Golang TLS双向身份认证DoS漏洞分析（CVE-2018-16875）-安全KER

一、前言

如果程序源代码使用Go语言编写，并且用到了单向或者双向TLS认证，那么就容易受到CPU拒绝服务（DoS）攻击。Go语言的crypto/x509标准库中的校验算法存在逻辑缺陷，攻击者可以精心构造输入数据，使校验算法在尝试验证客户端提供的TLS证书链时占用所有可用的CPU资源。

为了保护正常服务，大家应立即升级到G0 v1.10.6、v1.11.3或者更新版本。

二、研究背景

42Crunch的API Security平台后端采用的是微服务架构，而微服务使用Go语言编写。微服务之间通过gRPC相互通信，并且部署了REST API网关用于外部调用。为了确保安全性，我们遵循了“TLS everywhere”（处处部署TLS）原则，广泛采用了TLS双向认证机制。

Go的标准库原生支持SSL/TLS认证，也支持大量与连接处理、验证、身份认证等方面有关的x509和TLS原语。这种原生支持可以避免外部依赖，使用标准化的、经过精心维护和审核的TLS库也能降低安全风险。

因此42Crunch很有可能受此TLS漏洞影响，需要理解漏洞原理，保证42Crunch平台的安全性。

42Crunch安全团队针细致分析了该CVE，如下文所示。

三、问题描述

这个DoS问题最早由Netflixx发现，Golang在issue跟踪日志中提到：

crypto/x509包负责解析并验证X.509编码的密钥和证书，正常情况下会占用一定的资源来处理攻击者提供的证书链。

crypto/x509包并没有限制验证每个证书链时所分配的工作量，攻击者有可能构造恶意输入，导致CPU拒绝服务。Go TLS服务器在接受客户端证书或者TLS客户端在验证证书时会受此漏洞影响。

该漏洞具体位于crypto/x509 Certificate.Verify()函数的调用路径中，该函数负责证书认证及验证。

四、漏洞分析

背景知识

为了便于漏洞分析，我们举个简单的例子：TLS客户端连接至TLS服务器，服务器验证客户端证书。

TLS服务器在8080端口监听TLS客户端请求，验证客户端证书是否由证书颁发机构（CA）颁发：

caPool := x509.NewCertPool()
ok := caPool.AppendCertsFromPEM(caCert)
if !ok {
        panic(errors.New("could not add to CA pool"))
}

tlsConfig := &tls.Config{
        ClientCAs:  caPool,
        ClientAuth: tls.RequireAndVerifyClientCert,
}

//tlsConfig.BuildNameToCertificate()
server := &http.Server{
        Addr:      ":8080",
        TLSConfig: tlsConfig,
}

server.ListenAndServeTLS(certWeb, keyWeb)

在标准的TLS验证场景中，TLS客户端会连接到TLS服务器的8080端口，然后向服务器提供证书的“trust chain”（信任链），其中包括客户端证书、root CA证书以及中间所有CA证书。TLS服务器处理TLS握手，验证客户端证书，检查客户端是否可信（即客户端证书是否由服务器信任的CA签名）。通常TLS握手过程如下图所示：

分析Go语言的crypto/x509库，最终我们会进入x509/tls/handshake_server.go:doFullHandshake()函数代码段：

...
if c.config.ClientAuth >= RequestClientCert {
        if certMsg, ok = msg.(*certificateMsg); !ok {
                c.sendAlert(alertUnexpectedMessage)
                return unexpectedMessageError(certMsg, msg)
        }
        hs.finishedHash.Write(certMsg.marshal())

        if len(certMsg.certificates) == 0 {
                // The client didn't actually send a certificate
                switch c.config.ClientAuth {
                case RequireAnyClientCert, RequireAndVerifyClientCert:
                        c.sendAlert(alertBadCertificate)
                        return errors.New("tls: client didn't provide a certificate")
                }
        }

        pub, err = hs.processCertsFromClient(certMsg.certificates)
        if err != nil {
                return err
        }

        msg, err = c.readHandshake()
        if err != nil {
                return err
        }
}
...

根据代码，服务器会处理收到的客户端证书，然后调用x509/tls/handshake_server.go:processCertsFromClient()函数。如果需要验证客户端证书，服务器就会创建一个VerifyOptions结构，其中包含如下信息：

root CA池，即已配置的一系列可信CA（由服务器控制），用来验证客户端证书
中间CA池，即服务端收到的一系列中间CA（由客户端控制）
已签名的客户端证书（由客户端控制）
其他字段（可选项）

if c.config.ClientAuth >= VerifyClientCertIfGiven && len(certs) > 0 {
        opts := x509.VerifyOptions{
                Roots:         c.config.ClientCAs,
                CurrentTime:   c.config.time(),
                Intermediates: x509.NewCertPool(),
                KeyUsages:     []x509.ExtKeyUsage{x509.ExtKeyUsageClientAuth},
        }

        for _, cert := range certs[1:] {
                opts.Intermediates.AddCert(cert)
        }

        chains, err := certs[0].Verify(opts)
        if err != nil {
                c.sendAlert(alertBadCertificate)
                return nil, errors.New("tls: failed to verify client's certificate: " + err.Error())
        }

        c.verifiedChains = chains
}

为了澄清问题机理，我们需要理解服务端如何管理证书池，以便通过高效的方式来验证证书。证书池实际上就是一个证书列表，可以根据实际需求通过3种不同的方式来访问。一种访问方式如下图所示：池中证书可以通过索引数组（这里为Certs）来访问，以CN, IssuerName, SubjectKeyId字段作为哈希字段。

验证过程

服务端使用VerifyOptions参数调用Verify()函数来处理客户端证书（即chain:certs[0]中的第一个证书）。

然后Verify()会根据客户端提供的证书链来处理待验证的客户端证书，但首先需要使用buildChains()函数建立并检查整条验证链：

var candidateChains [][]*Certificate
if opts.Roots.contains(c) {
        candidateChains = append(candidateChains, []*Certificate{c})
} else {
        if candidateChains, err = c.buildChains(make(map[int][][]*Certificate), []*Certificate{c}, &opts); err != nil {
                return nil, err
        }
}

而buildChains()函数会依次调用占用CPU资源的一些函数，递归处理这条链上的每个元素。

buildChains()函数依赖于findVerifiedParents()函数，而后者可以通过IssuerName或者AuthorityKeyId映射访问证书池，识别上级证书，,然后返回候选证书索引，以便后续根据客户端控制的证书池来验证该证书。

在正常情况下，程序会提取IssuerName及AuthorityKeyId，并且认为这些值为唯一值，只会返回一个待验证的证书：

func (s *CertPool) findVerifiedParents(cert *Certificate) (parents []int, errCert *Certificate, err error) {
    if s == nil {
        return
    }
    var candidates []int

    if len(cert.AuthorityKeyId) > 0 {
        candidates = s.bySubjectKeyId[string(cert.AuthorityKeyId)]
    }
    if len(candidates) == 0 {
        candidates = s.byName[string(cert.RawIssuer)]
    }

    for _, c := range candidates {
        if err = cert.CheckSignatureFrom(s.certs[c]); err == nil {
            parents = append(parents, c)
        } else {
            errCert = s.certs[c]
        }
    }

    return
}

buildChains()函数会在客户端发给TLS服务器的整条证书链上执行如下操作：

在（服务端）root CA池上调用findVerifiedParents(client_certificate)，查找待验证证书的签发机构（判断是否为root CA），然后根据AuthorityKeyId（如果不为nil）或者原始的issuer值（如果为nil）检查所有找到的证书的签名
在（客户端提供的）中间CA池上调用findVerifiedParents(client_certificate)，查找已验证证书的签发机构（判断是否为中间CA），然后根据AuthorityKeyId（如果不为nil）或者原始的issuer值（如果为nil）检查所有找到的证书的签名
获取上一级中间签名节点
在新发现的中间节点上调用buildChains()，然后重复前面描述的签名检查过程

DoS攻击

攻击者可以构造一种非预期场景，其中所有的中间CA证书使用的都是同一个名称，并且AuthKeyId值为nil，这样当调用buildChains()和findVerifiedParent()函数时，就会造成CPU DoS攻击效果。findVerifiedParent()函数会返回与该名称匹配的所有证书（这里返回的是整个证书池），然后检查所有证书的签名。检查完毕后，会再次递归调用buildchains()函数处理找到的上一级证书，最后处理到root CA为止。每一次检查过程实际上都会处理整个中间CA池，因此单单一个TLS连接就会耗尽所有可用的CPU资源。

五、漏洞影响

攻击者可以精心构造一条证书链，使客户端证书校验过程耗尽服务端所有CPU资源，降低目标主机响应速度。只需要1个连接就能导致这种攻击效果。根据Go的调度程序规则，只有两个CPU核心会受到影响，CPU使用率达到100%，攻击者可以创建新连接，强制调度程序分配更多资源来校验签名，最终导致目标服务或目标主机无响应。