CVE-2020-16898 Bad Neighbor Windows TCP/IP远程代码执行漏洞分析

2020-10-21 约 6030 字预计阅读 13 分钟次阅读

CVE-2020-16898 “Bad Neighbor " Windows TCP/IP远程代码执行漏洞分析

一、漏洞信息

1. 漏洞简述

漏洞名称：Windows TCP/IP Remote Code Execution Vulnerability
漏洞编号：CVE-2020-16898
漏洞类型：Design Weakness
漏洞影响：Code Execution
CVSS评分：9.8
利用难度：Medium
基础权限：不需要

2. 组件概述

TCP/IP是Internet上使用的通信协议。在Windows的早期版本中，TCP/IP是一个单独的可选组件，可以像其他任何协议一样删除或添加。从Windows XP/Server 2003开始，TCP/IP成为操作系统的核心组件，无法删除。将TCP/IP作为Windows的核心组件是非常有意义的，因为它的功能在Microsoft Windows Server上对网络操作和Active Directory域环境尤为重要。整个Active Directory架构基于DNS层次结构，依赖于TCP/IP 传输协议。

Microsoft Windows中的TCP/IP功能在内核级别运行，并由驱动程序tcpip.sys提供。该驱动程序处理所有传入和传出的TCP/IP通信信息，包括解析从网络接口接收到的数据包，以及解释此数据并将其传递给更高级别的组件。

3. 漏洞利用

该漏洞主要是由于Windows TCP/IP堆栈在处理选项类型为25(0x19，递归DNS服务器选项)且长度字段值为偶数的ICMPv6的路由广播数据包时，处理逻辑存在纰漏，导致存在远程代码执行漏洞。成功利用该漏洞的攻击者可以在目标机器（主机或服务器）上执行任意代码。

4. 漏洞影响

• Microsoft Windows 10 1709
• Microsoft Windows 10 1803
• Microsoft Windows 10 1809
• Microsoft Windows 10 1903
• Microsoft Windows 10 1909
• Microsoft Windows 10 2004
• Microsoft Windows Server 2019
• Microsoft Windows Server, version 1903
• Microsoft Windows Server, version 1909
• Microsoft Windows Server, version 2004

5. 解决方案

微软官方针对该漏洞已发布安全更新补丁，补丁地址：

https://portal.msrc.microsoft.com/en-US/security-guidance/advisory/CVE-2020-16898

二、漏洞复现

1. 环境搭建

靶机：Windows 10 1809 x64
靶机操作：无需任何操作，可正常与攻击机通信即可

2. 复现过程

通过各种手段获取目标主机的IPv6地址和MAC地址（具体方法可自行探索，较为简单）
攻击机python3运行poc：
靶机crash：

三、漏洞分析

1. 基本信息

漏洞文件：tcpip.sys
漏洞函数： Ipv6pUpdateRDNSS()函数
漏洞对象：ICMPv6路由广播中的option结构

2. 背景知识

(限于篇幅问题，此处不对用于DNS配置的IPv6路由广播进行详细介绍，更详细资料可参考RFC8106)

1. 基本知识

IPv6 Router Advertisment (RA) options，也称为DNS RA options，允许IPv6的路由器向IPv6的主机广播DNS Recursive Server Address(DNS递归路由器地址)列表和DNS Search List（DNS搜索列表），其主要用途为在IPv6的主机上进行DNS名称解析以及域后缀的处理。

IPv6 Neighbor Discovery(ND，IPv6邻居发现)和IPv6 Stateless Address Autoconfiguratioin(SLAAC，IPv6无状态地址自动配置)提供了使用一个或多个IPv6地址，默认路由器以及一些其他参数配置固定节点或移动节点的方法。

当漫游主机每次连接到另一个网络时，无法进行手动配置。虽然可以进行静态配置，但是在诸如笔记本电脑之类的通用主机上通常不建议这样操作。例如，如果主机运行直接连接到全局DNS的自己的递归名称服务器，那么本地定义的名称空间对主机来说就不可用了。访问DNS是几乎所有主机的基本要求，因此IPv6 SLAAC在没有任何DNS配置支持的情况下，不能在任何实际的网络环境中单独作为替代部署模型。

对于IPv4环境中的DNS服务器来说，这些问题都很容易解决。但是对于IPv6的网络环境，这些问题显得比较棘手。因此，RFC8106定义了一种基于DNS RA选项的机制，以允许IPv6主机执行自动DNS配置。

在通过IPv6 SLAAC自动配置IPv6主机地址并且没有DHCPv6基础结构或一些主机没有DHCPv6客户端的网络环境中，可以使用基于RA的DNS配置作为替代。但是，对于需要分发其他信息的网络，可能仍然会使用DHCPv6。在这些网络中，可能不需要基于RA的DNS配置。基于RA的DNS配置允许IPv6主机获取主机连接到的链接的DNS配置（即DNS递归服务器地址和DNSSL）。此外，主机会从提供链接配置信息的同一RA消息中学习此DNS配置。

2. 名词解释

Recursive DNS Server (RDNSS)：递归DNS服务器，提供递归DNS解析服务的服务器，用于将域名转换为IP地址或解析成RFC1034和RFC1035中定义的PTR记录。
RDNSS Option：一个用于向IPv6主机传送RDNSS信息的IPv6的RA option【RFC4861】。
DNS Search List (DNSSL)：Pv6主机在执行DNS查询搜索时使用的DNS后缀域名列表，用于搜索简短的不合格域名。
DNSSL Option：一个IPv6 RA选项，用于将DNSSL信息传递到IPv6主机。

3. 详细分析

1. 基础分析

RFC8106标准化了RDNSS option，其中包含RDNSSes的地址。该信息使用现有ND message(例如RA)作为载体。IPv6主机可以通过RA消息配置一个或多个RDNSS的IPv6地址。

1. 邻居发现扩展

RFC8106中定义的在邻居发现中使用的IPv6 DNS配置算法需要用到2种ND options：RDNSS option和DNSSL option。与该漏洞相关的是RDNSS option，另外一种则与 CVE-2020-16899相关。

2. RDNSS Option Structure

RDNSS option总体结构如下：

Offset	Size(bytes)	Field	Descriptioin
0x00	1	Type	8-bit，RDNSS option type identifier，0x19
0x01	1	Length	option长度（包括"Type"和"Length"字段），以8个八位位组为单位。
0x02	2	Reserved	保留字段
0x04	4	Lifetime	`RDNSS`地址可用于名称解析的最长时间（以秒为单位）（相对于接收包的时间）。默认情况下，该值至少为`3 * MaxRtrAdvInterval`，其中`MaxRtrAdvInterval`是RFC4861中定义的最大RA间隔。 0xffffffff表示无穷大，零值意味着必须不再使用RDNSS地址。
0x08	16	Address of IPv6 Recursive DNS Servers	一个或多个128位IPv6地址。地址的数量由`Length`字段确定：Number of addresses = (Length - 1) / 2。

对于Length字段，如果该选项中仅包含一个IPv6地址，则最小值为3。每增加一个RDNSS地址，长度就会增加2。接收的主机使用该字段来确定选项中IPv6地址的数量。

3. Procedure in IPv6 Hosts

当主机接收到RA消息中的DNS的options时，其处理过程如下：

首先检查Lengh字段的合法性：是否大于等于最小值3，以及是否满足(Length - 1) % 2 == 0；
对于RDNSS option，还会检查Address字段是否为一个单播地址；
如果以上验证通过，则主机应按顺序将选项的值复制到DNS存储库和解析器存储库中。否则，主机必须丢弃这些选项。

4. Crash分析

首先分析dmp文件，查看crash现场：

并没有发现明显的较为有价值的Call Stack信息，但是发现最终的crash原因的是GS机制的Security Cookie校验失败，也就是说该值被覆盖掉了。那么很有可能是一个溢出。除此之外，只发现了tcpip!Ipv6pHandleRouterAdvertisement+0x1269函数，再往后就直接报gsfailure了。

2. 静态分析

分析使用的文件为Windows 10 1809 x64的tcpip.sys文件，版本为10.0.17763.316。

1. 函数调用链

根据crash现场信息，获取到关键函数tcpip!Ipv6pHandleRouterAdvertisement()，首先确认该函数到漏洞函数的前后调用链。

首先查看其交叉引用关系：

其上层调用函数为Icmpv6ReceiveDatagrams()，跟进，并查看交叉引用关系：

没有再发现显式的函数调用。转而向tcpip!Ipv6pHandleRouterAdvertisement()的下层搜索：

发现漏洞函数调用。至此，函数调用链可以简单概括为：

Icmpv6ReceiveDatagrams() -> tcpip!Ipv6pHandleRouterAdvertisement() -> Ipv6pUpdateRDNSS()

2. 漏洞函数分析

经过简单分析可以明确，调用链的顶层函数Icmpv6ReceiveDatagrams()没有发现实质性的与该漏洞相关的处理代码，而在tcpip!Ipv6pHandleRouterAdvertisement() 函数中发现了对漏洞函数Ipv6pUpdateRDNSS()的调用。根据crash分析，最后报了gsfailure，而且关键函数为tcpip!Ipv6pHandleRouterAdvertisement()，在该函数的起始位置确实发现了GS校验：

那么很有可能是在漏洞函数Ipv6pUpdateRDNSS()中发生了溢出，导致了其调用函数tcpip!Ipv6pHandleRouterAdvertisement()的GS校验失败。

进入漏洞函数Ipv6pUpdateRDNSS()：

NdisGetDataBuffer()函数声明如下：

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PVOID NdisGetDataBuffer(
  PNET_BUFFER NetBuffer,	// [in], a pointer to a NetBuffer structure
  ULONG       BytesNeeded,	// [in], the number of contiguous bytes of data requested
  PVOID       Storage,		// [in, optional], a pointer to a buffer, or NULL if no buffer is provided by the caller. The buffer must be greater than or equal in size to the number of bytes specified in BytesNeeded . If this value is non-NULL, and the data requested is not contiguous, NDIS copies the requested data to the area indicated by Storage .
  UINT        AlignMultiple, // [in], the alignment multiple expressed in power of two. For example, 2, 4, 8, 16, and so forth. If AlignMultiple is 1, then there is no alignment requirement.
  UINT        AlignOffset	 // [in], the offset, in bytes, from the alignment multiple.
);

// Return Value
A pointer to the start of the contiguous data or NULL.

如果NetBuffer参数指向的NET_BUFFER结构中的NET_BUFFER_DATA部分的DataLength字段的值小于BytesNeeded参数的值，那么函数返回NULL。NET_BUFFER的结构如下：

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typedef struct _NET_BUFFER {
  union {
    struct {
      PNET_BUFFER Next;
      PMDL        CurrentMdl;
      ULONG       CurrentMdlOffset;
      union {
        ULONG  DataLength;
        SIZE_T stDataLength;
      };
      PMDL        MdlChain;
      ULONG       DataOffset;
    };
    SLIST_HEADER      Link;
    NET_BUFFER_HEADER NetBufferHeader;
  };
  USHORT                ChecksumBias;
  USHORT                Reserved;
  NDIS_HANDLE           NdisPoolHandle;
  PVOID                 NdisReserved[2];
  PVOID                 ProtocolReserved[6];
  PVOID                 MiniportReserved[4];
  NDIS_PHYSICAL_ADDRESS DataPhysicalAddress;
  union {
    PNET_BUFFER_SHARED_MEMORY SharedMemoryInfo;
    PSCATTER_GATHER_LIST      ScatterGatherList;
  };
} NET_BUFFER, *PNET_BUFFER;

首先获取到RDNSS option结构，然后读取Length字段来计算Address字段有几个Address值。

确认有多少Address之后，进入循环，对每个Address进行处理。这里还有一个判断，如果不是单播地址，直接忽略：

在上面的处理过程中，存在一个问题：假设Length的长度为4，那么计算结束之后，AddressCount的值应该为1。此时，按照正常逻辑，Ipv6pUpdateRDNSS()函数应该增加32字节（4*8）的缓冲区，但是后续在分配缓冲区时只分配了24字节：sizeof(ND_OPTION_RDNSS) + sizeof(IN6_ADDR) = 8 + 16 = 24，从而导致了缓冲区的溢出。

根据RFC8106的标准，Length字段的值应该满足最小为3的奇数的情况。当提供一个偶数Length值时，Windows TCP/IP堆栈错误地将buffer前进了8个字节。这主要是因为堆栈在内部以16字节为增量进行计数，并且没有使用非RFC兼容长度值的处理代码。这种不匹配导致堆栈将当前选项的最后8个字节解释为第二个选项的开始，最终导致缓冲区溢出和潜在的RCE。

3. 动态分析

首先在pv6pHandleRouterAdvertisement()函数中第一次调用NdisGetDataBuffer()函数从 _NET_BUFFER 结构中访问数据（连续或不连续），使用 _NET_BUFFER 结构中的 CurrentMdlOffset 字段定位要访问数据起始地址相对于 MDL 指向内存数据的偏移：

第2次调用NdisGetDataBuffer()函数获取第1个RDNSS Option：

来到Ipv6pUpdateRDNSS()函数调用处，此时rdx中存放的是_NET_BUFFER：

首先使用NdisGetDataBuffer()函数读取到Option结构：

然后调用NetioAdvanceNetBuffer()函数，执行完成后_NET_BUFFER的部分数据如下：

继续向下，开始计算AddressCount，使用的公式为(Length - 1) / 2：

最终的计算结果为1。

接下来判断LifeTime字段是否设置为最大值0xffffffff：

继续向下，因为AddressCount = 1，所以来到再一次调用NdisGetDataBuffer处：

此时的参数情况如下：

之前是读取了8字节数据，而这次是读取了16字节，此时返回的是存放第1个Recursive DNS Server值的地址：

然后对地址进行判断0xffffe40b85d8afb8中的内容是否为单播地址：

继续向下，来到Ipv6pCreateRDNSSEntry()函数调用处，其各参数情况如下：

先后调用ExAllocatePoolWithTag()和memset()进行内存分配并初始化：

再经过部分处理，最后的结果如下：

后续在进行security cookie的校验时，校验通过，函数返回：

回到Ipv6pHandleRouterAdvertisement()函数，再次进行数据读取时，偏移变为0x28，指向第2个Recursive DNS Server：

此次的处理流程按照Type为0x18进行处理。Type为0x18时的处理逻辑如下：

直接调用NdisGetDataBuffer()函数，因为数据不连续并且指定了Storage参数（r8）为栈上的地址，所以会向栈上copy大量数据，从而破坏正常栈数据：

上图中的循环调用memcpy()函数向栈上copy数据，造成栈破坏，最终栈上结果如下：

最终 Ipv6pHandleRouterAdvertisement() 函数返回时，cookie 检查不通过，造成crash。

4. 利用思路

1. 利用条件

基本条件
- attacker需要获取target的IPv6和MAC地址
触发过程
- attacker需要搭配其他内存泄漏或信息泄漏漏洞来实现RCE
- attacker需要想办法绕过tcpip.sys的GS保护机制

2. 利用过程

attacker直接发送特制的ICMPv6路由广播数据包给target：

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[ Attacker ] <--------------------> [ Target ]

3. 攻击向量

建立连接后，利用IPv6直接发送攻击数据包即可。

5. 流量分析

因为该漏洞直接走的IPv6，所以对于一些部署在IP层以上的防火墙方案就无法针对该漏洞进行流量检测，但是具备IP层流量检测的防火墙可以轻松检测恶意流量：

在流量中可以明显看出，第一个Option结构的Address字段错误识别计算了一个Recursive DNS Server的值：

第1个Recursive DNS Server的地址为0018-0027，后续的8个字节不应该再进行识别。选中第2个Recursive DNS Server时情况如下：

第2个Recursive DNS Server的地址为0028-0037。但是该16个字节中的后8个字节很明显为下一个ICMPv6 Option结构的内容：

四、缓解措施

管理员启动powershell或cmd，输入以下命令检查所有网络IPv6接口的列表以及相应的索引号：

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netsh int ipv6 sh int

样例输出如下：

确认网络接口的RDNSS功能开启情况：

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netsh int ipv6 sh int Idx number

执行以下命令关闭RDNSS功能(将Idx number替换为要关闭的网络接口的Idx值)：

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 netsh int ipv6 set int Idx number rabaseddnsconfig=disable