漏洞分析 | openssl国密爆出8.1分高危漏洞CVE-2021-3711
作者: 日期:2021年09月06日 阅:881

  • 背景

           OpenSSL是一个知名的开源安全套接字层密码库。全球成千上万的web服务器的网站加密技术使用OpenSSL。

           网银、在线支付、电商网站、门户网站、电子邮件等互联网应用广泛使用OpenSSL实现数据的安全传输和安全存储。

           历史上,OpenSSL多次出现安全漏洞。

           2014年,OpenSSL爆出Heartbleed(心脏滴血)漏洞,网络出现了“致命内伤”。

           心脏滴血称为互联网安全历史上最严重的漏洞之一,当时全球三分之二的网站可被该漏洞攻击。

           心脏滴血漏洞的CVE编号是CVE-2014-0160,CVSS3.1打分7.5,属于严重漏洞。

           业界使用CVE ID作为漏洞编号。CVE是通用漏洞披露(Common Vulnerabilities and Exposures)的英文缩写。

           业界采用CVSS量化漏洞影响。CVSS是通用漏洞评分系统(Common Vulnerability Scoring System)的英文缩写。

           CVSS得分最大为10,最小为0。得分7~10的漏洞通常认为严重,得分在4~6.9之间是中级漏洞,0~3.9是低级漏洞。

           2021年8月24日,openssl发布了openssl 1.1.1l,该版本修复了一个高危漏洞:CVE-2021-3711。

           根据https://access.redhat.com/security/cve/cve-2021-3711,该漏洞的CVSS3.1打分8.1,属于严重漏洞。

           该漏洞影响openssl 1.1.1l 之前的所有包含SM2商密算法版本。业界一些基于openssl改造过的商用国密算法版本也可能受该漏洞影响。

           本文结合openssl公告、修复前后的openssl代码和触发漏洞的sm2密文数据,分析CVE-2021-3711漏洞原理,并评估对腾讯自研国密算法库的影响。

· 漏洞分析

根据官网披露的信息细节https://www.openssl.org/news/secadv/20210824.txt

得出如下分析:

 漏洞原因:SM2解密时分配了一块内存,解密后的结果可能大于该分配内存的容量,造成内存越界写。

           以下是具体分析,使用CVE-2021-3711漏洞修复之前的OpenSSL 1.1.1代码。

         1、Openssl EVP解密操作

               Openssl EVP将常用的密码算法进行了封装,提供统一的密码学各种函数。               

               看示例图找规律,openssl对密文的解密是什么样的操作?

               示例1: crypto/evp/p_open.c

               示例2: crypto/crmf/crmf_lib.c

               示例3: crypto/cms/cms_env.c

               示例4: crypto/pkcs7/pk7_doit.c

               实际应用中密文的解密一般需要调用两次EVP_PKEY_decrypt。

               第一次调用EVP_PKEY_decrypt,指针out为NULL,返回长度keylen。

               通过OPENSSL_malloc分配一块keylen大小的堆内存。

               第二次调用EVP_PKEY_decrypt,指针out为第一次调用所分配的内存,运算结束后存放解密结果。

         2、EVP_PKEY_decrypt实现

               在初始化EVP_PKEY_CTX结构后,通过EVP_PKEY_decrypt可以调用到具体的密码算法执行解密运算。

int EVP_PKEY_decrypt(EVP_PKEY_CTX *ctx,

                     unsigned char *out, size_t *outlen,

                     const unsigned char *in, size_t inlen)

{

    int ret;

    …

    if (ctx->op.ciph.algctx == NULL)

        goto legacy;

    ret = ctx->op.ciph.cipher->decrypt(ctx->op.ciph.algctx, out,

                                              outlen, (out == NULL ? 0 : *outlen), in, inlen);

    return ret;

 legacy:

    …

}

         3、pkey_sm2_decrypt实现

               对于SM2解密,EVP_PKEY_decrypt中的ctx->op.ciph.cipher->decrypt对应的是pkey_sm2_decrypt。

               pkey_sm2_decrypt函数位于crypto/sm2/sm2_pmeth.c。

static int pkey_sm2_decrypt(EVP_PKEY_CTX *ctx,
                            unsigned char *out, size_t *outlen,
                            const unsigned char *in, size_t inlen)
{
    EC_KEY *ec = ctx->pkey->pkey.ec;
    SM2_PKEY_CTX *dctx = ctx->data;
    const EVP_MD *md = (dctx->md == NULL) ? EVP_sm3() : dctx->md;
 
    if (out == NULL) {
        if (!sm2_plaintext_size(ec, md, inlen, outlen))
            return -1;
        else
            return 1;
    }
 
    return sm2_decrypt(ec, md, in, inlen, out, outlen);
}

               根据第一节Openssl EVP解密操作可知,第一次调用EVP_PKEY_decrypt函数时,指针out为NULL,返回长度作为接下来分配堆内存的大小。

               这里sm2_plaintext_size函数返回outlen,作为接下来分配堆内存的大小。

         4、sm2_plaintext_size实现

               sm2_plaintext_size函数位于crypto/sm2/sm2_crypt.c

int sm2_plaintext_size(const EC_KEY *key, const EVP_MD *digest, size_t msg_len,
                       size_t *pt_size)
{
    const size_t field_size = ec_field_size(EC_KEY_get0_group(key));
    const int md_size = EVP_MD_size(digest);
    size_t overhead;
 
    if (md_size < 0) {
        SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_DIGEST);
        return 0;
    }
    if (field_size == 0) {
        SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_FIELD);
        return 0;
    }
 
    overhead = 10 + 2 * field_size + (size_t)md_size;
    if (msg_len <= overhead) {
        SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_ENCODING);
        return 0;
    }
 
    *pt_size = msg_len - overhead;
    return 1;
}

               注意:返回的长度等于msg_len – overhead,而overhead = 10 + 2 * field_size + (size_t)md_size

         5、overhead存在的问题

             5.1.sm2国密算法知识

                关于overhead的设置,涉及SM2算法和SM2密文格式的知识,在此进行补充。

                1)、SM2(SM是“商密”拼音的缩写)是我国商用密码的公钥密码标准,标准号为:GM/T 0003-2012。

                2)、SM2标准中规定采用256比特的椭圆曲线域参数。

                3)、SM2算法采用SM3算法作为算法步骤中的哈希算法,SM3算法的输出是256比特的哈希值。

                4)、根据GM/T 0009-2012,SM2密文格式如下:

               这里,XCoordinate和YCoordinate是加密过程基于随机数计算出的椭圆曲线点的X坐标和Y坐标。

             5.2.overhead取值分析

                查看sm2_plaintext_size函数,

               1)、field_size = ec_field_size(EC_KEY_get0_group(key)),对于SM2算法,field_size等于32。

               2)、md_size = EVP_MD_size(digest),SM2算法采用SM3算法,因此md_size等于32。

               从上述2点可知,sm2_plaintext_size函数中的overhead取值等于10610+2*32+32

              这里的magic number 10 背后有什么含义呢?

               1)、对于SM2密文,ASN.1包括5个Tag和5个Length,ASN.1编码引入的长度不小于10个字节。分析如下:

                      每个Tag占1个字节,5个Tag占5个字节。

                      XCoordinate、YCoordinate和HASH由于值的长度范围相对固定,这3个Length占3个字节。

                      取决于CipherText值,CipherText和第一个tag后面的Length长度不定,这2个Length可能超过2个字节。

               2)、这里overhead选择10,是选择SM2密文ASN.1编码引入的长度的最小值。

                      返回的长度等于msg_len – overhead,若overhead取值小,则返回长度大,分配内存大于实际需要,不会溢出。

              这里的field_size没有考虑XCoordinateYCoordinate的具体取值,有没有风险?

               1)、XCoordinate和YCoordinate是加密过程基于随机数计算出的椭圆曲线点的X坐标和Y坐标,满足以下方程:

                      YCoordinate * YCoordinate ≡ XCoordinate * XCoordinate * XCoordinate – 3 * XCoordinate + b (mod p)

                      这里,≡表示方程的左右两边模p的结果相等,p和b是SM2国密标准中规定的常数。

               2)、 满足上述方程的XCoordinate和YCoordinate通常都是占32字节的大数。

               3)、如果密文中携带的XCoordinate占31字节,YCoordinate占32字节,则真实的overhead可能小于106,

                      此时使用msg_len – 106的结果去会分配空间,导致分配的空间小于解密后的结果,内存越界写。

               4)、存在满足上述方程的占31字节甚至更少的XCoordinateYCoordinate吗?

                       openssl给出的SM2密文数据示例给出了肯定的回答。

· 触发漏洞的数据示例

         1、SM2密文数据

          openssl给出的密文数据示例如下:

3072022070DAD60CDA7C30D64CF4F278A849003581223F5324BFEC9BB329229BFFAD21A6021F18AFAB2B35459D2643243B242BE4EA80C6FA5071D2D847340CC57EB9309E5D04200B772E4DB664B2601E3B85E39C4AA8C2C1910308BE13B331E009C5A9258C29FD040B6D588BE9260A94DA18E0E6

         2、解析SM2密文

          这组密文的长度是116字节。按照ASN.1格式解析这组密文:

3072   //30表示SEQUENCE类型,72表示后续的数据总长度是114字节
0220  //02表示INTEGER类型,20表示该整数的长度是32字节
70DAD60CDA7C30D64CF4F278A849003581223F5324BFEC9BB329229BFFAD21A6 //32字节的XCoordinate
021F //02表示INTEGER类型,1F表示该整数的长度是31字节
18AFAB2B35459D2643243B242BE4EA80C6FA5071D2D847340CC57EB9309E5D //31字节的YCoordinate
0420  //04表示OCTETSTRING类型,20表示该字符串的长度是32字节
0B772E4DB664B2601E3B85E39C4AA8C2C1910308BE13B331E009C5A9258C29FD //32字节的HASH
040B //04表示OCTETSTRING类型,0B表示该字符串的长度是11字节
6D588BE9260A94DA18E0E6 //11字节的密文

          经过验证,上述的XCoordinate和YCoordinate满足SM2椭圆曲线方程。

         3、触发堆溢出

          a、第一次调用pkey_sm2_decrypt,指针out为NULL,msg_len等于116。

               sm2_plaintext_size函数返回10(msg_len – overhead = 116 – 106)。

          b、通过OPENSSL_malloc分配10字节的内存,out指向该内存。

          c、第二次调用pkey_sm2_decrypt,由于密文有11字节,因此解密结果也是11字节。

               out指向的内存是10字节,而解密结果是11字节,导致越界写1字节。

· 腾讯自研国密库不受该漏洞影响

           近年来,国家积极推进国产密码基础设施的建设,推广与应用。

           为贯彻落实国家密码战略,推进金融领域的信息安全,腾讯自研了TencentSM国密算法库,摆脱对国外开源密码算法库的依赖。

           TencentSM符合国密SM2、SM3以及SM4算法标准,已在腾讯多个业务中平稳运行。

           TencentSM自研了SM2解密实现,未使用和参考OpenSSL该部分所对应的代码,不受该漏洞影响。


相关文章