LibreSSL之CVE-2023-35784漏洞分析

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LibreSSL是2014年心脏滴血漏洞爆发后，OpenBSD fork OpenSSL 1.0.1g并进行维护的安全SSL库。

CVE-2023-35784是LibreSSL 3.6.2等版本中的ssl3_free函数在释放s->internal->verified_chain后未能及时赋值为NULL，导致潜在的Double Free或者Use After Free漏洞。

一、漏洞信息

• 漏洞描述

A double free or use after free could occur after SSL_clear in OpenBSD 7.2 before errata 026 and 7.3 before errata 004, and in LibreSSL before 3.6.3 and 3.7.x before 3.7.3. NOTE: OpenSSL is not affected.

• 补丁

`Index: lib/libssl/s3_lib.c``===================================================================``RCS file: /cvs/src/lib/libssl/s3_lib.c,v``diff -u -p -r1.238 s3_lib.c``--- lib/libssl/s3_lib.c 21 Aug 2022 19:39:44 -0000  1.238``+++ lib/libssl/s3_lib.c 15 May 2023 05:05:28 -0000``@@ -1573,6 +1573,7 @@ ssl3_free(SSL *s)` `    sk_X509_NAME_pop_free(s->s3->hs.tls12.ca_names, X509_NAME_free);`    `sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free);``+   s->internal->verified_chain = NULL;` `    tls1_transcript_free(s);`    `tls1_transcript_hash_free(s)`

上面的漏洞描述和补丁是目前能在网络上找到的所有有意义的公开内容。

二、漏洞分析

这里分析3.6.3版本打过补丁后的ssl3_free函数（/// ...略... 为省略的部分无关代码，下文相同）：

`// 3.6.3 s3_lib.c``void``ssl3_free(SSL *s)``{`    `if (s == NULL)`        `return;``   `    `tls1_cleanup_key_block(s);`    `ssl3_release_read_buffer(s);`    `ssl3_release_write_buffer(s);``   `    `/// ...略...``   `    `sk_X509_NAME_pop_free(s->s3->hs.tls12.ca_names, X509_NAME_free);`    `sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free);   ////// [1]`    `s->internal->verified_chain = NULL;                         ////// [2]``   `    `tls1_transcript_free(s);`    `/// ...略...``   `    `freezero(s->s3, sizeof(*s->s3));``   `    `s->s3 = NULL;``}`

相比3.6.2版本的ssl3_free函数，该函数多了[2]处赋值为NULL的语句。

2.1 几个结构体

这里涉及到几个主要的结构体（v3.6.2），首先是SSL结构体。

SSL结构体是LibreSSL（包括OpenSSL）进行安全套接字编程时最直接与程序员打交道的结构体，安全编程主要的操作都直接或间接与其有关，因此，其重要性不言而喻。

2.1.1 SSL

`typedef struct ssl_st SSL;``   ``struct ssl_st {`    `/* protocol version`     `* (one of SSL2_VERSION, SSL3_VERSION, TLS1_VERSION, DTLS1_VERSION)`     `*/`    `int version;``   `    `const SSL_METHOD *method;``   `    `/// ...略...`    `    int server; /* are we the server side? - mostly used by SSL_clear*/``   `    `struct ssl3_state_st *s3; /* SSLv3 variables */   ////////// [1]`    `struct dtls1_state_st *d1; /* DTLSv1 variables */``   `    `X509_VERIFY_PARAM *param;`    `    /// ...略...``   `    `SSL_CTX * initial_ctx; /* initial ctx, used to store sessions */``#define session_ctx initial_ctx``   `    `struct ssl_internal_st *internal;    /////////// [2]``};`

在该结构体中，重点关注末尾的internal成员变量，因为导致漏洞发生的verified_chain位于该结构体变量内；我们同时留意s3成员变量，留意的原因见下文。

2.1.2 ssl_internal_st

ssl_internal_st结构体的定义如下：

`   ``typedef struct ssl_internal_st {`    `struct tls13_ctx *tls13;``   `    `uint16_t min_tls_version;`    `uint16_t max_tls_version;``   `    `/*`     `* These may be zero to imply minimum or maximum version supported by`     `* the method.`     `*/`    `uint16_t min_proto_version;`    `uint16_t max_proto_version;``   `    `/// ...略...``   `    `int empty_record_count;``   `    `size_t num_tickets; /* Unused, for OpenSSL compatibility */`    `STACK_OF(X509) *verified_chain;  /////// [1]``} SSL_INTERNAL;`

漏洞发生的成员变量verified_chain位于ssl_internal_st结构体的末尾，为一STACK_OF(X509)指针。

2.1.3 BTW

这里顺便提一下SSL（指广义上的SSL，包括后续的TLS）的证书系统，有利于我们理解漏洞发生的机理。

• SSL证书系统

（1）逐级签发

一般来说，服务器返回的证书包含了多个机构，由根证书颁发机构逐级向下签发。以百度的证书为例，根证书颁发机构GlobalSign颁发给机构GlobalSign BE，而GlobalSign BE再颁发给百度。

（2）证书包含颁发者、颁发给谁、公钥、校验等信息

服务器返回的证书中，包含了各个机构的多种信息，比如颁发者，颁发给谁，公钥信息，版本、有效期、以及签名等。

（3）链式包含

• 逐级签发的证书，确定了在数据序列上由下至上的链式包含结构。

• 操作系统至少包含根证书。

• 证书系统确保了链式可信，从而要求操作系统至少要包含根证书，比如GlobalSign的根证书。

（4）自签名

• 一级

• 主要供测试用

• 缺陷：中间人攻击

这里也提一下自签名证书，通常由OpenSSL程序生成，由自己颁发给自己，也因此，无法通过操作系统的证书信任链，无法对抗中间人攻击，一般仅用于测试。

下图为服务器返回的百度证书链：

• STACK_OF(X)宏

该漏洞发生于STACK_OF(X509)宏指向的堆，因此，有必要弄清楚verified_chain的堆结构。

`#typedef STACK_OF(type) struct stack_st_##type``   ``typedef struct stack_st {`    `int num;`    `char **data;`    `int sorted;`    `int num_alloc;`    `int (*comp)(const void *, const void *);``} _STACK; /* Use STACK_OF(...) instead */`

STACK_OF(X509) *verified_chain;

这里，我们主要关注num成员变量和指向数组的指针data（LibreSSL使用了Linux偏早期的编码风格，使用char **表示）。

客户端获取到服务器端的证书后，verified_chain在堆中的结构如下图：

可以看到，num的值为3，表示证书链为三级证书链（仍以百度的证书为例，三级分别为GlobalSign、GlobalSign BE和百度各自的证书），因此data数组指向3个x509_st证书结构体，上图示例中打印出了最底层的根证书的部分成员变量。

2.2 sk_X509_pop_free宏

我们看一下最终释放s->internal->verified_chain的sk_X509_pop_free宏。

`#define sk_X509_pop_free(st, free_func) SKM_sk_pop_free(X509, (st), (free_func))``   ``#define SKM_sk_pop_free(type, st, free_func) \`    `sk_pop_free(CHECKED_STACK_OF(type, st), CHECKED_SK_FREE_FUNC(type, free_func))``   ``void``sk_pop_free(_STACK *st, void (*func)(void *))``{`    `int i;``   `    `if (st == NULL)                 /////// [*]`        `return;`    `for (i = 0; i < st->num; i++)`        `if (st->data[i] != NULL)`            `func(st->data[i]);      /////// [1]`    `sk_free(st);                    /////// [2]``}`

可以看到，该宏最终调用sk_pop_free函数。在该函数内，先判断st是否等于NULL（[*]处），若等于则直接返回，说明已经不再需要释放了；若st不等于NULL，则使用for循环共循环stack_st结构体里的num次，并每次使用函数的第二个参数（为一函数指针）逐个释放数组内的各个成员（[1]处），对于sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free)而言，func即为X509_free函数；最后释放st。

简而言之，对于漏洞而言，sk_pop_free的第一个参数st(即s->internal->verified_chain)上次释放后没有赋值为NULL，第二次sk_pop_free时因为st不等于NULL，从而导致再次被sk_free函数释放。 

三、漏洞验证

根据漏洞描述和补丁信息，我们知道需要有机会执行sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free)两次。

这涉及到SSL结构体的重用，我们先看一个最简单的使用SSL结构体的伪代码。

3.1 SSL_new和SSL_free的配对使用

首先为SSL结构体变量申请出堆空间，然后使用SSL_connect函数完成SSL连接的握手，这时会得到服务器端响应的证书，最后使用SSL_free函数释放堆空间，伪代码如下：

`SSL* ssl = SSL_new(sslCtx);``// ...``SSL_connect(ssl);``// ...``SSL_free(ssl);`

3.2 SSL_clear函数

根据漏洞描述，查看OpenSSL官方对SSL_clear函数的解释，看看能获取到哪些信息提示。

也就是说，SSL_clear提供重置SSL对象的功能，以为下次新连接做准备，这样避免内部资源的申请和初始化，有利于提高资源的利用效率。而且提到了SSL_shutdown函数的使用。下面为SSL_clear函数的代码：

`int``SSL_clear(SSL *s)``{`    `if (s->method == NULL) {`        `SSLerror(s, SSL_R_NO_METHOD_SPECIFIED);`        `return (0);`    `}``   `    `/// ...略...``   `    `s->internal->first_packet = 0;``   `    `/*`     `* Check to see if we were changed into a different method, if`     `* so, revert back if we are not doing session-id reuse.`     `*/`    `if (!s->internal->in_handshake && (s->session == NULL) &&`        `(s->method != s->ctx->method)) { /////// [1]`        `s->method->ssl_free(s);          /////// [2]`        `s->method = s->ctx->method;`        `if (!s->method->ssl_new(s))      /////// [3]`            `return (0);`    `} else`        `s->method->ssl_clear(s);``   `    `return (1);``}`

在重置SSL结构体对象时，如果我们创造条件满足[1]处，能够使程序代码运行到[3]处，从而有机会使得sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free)执行两次。留意到，在[2]处已经有一次对ssl_free指向的函数的调用，以及[3]处的ssl_new指向的函数的一次调用。

3.3 ssl3_new函数

先看看ssl3_new函数：

`int``ssl3_new(SSL *s)``{`    `if ((s->s3 = calloc(1, sizeof(*s->s3))) == NULL)`        `return (0);``   `    `s->method->ssl_clear(s);    /////// [1]``   `    `return (1);``}`

留意[1]处。

3.4 ssl3_clear函数

还有，ssl3_clear函数的源代码：

`void``ssl3_clear(SSL *s)``{`    `unsigned char *rp, *wp;`    `size_t rlen, wlen;``   `    `tls1_cleanup_key_block(s);`    `sk_X509_NAME_pop_free(s->s3->hs.tls12.ca_names, X509_NAME_free);`    `sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free);   ///////// [1]`    `s->internal->verified_chain = NULL;``   `    `freezero(s->s3->hs.sigalgs, s->s3->hs.sigalgs_len);`    `s->s3->hs.sigalgs = NULL;`    `s->s3->hs.sigalgs_len = 0;``   `    `/// ...略...``   `    `memset(s->s3, 0, sizeof(*s->s3));``   `    `s->s3->rbuf.buf = rp;``   `    `/// ...略...``   `    `s->s3->hs.state = SSL_ST_BEFORE|((s->server) ? SSL_ST_ACCEPT : SSL_ST_CONNECT);``}`

观察[1]处的代码。

3.5 触发过程

如果我们能先后触发ssl3_free和ssl3_new，那么也就能触发该漏洞。

• 创建SSL需要的上下文环境；

• 调用SSL_connect函数，使得SSL连接返回证书链;

• 然后使用SSL_shutdown函数关闭该SSL连接;

• 接下来调用TLSv1_method函数，以返回一个新的SSL_METHOD指针（和第一次使用SSL_CTX_new函数创建SSL_CTX变量时传入的参数不同）;

• 调用SSL_set_ssl_method函数，其第二个参数为上一步返回的新SSL_METHOD指针；

• 正常释放相关资源。

• 使用TLSv1_method函数的原因

我们看一下TLSv1_method函数的相关代码：

`// ssl_methods.c``const SSL_METHOD *``TLSv1_method(void)``{`    `return (&TLSv1_method_data);``}``   ``// ...``   ``static const SSL_METHOD TLSv1_method_data = {`    `.dtls = 0,`    `.server = 1,`    `.version = TLS1_VERSION,`    `.min_tls_version = TLS1_VERSION,`    `.max_tls_version = TLS1_VERSION,`    `.ssl_new = tls1_new,`    `.ssl_clear = tls1_clear,`    `.ssl_free = tls1_free,  /////// [1]`    `.ssl_accept = ssl3_accept,`    `.ssl_connect = ssl3_connect,`    `.ssl_shutdown = ssl3_shutdown,`    `/// ...略...`    `.enc_flags = TLSV1_ENC_FLAGS,``};`

能够看到，此时，ssl_free函数其实指向了tls1_free函数，而tls1_free函数内部调用了ssl3_free。

`// t1_lib.c``void``tls1_free(SSL *s)``{`    `if (s == NULL)`        `return;``   `    `free(s->internal->tlsext_session_ticket);`    `ssl3_free(s);   /////// [1]``}`

我们再来看一下SSL_set_ssl_method函数：

`int``SSL_set_ssl_method(SSL *s, const SSL_METHOD *method)``{`    `int (*handshake_func)(SSL *) = NULL;`    `int ret = 1;``   `    `if (s->method == method)`        `return (ret);``   `    `if (s->internal->handshake_func == s->method->ssl_connect)`        `handshake_func = method->ssl_connect;`    `else if (s->internal->handshake_func == s->method->ssl_accept)`        `handshake_func = method->ssl_accept;``   `    `if (s->method->version == method->version) { //// [1]`        `s->method = method;`    `} else {`        `s->method->ssl_free(s);                  //// [2]`        `s->method = method;                      //// [3]`        `ret = s->method->ssl_new(s);             //// [4]`    `}`    `s->internal->handshake_func = handshake_func;``   `    `return (ret);``}`

我们使用TLSv1_method函数返回的method->version故意不等于s->method->version，从而导致[2]的执行，而此时的s->method->ssl_free的值为tls1_free，且运行到[4]处时，s->method->ssl_new的值为tls1_new：

根据tls1_free函数的代码，它会调用ssl3_free一次，而ssl3_free内部会执行一次sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free)，导致s->internal->verified_chain被释放。

当程序执行到SSL_set_ssl_method内的[4]处时，会调用tls1_new函数。

我们再来看一下tls1_new的代码：

`int``tls1_new(SSL *s)``{`    `if (!ssl3_new(s))        ///// [1]`        `return (0);`    `s->method->ssl_clear(s);`    `return (1);``}`

可以看到，无论如何，[1]处的ssl3_new函数都会执行，而ssl3_new内部会调用s->method->ssl_clear，此时的s->method->ssl_clear指向tls1_clear函数，tls1_clear函数的实现如下：

`void``tls1_clear(SSL *s)``{`    `ssl3_clear(s);      /////// [1]`    `s->version = s->method->version;``}`

注意到tls1_clear内部会调用ssl3_clear，而ssl3_clear内部一定会执行sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free)语句，从而导致s->internal->verified_chain被再次释放。在调试器中的崩溃如下图：

四、漏洞修复

4.1 对于3.6.3

对于3.6.3版，官方直接在ssl3_free函数里把s->internal->verified_chain赋值为NULL：

`// ssl3_free(SSL *s)`    `sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free); /////// [1]`    `s->internal->verified_chain = NULL;                       /////// [2]`

4.2 最新版本3.9.2

在分析打过补丁后的较新版本时，会发现ssl3_free函数没有了3.6.3版时把verified_chain赋值为NULL的语句，比如最新版3.9.2的：

`void``ssl3_free(SSL *s)``{`    `if (s == NULL)`        `return;``   `    `tls1_cleanup_key_block(s);`    `ssl3_release_read_buffer(s);`    `ssl3_release_write_buffer(s);``   `    `/// ...略...``   `    `sk_X509_pop_free(s->s3->hs.peer_certs, X509_free);`    `sk_X509_pop_free(s->s3->hs.peer_certs_no_leaf, X509_free);`    `sk_X509_pop_free(s->s3->hs.verified_chain, X509_free); /////// [1]`    `tls_key_share_free(s->s3->hs.key_share);``   `    `/// ...略...``   `    `freezero(s->s3->peer_quic_transport_params,`        `s->s3->peer_quic_transport_params_len);``   `    `freezero(s->s3, sizeof(*s->s3));     /////// [2]``   `    `s->s3 = NULL;``}`

同时，留意[2]处的freezero函数。 

原因在于结构体定义的变化，从sk_X509_pop_free宏的第一参数可以看出一些端倪：

sk_X509_pop_free(s->s3->hs.verified_chain, X509_free);

该版本几个相关结构体的定义如下：

`// 3.9.2``struct ssl_st {`    `/* protocol version`     `* (one of SSL2_VERSION, SSL3_VERSION, TLS1_VERSION, DTLS1_VERSION)`     `*/`    `int version;``   `    `const SSL_METHOD *method;`    `/// ...略...`    `int server; /* are we the server side? - mostly used by SSL_clear*/``   `    `struct ssl3_state_st *s3; /* SSLv3 variables */    /////// [1]`    `struct dtls1_state_st *d1; /* DTLSv1 variables */`    `/// ...略...``};``   ``typedef struct ssl3_state_st {`    `long flags;``   `    `unsigned char server_random[SSL3_RANDOM_SIZE];`    `/// ...略...`    `int in_read_app_data;``   `    `SSL_HANDSHAKE hs;                                  /////// [2]`    `/// ...略...``} SSL3_STATE;`

以及ssl_handshake_st：

`typedef struct ssl_handshake_st {`    `/*`     `* Minimum and maximum versions supported for this handshake. These are`     `* initialised at the start of a handshake based on the method in use`     `* and the current protocol version configuration.`     `*/`    `uint16_t our_min_tls_version;`    `/// ...略...``   `    `/* Certificate chain resulting from X.509 verification. */`    `STACK_OF(X509) *verified_chain;                    /////// [1]``   `    `SSL_HANDSHAKE_TLS12 tls12;`    `SSL_HANDSHAKE_TLS13 tls13;``} SSL_HANDSHAKE;`

可以看到在[2]处的hs是一个SSL_HANDSHAKE类型的结构体成员变量。ssl3_free函数里的freezero函数会把s->s3的堆空间的内容全部设置为零，查看freezero函数及其内部的explicit_bzero的代码即可得知。

• freezero函数和explicit_bzero函数

`// freezero.c``void``freezero(void *ptr, size_t sz)``{`    `/* This is legal. */`    `if (ptr == NULL)`        `return;``   `    `explicit_bzero(ptr, sz);`    `free(ptr);``}``   ``// explicit_bzero.c``void``explicit_bzero(void *buf, size_t len)``{`    `memset(buf, 0, len);               /////// [1]`    `__explicit_bzero_hook(buf, len);``}`

这样，[1]处的memset函数会导致s->s3->hs.verified_chain被赋值为NULL，从而在sk_pop_free函数[1]处时即返回，进而避免了漏洞的发生。

参考链接：

[1]https://ftp.openbsd.org/pub/OpenBSD/patches/7.2/common/026\_ssl.patch.sig

[2]https://www.cvedetails.com/cve/CVE-2023-35784/

启明星辰积极防御实验室（ADLab）

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