCP/IP 堆栈通常会从Linux中的一系列的 28232 个端口和Windows 上的16384个 端口中选择。攻击者可以一次性确认正确端口。随后，他就可以使用一个假DNS 答复进行攻击，因为端口已知，txid也是可预测的。

攻击场景

首先，成功感染 nginx 的 DNS 缓存的要求是，攻击者需要︰

知道nginx 尝试解析的主机名 ；

知道配置nginx 所使用的解析器 。

场景 1

 此方案演示如何利用问题 1。

 使用下面的nginx.conf 在 Windows 上运行Nginx︰、

# nginx.conf

http {

  server {

    listen       9980;

    server_name  frontend.example.com;

    resolver     8.8.8.8;

    location / {

      set $target http://backend.example.com;

      proxy_pass $target;

    }

  }

}

如果 Nginx 实例相对繁忙 (例如说每两次或更多次才能处理一个请求，以保持 nginx 每次在缓存项过期后不断解决后端名称问题)，那么︰

1、攻击者可以看到后端的主机名，并且能看见1 小时之内的TTL 。

2、现在他可以确定，当启动 nginx 代理第一次请求 t = 0时，它会用txid = 41发出一个 DNS 查询等。这是因为，正如我刚才所解释的那样，在 Windows 中nginx 未能种子 PRNG，因此始终会生成相同的序列。

3、攻击者确定 nginx 什么时候会启动，也知道它会用哪个txid来发送下一个 DNS 查询。

4、攻击者等待后端的 IP 地址在nginx 的缓存中过期。例如这可能在 t = 100 h发生，那么攻击者就会知道 nginx 将使用随机值序列中第 101随机值由 rand （） 返回。当它再缓存中过期时，nginx可能需要几百毫秒查询 8.8.8.8才能作出答复。在同一时间攻击者可以随机地将多个诈骗 DNS 回复与预测 txid 发送到不同的 UDP 端口，在这段时间里他能够发送 1000次诈骗答复。

5、第一次的中毒尝试将可能失败，因为 Windows 从一系列的 16384 端口 (49152 – 65535)中只选择一个源端口。所以如果他失败了，攻击者下次尝试会再从 nginx 的缓存过期后端的 IP 地址进行无限量的尝试。

6、Nginx 将然后代理攻击者服务器的所有请求，直到 TTL 过期。下一次感染尝试就会简单得多，因为此时攻击者已经知道哪一组端口是无效的。

截至 2016 年 8 月 24 日，这种攻击在发布到目前为止的所有 nginx 版本上都有效。我的报告公布后，开发人员在 2016 年 8 月 4 日进行了修补，因此即将发布的1.11.4版本应该会包括此修复程序。然而 nginx 开发人员认为这不是一个安全漏洞，尽管一切都那么显而易见。

场景2

此方案演示如何利用问题 2。

它需要使用CRAM-MD5验证启用 （不是默认）将nginx 配置为 SMTP、 POP3 或 IMAP 这样它才能将$request_id 报告给客户端。

我选择在这里展示使用 SMTP 的终结点在 Linux/Unix 上运行Nginx的过程︰

# nginx.conf

http {

  server {

    listen       9980;

    server_name  frontend.example.com;

    resolver     8.8.8.8;

    location / {

      set $target http://backend.example.com;

      proxy_pass $target;

    }

  }

}

mail {

  server_name    my-name;

  auth_http      http://localhost/;

  smtp_auth      cram-md5;

  server {

    listen   1025;

    protocol smtp;

  }

}

使用此配置，nginx会通过CRAM-MD5 盐泄漏用于 SMTP/POP3/IMAP 认证的 random() 值︰

$ telnet localhost 1025

[...]

220 my-name ESMTP ready

HELO foo

250 my-name

AUTH CRAM-MD5

334 PDE2OTM3OTc3NS4xNDcxOTgyODMxQG15LW5hbWU+

$ echo PDE2OTM3OTc3NS4xNDcxOTgyODMxQG15LW5hbWU+ | openssl base64 -d

169379775 < 169379775.1471982831@my-name > 中的整数就是由 random() 返回的值。GNU C 库的这一功能允许攻击者预测未来的返回值。我写了示范 Python 脚本script cram-md5-predict-random.py连接到 nginx 的 SMTP 终结点︰

$ ./cram-md5-predict-random.py 

Connecting to localhost:1025...

[...]

Next random() value will be: 693589235 (75% prob.) or 693589236 (25% prob.)

Next DNS txid will be: 21747 or 21748

接下来我们可以通过运行 nginx 试图解决 backend.example.com 数据包时在浏览器中请求 http://localhost:9980 验证此 txid 预测。

$ tcpdump -n "port 53 and host 8.8.8.8"

[...]

15:15:31.419931 IP 10.110.0.117.44335 > 8.8.8.8.53: 21747+ A? backend.example.com. (37)

15:15:31.527168 IP 8.8.8.8.53 > 10.110.0.117.44335: 21747 NXDomain 0/1/0 (94)

攻击者感染 nginx 的 DNS 缓存会采取的步骤︰

1、攻击者会运行runs cram-md5-predict-random.py来预测下一个 txid 值 （其中有 75%的机会是正确的）。

2、然后他要么采用强力方法开始不断发送欺骗的 DNS 回复到nginx 的不同的 UDP 端口;最终等到 nginx 的缓存后端 IP 地址过期，nginx 尝试重新解析它并将接受欺骗答复发送到正确的端口。或者攻击者可能只有当 nginx 试图重新解析后端主机名时才发送欺骗的 DNS 回复以节省网络带宽。

3、当 nginx 重新解析主机名时，它可能需要几百毫秒来接收合法的答复。在这段时间，攻击者就可以发送欺骗性的 DNS 回复。

4、第一次的感染尝试可能会失败，因为默认情况下的 Linux 会从一系列28232个端口中选择端口 (net.ipv4.ip_local_port_range = 32768 60999)。如果失败了，攻击者下次会尝试再从 nginx 的缓存过期后端的 IP 地址进行无限量的尝试。

5、Nginx 然后就会代理攻击者服务器的所有请求，直到 TTL 过期。

修复方案︰

1、放弃使用random()/rand() 作为 PRNG 生成 txids。改为使用getrandom(2的系统调用、/ dev/urandom 或者 CryptGenRandom() 的熵。

2、随机化 UDP 源端口的每个 DNS 查询。

但开发商拒绝考虑这些问题中的任何一个安全问题，也没有发表安全咨询，所以漏洞还是没有得到解决︰他们还在继续使用 random()/rand()，并且他们仍然没有随机化每个查询的源端口。

受影响 nginx 版本

截至 2016 年 8 月 24 日，所有曾经附带解析器的 nginx 版本都会受到影响:

0.6.18版本以上，包括0.6.39版本

0.7版本以上，包括0.7.69版本

0.8版本以上，包括0.8.55版本

1.0 版本以上，包括1.0.15版本

1.2 版本以上，包括1.2.9版本

1.4 版本以上，包括1.4.7版本

1.6 版本以上，包括1.6.3版本

1.8 版本以上，包括1.8.1版本

1.10 版本以上，包括1.10.1版本

1.11版本以上，包括1.11.3版本

 即将发布的如 1.11.4 版本应该会包含部分问题的修复程序，但是绝不是全部。

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