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LibreSSL之CVE-2023-35784误差剖析

宣布时间 2024-06-28

LibreSSL是2014年心脏滴血误差爆发后，，，OpenBSD fork OpenSSL 1.0.1g并举行维护的清静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后未能实时赋值为NULL，，，导致潜在的Double Free或者Use After Free误差。。。。

一、误差信息

? 误差形貌

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)

上面的误差形貌和补丁是现在能在网络上找到的所有有意义的果真内容。。。。

二、误差剖析

这里剖析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）举行清静套接字编程时最直接与程序员打交道的结构体，，，清静编程主要的操作都直接或间接与其有关，，，因此，，，其主要性不言而喻。。。。

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，，，由于导致误差爆发的verified_chain位于该结构体变量内；；；；；我们同时注重s3成员变量，，，注重的缘故原由见下文。。。。

2.1.2 ssl_internal_st

ssl_internal_st结构体的界说如下：

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;

误差爆发的成员变量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，，，有利于我们明确误差爆发的机理。。。。

? SSL证书系统

（1）逐级签发

一样平常来说，，，效劳器返回的证书包括了多个机构，，，由根证书揭晓机构逐级向下签发。。。。以百度的证书为例，，，根证书揭晓机构GlobalSign揭晓给机构GlobalSign BE，，，而GlobalSign BE再揭晓给百度。。。。

（2）证书包括揭晓者、揭晓给谁、公钥、校验等信息

效劳器返回的证书中，，，包括了各个机构的多种信息，，，好比揭晓者，，，揭晓给谁，，，公钥信息，，，版本、有用期、以及署名等。。。。

（3）链式包括

逐级签发的证书，，，确定了在数据序列上由下至上的链式包括结构。。。。
操作系统至少包括根证书。。。。
证书系统确保了链式可信，，，从而要求操作系统至少要包括根证书，，，好比GlobalSign的根证书。。。。

（4）自署名

一级
主要供测试用
缺陷：中心人攻击

这里也提一下自署名证书，，，通常由OpenSSL程序天生，，，由自己揭晓给自己，，，也因此，，，无法通过操作系统的证书信任链，，，无法对抗中心人攻击，，，一样平常仅用于测试。。。。

下图为效劳器返回的百度证书链：

图片1.png

? STACK_OF(X)宏

该误差爆发于STACK_OF(X509)宏指向的堆，，，因此，，，有须要弄清晰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偏早期的编码气概，，，使用char **体现）。。。。

客户端获取到效劳器端的证书后，，，verified_chain在堆中的结构如下图：

图片2.png

可以看到，，，num的值为3，，，体现证书链为三级证书链（仍以百度的证书为例，，，三级划分为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，，，该宏最终挪用sk_pop_free函数。。。。在该函数内，，，先判断st是否即是NULL（[*]处），，，若即是则直接返回，，，说明已经不再需要释放了；；；；；若st不即是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），，，关于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，，，关于误差而言，，，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时由于st不即是NULL，，，从而导致再次被sk_free函数释放。。。。

三、误差验证

凭证误差形貌和补丁信息，，，我们知道需要有时机执行sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free)两次。。。。

这涉及到SSL结构体的重用，，，我们先看一个最简朴的使用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毗连的握手，，，这时会获得效劳器端响应的证书，，，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

凭证误差形貌，，，审查OpenSSL官方对SSL_clear函数的诠释，，，看看能获取到哪些信息提醒。。。。

图片3.png

也就是说，，，SSL_clear提供重置SSL工具的功效，，，以为下次新毗连做准备，，，这样阻止内部资源的申请和初始化，，，有利于提高资源的使用效率。。。。并且提到了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结构体工具时，，，若是我们创立条件知足[1]处，，，能够使程序代码运行到[3]处，，，从而有时机使得sk_X509_pop_free(s->internal->verified_chain, X509_free)执行两次。。。。注重到，，，在[2]处已经有一次对ssl_free指向的函数的挪用，，，以及[3]处的ssl_new指向的函数的一次挪用。。。。

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);
}

注重[1]处。。。。

3.4 ssl3_clear函数

尚有，，，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);

}

视察[1]处的代码。。。。

3.5 触发历程

若是我们能先后触发ssl3_free和ssl3_new，，，那么也就能触发该误差。。。。

建设SSL需要的上下文情形；；；；；
挪用SSL_connect函数，，，使得SSL毗连返回证书链;
然后使用SSL_shutdown函数关闭该SSL毗连;
接下来挪用TLSv1_method函数，，，以返回一个新的SSL_METHOD指针（和第一次使用SSL_CTX_new函数建设SSL_CTX变量时传入的参数差别）;
挪用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函数的缘故原由

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函数着实指向了tls1_free函数，，，而tls1_free函数内部挪用了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居心不即是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：

图片4.png

凭证tls1_free函数的代码，，，它会挪用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，，，会挪用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，，，无论怎样，，，[1]处的ssl3_new函数都会执行，，，而ssl3_new内部会挪用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;
}

注重到tls1_clear内部会挪用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。。。。在调试器中的瓦解如下图：

图片5.png

四、误差修复

4.1 关于3.6.3

关于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

在剖析打过补丁后的较新版本时，，，会发明ssl3_free函数没有了3.6.3版时把verified_chain赋值为NULL的语句，，，好比最新版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，，，注重[2]处的freezero函数。。。。

缘故原由在于结构体界说的转变，，，从sk_X509_pop_free宏的第一参数可以看出一些眉目：

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

该版本几个相关结构体的界说如下：

// 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的堆空间的内容所有设置为零，，，审查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，，，进而阻止了误差的爆发。。。。

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/

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