Linux内核TCP协议多个SACK功能拒绝服务漏洞分析

发布时间 2019-06-21

漏洞背景


2019年6月18日,Redhat发布安全公告,Linux内核TCP/IP协议栈存在3个安全漏洞(CVE-2019-11477/CVE-2019-11478/CVE-2019-11479),这些漏洞与最大分段大小(MSS)和TCP选择性确认(SACK)功能相关,允许远程攻击者进行拒绝服务攻击。


关键概念



数据包重传确认机制


TCP数据包传输过程中,来自滑动窗口的数据包丢失可能对TCP吞吐量产生影响。TCP使用累积确认(ACK)方案解决该问题,其中不接收不在滑动窗口左边缘的接收段,这会强制发送方等待往返时间以找出每个丢失的数据包,或者不必要地重新传输已正确接收的段,从而降低整体吞吐量。


选择性确认(SACK)是一种在多个丢弃的段的情况下解决此行为的策略。通过选择性确认,数据接收方可以向发送方通知已成功达到的所有段,因此发送方只需重新传输实际丢失的段。具体选择性确认过程,如下图所示。



最大分段大小(Maximum Segment Size)


MSS(Maximum Segment Size,最大报文段大小)的概念是指TCP层所能够接收的最大分段大小,该值只包括TCP段的数据部分,不包括Option部分。另外,在TCP首部有一个MSS选项,在三次握手过程中,TCP发送端使用该选项告诉对方自己所能接受的最大分段大小。


TSO(TCP Segmentation Offload)


TSO是一种利用网卡来对大数据包进行自动分段,降低CPU负载的技术。其主要是延迟分段。


GSO(Generic Segmentation Offload)


GSO是协议栈是否推迟分段,在发送到网卡之前判断网卡是否支持TSO,如果网卡支持TSO则让网卡分段,否则协议栈分完段再交给驱动。如果TSO开启,GSO会自动开启。


漏洞原理


CVE-2019-11477


根据补丁可知,该漏洞是由一个16bit无符号数溢出导致的,该无符号数存在如下结构体中。



该tcp_skb_cb结构体存放着TCP每个数据包的控制信息,根据注释可知,tcp_gso_segs/size只用于写队列过程中。


Linux内核TCP/IP协议栈实现中,每个数据缓冲区是由一个sk_buff结构体统一管理的。在一个完整的数据缓冲区中skb_end后面紧跟着一个skb_shared_info结构体数据,skb_shared_info结构体如下所示:



结构体最后一个成员是frags[MAX_SKB_FRAGS]数据。MAX_SKB_FRAGS声明如下所示:


PAGE_SIZE为4KB情况下(即一个内存页面为4KB大小),MAX_SKB_FRAGS取值为65536/4096 + 1即17,因此一个skb中最多容纳17个数据分片。对于x86系统,每个数据分片最多可以记录32KB数据的大小。
数据分片skb_frag_struct结构体如下所示:



在整个协议栈操作过程中,数据包既要进行IP被分片的,又要进行TCP分段。传输数据时,协议栈会根据GSO值,MSS值以及滑动窗口三者之间的大小关系判断是否进行分片。并通过tcp_set_skb_tso_segs()函数设置GSO,具体实现如下图所示:



如果skb->len大于mss_now,行1207,将tcp_gso_segs设置为skb->len/mss_now。行1208,将tcp_gso_size设置为mss_now。


如果启用了SACK,在发生丢包后,接收端会返回SACK块,SACK块中记录着丢失包的序列编号。发送端会解析SACK块中记录的丢失包序列编号,并重新传输,而且在一个滑动窗口中可能包含多个SACK块,SACK块中也可能包含多个skb队列。在TCP重传数据包过程中,可以将多个skb队列合并到一个skb队列中进行重传。


tcp_shift_skb_data()函数实现这个功能。尝试将跨越多个skb的SACK块折叠为一个skb。关键代码如下:



skb_shift()和tcp_shifted_skb()两个函数主要实现该功能。重传过程中多个skb队列合并到一个skb队列中,如果填充17个分片到最大容量, 17*32*1024/8=69632,已经大于65535,导致无符号整数溢出。


在skb_shift ()函数中,tcp_gso_segs溢出后,进入tcp_shifted_skb()函数后,如下所示:



行1299,判断tcp_gso_segs和pcount的大小,如果tcp_gas_segs小于pcount,BUG_ON断言触发导致内核崩溃。


根据补丁可知,skb_shift()被tcp_skb_shift()代替,只是加了两个判断,如下所示:


补丁中分别判断了skb->len+shift_len不能大于65535*8字节和tcp_skb_pcount(to) + pcount不能大于65535。第一个判断,skb->len是表示sk_buff结构体中表示payload长度,shift_len表示要合并到skb中的payload。


CVE-2019-11478


该漏洞也是整数溢出,在数据包重新传输过程中,将传输队列分段为多个微小的skbs,膨胀skb中写队列内存发生溢出。在处理SACK块中包含的skb并将其合并后,根据GSO判断进行是否分片,如果需要,调用tcp_fragement()函数进行分片。根据补丁可知:



补丁在tcp_fragment()函数中加入了最小空间判断。Sk是sock结构体类型,每一个tcp链接对应一个。所以所有要发送的skb数据大小都要累加到sk->sk_wmem_queued中,sk->sk_wmem_queued表示为该套接字TCP写队列缓冲区大小。通常在使用时候需要判断该值是否够用。如下所示:



根据注释可知,判断最新排队skb包所需的最小可写空间。补丁中,判断剩余发送缓存为大于等于当前发送队列占用空间的一半,即还有1/3以上的空余空间时,并且小于sk->sk_sndbuf发送上限才可以正常发送,否则就判定TCP写队列太大。


CVE-2019-11479


该漏洞由于过度消耗资源导致拒绝服务。如果恶意数据包将MSS选项设置成较小值,这将迫使协议栈花费非常高的网络或CPU资源发送数据包开销。Linux内核中将MSS_NOW硬编码为48。根据补丁可知:


进行了max最大值判断,而不再是固定硬编码。这里的sysctl_tcp_min_snd_mss被设置为65535,如下所示:



避免了攻击者使用极小MSS值。


影响版本及补丁修复


及时更新最新补丁或禁用SACK和过滤极小MSS的数据包。


CVE-2019-11477

影响版本:

  • Linux 2.6.29 ~ 4.19.13stable kernel releases 4.4.182,  4.9.182, 4.14.127, 4.19.52, 5.1.11除外

  • RHEL 8 (kernel, kernel-rt)RHEL 7 (kernel, kernel-rt)RHEL 6

禁用sack

  • sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_sack=0

补丁:

  • http://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net.git/commit/?id=3b4929f65b0d8249f19a50245cd88ed1a2f78cff

CVE-2019-11478

影响版本:

  • Linux 2.6.29 ~ 4.19.13stable kernel releases 4.4.182,  4.9.182, 4.14.127, 4.19.52, 5.1.11除外

  • RHEL 8 (kernel, kernel-rt)RHEL 7 (kernel, kernel-rt)RHEL 6RHEL 5

禁用sack

  • sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_sack=0

补丁:

  • http://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net.git/commit/?id=f070ef2ac66716357066b683fb0baf55f8191a2e

CVE-2019-11479

影响版本:

  • Linux 2.6.29 ~ 4.19.13stable kernel releases 4.4.182,  4.9.182, 4.14.127, 4.19.52, 5.1.11除外

  • RHEL 8 (kernel, kernel-rt)RHEL 7 (kernel, kernel-rt)RHEL 6RHEL 5

过滤命令:

  • sudo iptables -A INPUT -p tcp -m tcpmss --mss 1:500 -j DROP

关闭tcp_mtu_probing

  • sysctl net.ipv4.tcp_mtu_probing

补丁:

  • http://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net.git/commit/?id=5f3e2bf008c2221478101ee72f5cb4654b9fc363

  • http://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net.git/commit/?id=967c05aee439e6e5d7d805e195b3a20ef5c433d6