DNS Server远程代码执行漏洞分析-SIGRed（CVE-2020-1350）

 

简介

SIGRed（CVE-2020-1350）是Windows DNS服务器中一个可修复的严重漏洞，影响Windows server 2003至2019版本，并且可以由恶意DNS响应触发。由于服务在提升的特权(系统)中运行，如果成功利用，攻击者将被赋予域管理员权限，从而威胁整个公司基础设施。

 

起因

我们的主要目标是找到一个可以让攻击者破坏Windows域环境的漏洞，最好是不需要经过身份验证的漏洞。大多数已发布的公开资料和漏洞利用都集中在微软的SMB（EternalBlue）和RDP（BlueKeep）协议实现上，因为这些目标都影响服务器，要获得域管理员权限，一种直接的方法是直接利用域控制器(Domain Controller)。因此，我们决定将我们的研究重点放在一个较少的攻击面上，它主要存在于Windows服务器和域控制器上。DNS客户端和DNS服务器一起为计算机和用户提供计域名解析服务。

 

Windows DNS 概述

DNS主要在53端口上使用 UDP 协议来处理请求。DNS查询由来自客户端的单个UDP请求和来自服务器的单个UDP响应组成。

除了将名称转换为IP地址外，DNS还有其他用途，例如，邮件传输代理使用DNS找到发送电子邮件的最佳邮件服务器:MX记录提供了域和exchanger邮件之间的映射，这可以提供额外的容错和负载，在Wikipedia上可以找到可用的DNS记录类型及其相应用途的列表。

但是，本文的目的不是要对DNS功能和历史进行长篇大论，因此我们建议您在此处阅读有关DNS的更多信息。

您需要了解的内容：

• DNS通过UDP/TCP 53端口运行。
• 一条DNS消息（响应/查询）在UDP中限制为512字节，在TCP中限制为65,535字节。
• DNS本质上是分层的和分散的，这意味着，当DNS服务器不知道它接收到的查询的答复时，该查询将被转发到它上层的DNS服务器，在架构的顶部，全世界有13个根DNS服务器。

在Windows中，DNS客户端和DNS服务器在两个不同的模块中实现：

• DNS客户端 – dnsapi.dll 负责DNS解析。
• DNS服务器 – dns.exe负责在安装了DNS角色的Windows 服务器上响应DNS查询。

我们的研究围绕dns.exe模块进行。

 

准备环境

我们的攻击面主要有两种情况：

• 1.DNS服务器解析传入查询的方式中的漏洞。
• 2.DNS服务器解析转发查询时响应的方法的漏洞。

由于DNS查询没有复杂的结构，因此在第一种情况下发现解析问题的机会较小，因此我们决定以解析转发查询的传入响应的函数为目标。因此我们决定将目标定位于解析转发查询响应的函数。

如上所述，转发查询是利用DNS来将不知道答复的查询转发到上层DNS服务器中。但是，大多数环境将其转发器配置为知名的DNS服务器，例如8.8.8.8（Google）或1.1.1.1（Cloudflare）或者至少是不受攻击者控制的服务器。这意味着即使我们在解析DNS响应时发现问题，也需要建立一个中间人来加以利用。显然，这无法达到要求。

NS记录重用

NS代表“名称服务器”，该记录表明哪个DNS服务器是该域的授权，NS记录通常负责解析指定域的域名，一个域通常有多个NS记录，这些记录可以表明该域的主名称服务器和备份名称服务器。

若要使目标Windows DNS服务器解析来自恶意DNS名称服务器的响应，请执行以下操作：

• 1.将我们域的（deadbeef.fun）NS记录配置为指向我们的恶意DNS服务器（ns1.41414141.club）。
• 2.查询受害Windows DNS服务器的NS记录deadbeef.fun。
• 3.受害DNS目前不知道该查询的答复，将查询转发到其上层的DNS服务器（8.8.8.8）。
• 4.权威服务器（8.8.8.8）知道答复，并响应的NameServer deadbeef.fun为ns1.41414141.club。
• 5.受害Windows DNS服务器处理并缓存此响应。
• 6.下次我们查询域名deadbeef.fun，目标Windows DNS服务器也会查询ns1.41414141.club并响应，因为它是该域的NameServer。

 

漏洞– CVE-2020-1350

函数：dns.exe!SigWireRead
漏洞类型：整数溢出导致基于堆的缓冲区溢出

dns.exe 为每种受支持的响应类型实现解析功能。

Wire_CreateRecordFromWire:RRWireReadTable被传递给RR_DispatchFunctionForType函数处理

RRWireReadTable支持响应的类型

支持的响应类型之一用于SIG查询。根据Wikipedia:”SIG查询是在SIG(0) (RFC 2931)和TKEY (RFC 2930)中使用的签名记录,RFC 3755指定RRSIG作为在DNSSEC内使用的SIG的替代品。”

让我们来看一下由Cutter生成的反汇编:dns.exe!SigWireRead SIG响应类型的处理函数：

RR_AllocateEx通过以下公式计算传递给第一个参数：

[Name_PacketNameToCountNameEx result] + [0x14] + [The Signature field’s length (rdi–rax)]

签名字段的大小可能会有所不同，因为它是SIG响应的主要payload。

R根据RFC 2535的SIG资源记录的结构

正如你在下面的图片中看到，RR_AllocateEx希望其参数在16位寄存器中传递，因为它只使用rdx的dx部分和rcx的cx部分。

这意味着，如果我们可以使上述公式输出的结果大于65,535字节(16位整数的最大值)，则会出现整数溢出，从而导致分配比预期的小得多，这可能会导致基于堆的缓冲区溢出。

比较方便的是，这个分配的内存地址作为memcpy的目标缓冲区传递，从而导致基于堆的缓冲区溢出。

从中分配的缓冲区RR_AllocateEx被传递到中memcpy

总而言之，通过发送一个包含较大(大于64KB) SIG记录的DNS响应，我们可能会导致一个基于堆的缓冲区溢出，溢出大约64KB。

 

触发漏洞

现在我们能够让受害者DNS服务器查询我们的DNS服务器，我们已经有效地将其转换为客户端。我们可以让受害者DNS服务器询问我们的恶意DNS服务器特定类型的查询，并分别用匹配的恶意响应请求。

我们认为触发此漏洞所需要做的只是使受害DNS服务器向我们查询SIG记录，然后用一个很长的签名(length >= 64KB)回复它一个SIG响应。我们失望地发现DNS超过UDP的大小限制为512字节(如果服务器支持EDNS0，则为4,096字节)。无论如何，这都不足以触发漏洞。

但是，如果有合理的理由让服务器发送一个大于4,096字节的响应，会发生什么呢?例如，一个很长的TXT响应或可以解析为多个IP地址的主机名。

DNS截断-但等一下，还有更多!

根据DNS RFC 5966：“在没有EDNS0（DNS 0扩展机制）的情况下，任何需要发送超过512字节限制的UDP响应的DNS服务器的正常行为是截断响应，使其符合该限制，然后在响应头中设置TC标志。当客户端收到这样的响应时，它将TC标志作为一个指示，指示它应该通过TCP重试。”

因此，我们可以在响应中设置TC（truncation) 标志，这将导致目标Windows DNS服务器启动与恶意NameServer新的TCP连接，并且我们可以传递大于4,096字节的消息。但是要大多少？

根据DNS RFC 7766：“DNS客户端和服务器应同时2个八位字节长度字段和该长度字段描述的消息传递到TCP层”，(例如，在单个的“write”系统调用中)，以使所有数据更有可能在单个TCP段中传输。

由于邮件的前两个字节表示其长度，因此TCP上DNS中邮件的最大大小表示为16位，因此限制为64KB。

但是，即使长度为65,535的消息也不足以触发漏洞，因为消息长度包括标头和原始查询。在计算传递给RR_AllocateEx的大小时，没有考虑这个开销。

DNS指针压缩–少即是多

让我们再来看一个合法的DNS响应（为方便起见，我们选择了A类型的响应）。

dig research.checkpoint.com A @8.8.8.8的DNS响应，如Wireshark所示

您可以看到Wireshark对research.checkpoint.com的答复名称字段中的0xc00c字节进行了计算。问题是，为什么?

为了尽可能多的将信息压缩到512字节中，可以（通常必须）压缩DNS名称……在这种情况下，答复的DNS名称编码为0xc0 0x0c。c0部分设置了两个最高有效位，表示下面的6+8位是指向消息前面某个地方的指针。在本例中，这指向数据包内的位置12（=0x0c）它紧跟在DNS header之后。

与数据包开头的偏移量0x0c（12）是什么？是research.checkpoint.com啊！

在这种压缩形式中，指针指向编码字符串的开头。在DNS中，字符串被编码为（<size> <value>）链。

因此，我们可以使用“magic”字节0xc0从数据包中引用字符串。让我们再次检查计算传递给RR_AllocateEx的大小的公式:

[Name_PacketNameToCountNameEx result] + [0x14] + [The Signature field’s length (rdi–rax)]

逆向Name_PacketNameToCountNameEx确认我们上面描述的行为。Name_PacketNameToCountNameEx的目的是计算名称字段的大小，并将指针压缩考虑在内。当仅用两个字节表示分配时，拥有一个允许我们大量增加分配大小的原语正是我们所需要的。

因此，我们可以在SIG签名者的名称字段中使用指针压缩。但是，仅指定0xc00c为签名者的名称不会引起溢出，因为查询的域名已经存在查询中，并且从分配的值中减去开销大小。但是0xc00d呢？我们唯一需要满足的约束是编码字符串是有效的（以结尾0x0000），并且我们可以轻松做到这一点，因为我们有一个没有任何字符约束的字段-签名值（signature value）。对于域名41414141.fun，0xc00d指向域名的第一个字符（“4”）。然后将此字符的序号值用作未压缩字符串的大小（“4”表示值0x34（52））。该未压缩字符串的大小加上我们可以在Signature字段中容纳的最大数据量（最多65,535，具体取决于原始查询）的汇总将造成大于65,535字节的值，从而导致溢出！

让我们用WinDBG附加到dns.exe:

我们crashed了！

虽然我们似乎崩溃了，因为我们试图写值到未映射的内存，堆的形状可以允许我们重写一些有意义的值。

以前对dns.exe的利用可以在线获得。例如：A deeper look at ms11-058。

 

从浏览器触发

我们知道这个bug可以由局域网环境中的恶意参与者触发。然而，我们想看看这个bug是否可以在没有局域网访问的情况下被远程触发。

在HTTP内私有DNS

到目前为止，您应该知道DNS可以通过TCP传输，并且Windows DNS Server支持此连接类型。您还应该熟悉DNS在TCP上的结构，但以防万一，这里是一个快速回顾:

考虑以下标准HTTP payload：

0000   50 4f 53 54 20 2f 70 77 6e 20 48 54 54 50 2f 31   POST /pwn HTTP/1
0010   2e 31 0d 0a 41 63 63 65 70 74 3a 20 2a 2f 2a 0d   .1..Accept: */*.
0020   0a 52 65 66 65 72 65 72 3a 20 68 74 74 70 3a 2f   .Referer: http:/

即使这是一个HTTP payload，将它发送到53端口上的目标DNS服务器会导致Windows DNS服务器将此payload解释为一个DNS查询。它使用以下结构来实现这一点:

0000   50 4f 53 54 20 2f 70 77 6e 20 48 54 54 50 2f 31   POST /pwn HTTP/1
0010   2e 31 0d 0a 41 63 63 65 70 74 3a 20 2a 2f 2a 0d   .1..Accept: */*.
0020   0a 52 65 66 65 72 65 72 3a 20 68 74 74 70 3a 2f   .Referer: http:/

Message Length: 20559 (0x504f)
Transaction ID: 0x5354
Flags: 0x202f
Questions: 28791 (0x7077)
Answer RRs: 28192 (0x6e20)
Authority RRs: 18516 (0x4854)
Additional RRs: 21584 (0x5450)
Queries: [...]

幸运的是，Windows DNS服务器同时支持RFC 7766的“连接重用(Connection Reuse)”和“Pipelining”,这意味着我们可以在一个TCP会话中发出多个查询，而无需等待应答。

为什么这很重要？

当受害者访问我们控制的网站时，我们可以使用基本的JavaScript从浏览器向DNS服务器发出POST请求。但是如上所示，POST请求的解释方式不是我们真正控制的。

但是，我们可以利用“连接重用”和“Pipelining”特性，通过使用二进制数据向目标DNS服务器(https://target-dns:53/)发送HTTP POST请求，在POST数据中包含另一个“私藏（smuggled）”的DNS查询，分别进行查询。

我们的HTTP有payload包括以下内容：

• HTTP请求头，我们不控制（User-Agent，Referer等）。
• “Padding（填充）”，以便第一个DNS查询在POST数据内具有适当的长度（0x504f）
• 我们“私藏”的DNS查询里面的POST数据。

在单个TCP会话中的多个查询，如Wireshark所示

实际上，大多数流行的浏览器（例如Google Chrome和Mozilla Firefox）都不允许HTTP请求访问53端口，因此只能在少数Web浏览器中利用此bug，包括Internet Explorer和Microsoft Edge（基于非Chromium）。

 

变体分析

出现这个漏洞的主要原因是RR_AllocateEx API期望size参数为16位。通常可以安全地假设单个DNS消息的大小不超过64KB，因此这种行为不应该出现问题。但是，正如我们刚才看到的，在计算缓冲区大小时考虑Name_PacketNameToCountNameEx的结果时，这种假设是错误的。这是因为Name_PacketNameToCountNameEx函数计算未压缩名称的有效大小，而不是它在包中表示该名称所需的字节数。

要查找此漏洞的其他变体，我们需要找到一个满足以下条件的函数：

• 调用RR_AllocateEx时，大小是可变的(不是常数值)。
• 有一个对Name_PacketNameToCountNameEx的调用，它的结果用于计算传递给RR_AllocateEx的大小。
• 传递给RR_AllocateEx的值是使用16位或16位以上的值计算的。

dns.exe中满足这三个条件的唯一函数是NsecWireRead。让我们检查一下从函数反编译中得到的代码片段:

RESOURCE_RECORD* NsecWireRead(PARSED_WIRE_RECORD *pParsedWireRecord, DNS_PACKET *pPacket, BYTE *pRecordData, WORD wRecordDataLength)
{
 DNS_RESOURCE_RECORD *pResourceRecord;
 unsigned BYTE *pCurrentPos;
 unsigned int dwRemainingDataLength;
 unsigned int dwBytesRead;
 unsigned int dwAllocationSize;
 DNS_COUNT_NAME countName;
 pResourceRecord = NULL;
 pCurrentPos = Name_PacketNameToCountNameEx(&countName, pPacket, pRecordData, pRecordData + wRecordDataLength, 0);
 if (pCurrentPos)
 {
   if
    (pCurrentPos >= pRecordData                                         // <-- Check #1 - Bounds check
     && pCurrentPos - pRecordData <= 0xFFFFFFFF                         // <-- Check #2 - Same bounds check (?)
     && wRecordDataLength >= (unsigned int)(pCurrentPos - pRecordData)) // <-- Check #3 - Bounds check
    {
      dwRemainingDataLength = wRecordDataLength - (pCurrentPos - pRecordData);
      dwBytesRead = countName.bNameLength + 2;
      // size := len(countName) + 2 + len(payload)
      dwAllocationSize = dwBytesRead + dwRemainingDataLength;
      if (dwBytesRead + dwRemainingDataLength >= dwBytesRead            // <-- Check #4 - Integer Overflow check (32 bits)
          && dwAllocationSize <= 0xFFFF)                                // <-- Check #5 - Integer Overflow check (16 bits)
      {
       pResourceRecord = RR_AllocateEx(dwAllocationSize, 0, 0);
       if (pResourceRecord)
       {
         Name_CopyCountName(&pResourceRecord->data, &countName);
         memcpy(&pResourceRecord->data + pResourceRecord->data->bOffset + 2, pCurrentPos, dwRemainingDataLength);
       }
     }
   }
 }
 return pResourceRecord;
}

如您所见，这个函数包含许多安全检查。其中一项是16位溢出检查，它可以防止我们在该函数中的漏洞变体。我们还想指出，这个函数比dns中的函数有更多的安全检查。这让我们怀疑这个漏洞是否已经被注意到和修复，但只是在那个特定的函数。

如上所述，Microsoft在两个不同的模块中实现了DNS客户端和DNS服务器。虽然我们的漏洞确实存在于DNS服务器中，但我们想看看它是否也存在于DNS客户端中。

看来，不像dns.exe!SigWireRead, dnsapi.dll!Sig_RecordRead 它确实验证了Sig_RecordRead+D0传递给dnsapi.dll!Dns_AllocateRecordEx的值小于0xFFFF字节，从而防止了溢出。

这个漏洞在dnsapi.dll中不存在。并且两个模块之间的命名约定不同，这使我们相信Microsoft管理DNS服务器和DNS客户端的两个完全不同的代码库，并且不会同步它们之间的bug补丁。

 

Exploitation Plan

根据Microsoft的要求，我们决定保留有关漏洞利用原语的信息，以便给用户足够的时间来修补他们的DNS服务器。相反，我们将讨论应用于Windows Server 2012R2的利用方案。然而，我们相信这个方案也应该适用于其他版本的Windows Server。

该dns.exe二进制文件是用控制流保护(CFG)编译的，这意味着在内存中重写函数指针的传统方法不足以利用这个漏洞。如果这个二进制文件不是用CFG编译的，利用这个漏洞将是非常简单的，因为很早就我们遇到了以下崩溃:

如您所见，我们在ntdll!LdrpValidateUserCallTarget上崩溃了。这个函数负责作为CFG的一部分验证目标函数指针。我们可以看到被验证的指针(rcx)是完全可控的，这意味着我们成功地覆盖了某个函数指针。我们看到崩溃的原因是函数指针被用作全局位图表的索引，每个地址有“allowed” / “disallowed”位，而我们的任意地址导致从表本身的未映射page读取。

要利用这个漏洞在绕过CFG的同时实现远程代码执行，我们需要找到提供以下功能的原语:write- where(精确地覆盖栈上的返回地址)和infoleak(泄漏内存地址)。

信息泄漏

为了实现Infoleak（信息泄露）原语，我们利用溢出破坏了DNS资源记录的元数据，而它仍在缓存中。然后，当再次从缓存中查询时，我们可以泄漏相邻的堆内存。

WinDNS的堆管理器

WinDNS使用Mem_nualloc函数动态分配内存。此函数管理自己的内存池，以用作高效缓存。对于不同的分配大小，有4个内存池(0x50、0x68、0x88、0xA0)。如果请求的分配大小大于0xA0字节，则默认为HeapAlloc，它使用本地Windows堆。堆管理器为内存池header分配额外的0x10字节，其中包含元数据，包括缓冲区的类型（已分配/空闲）、指向下一个可用内存块的指针、用于调试检查的cookie等。堆管理器以单链表的方式实现它的分配列表，这意味着块的分配顺序与它们被释放的顺序相反(LIFO)。

Write-What-Where

为了实现“Write-What-Where”原语，我们通过破坏chunk的header(元数据)来攻击WinDNS堆管理器，实际上就是破坏freelist。

在freelist被破坏后，下次我们尝试分配大小合适的任何内容时，内存分配器都会为我们分配我们选择的内存区域作为”Malloc-Where”原语。

为了绕过CFG，我们希望该内存区域位于堆栈上，由于信息泄漏，我们希望知道它的位置。一旦我们在堆栈上有了写能力，我们就可以将返回地址改写为我们想要执行的地址，有效地劫持执行流程。

必须指出的是，默认情况下，DNS服务在前3次崩溃时重新启动，这增加了成功利用的机会。

 

总结

这个高度的漏洞已经被微软承认，并为其分配CVE-2020-1350。

我们相信这个漏洞被利用的可能性是很高的，因为我们在内部找到了利用这个漏洞所需的所有原语。由于时间限制，我们没有继续利用这个漏洞，但是我们相信其他的攻击者能够利用它。成功利用此漏洞将产生严重影响，因为通常可以找到未修补的Windows域环境，尤其是域控制器。此外，甚至一些互联网服务提供商（ISP）可能将其公共DNS服务器设置为WinDNS。

我们建议用户修补受影响的Windows DNS服务器，以防止利用此漏洞。

作为临时的解决方法，在打补丁之前，建议将DNS消息（通过TCP）的最大长度设置为0xFF00，这样可以消除此漏洞。您可以通过执行以下命令来实现：

reg add "HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesDNSParameters" /v "TcpReceivePacketSize" /t REG_DWORD /d 0xFF00 /f
net stop DNS && net start DNS

 

披露时间表

• 2020年5月19日 – 向Microsoft提交的初步报告。
• 2020年6月18日 – Microsoft发布了此漏洞的CVE-2020-1350。
• 2020年7月9日 – Microsoft承认该问题是一个可修复的严重漏洞，CVSS评分为10.0。
• 2020年7月14日 – Microsoft发布了补丁。

 

参考资料

• https://en.wikipedia.org/wiki/Domain_Name_System
• https://blog.skullsecurity.org/2011/a-deeper-look-at-ms11-058
• https://know.bishopfox.com/blog/2017/10/a-bug-has-no-name-multiple-heap-buffer-overflows-in-the-windows-dns-client
• https://powerdns.org/hello-dns/basic.md.html
• https://www.cloudflare.com/learning/dns/what-is-dns/
• https://tools.ietf.org/html/rfc7766
• https://tools.ietf.org/html/rfc5966
• https://tools.ietf.org/html/rfc2535

非常感谢我的同事Eyal Itkin（@EyalItkin）和Omri Herscovici（@omriher）在这项研究中的帮助。