FragAttacks漏洞分析
发布时间 2021-05-18背景
近日，纽约大学阿布扎比分校的安全研究员Mathy Vanhoef发现了一系列影响巨大的Wi-Fi漏洞，这一系列漏洞被统称为FragAttacks，FragAttacks影响了1997年Wi-Fi技术诞生以来的所有Wi-Fi设备（包括计算机、智能手机、园区网络、家庭路由器、智能家居设备、智能汽车、物联网等等）。
其中三个漏洞影响大多数WiFi设备，属于Wi-Fi 802.11标准帧聚合和帧分片功能中的设计缺陷，而其他漏洞是Wi-Fi产品中的编程错误。
黑客只要在目标设备的Wi-Fi范围内，就能利用FragAttacks漏洞窃取敏感用户数据并执行恶意代码，甚至可以接管整个设备。
启明星辰ADLab第一时间对漏洞进行了分析，并提出了相应的缓解建议。由于WiFi产品的协议栈，包括了Soft Mac及Full Mac多种实现方案。FragAttacks系列漏洞不仅存在影响操作系统内核、WiFi驱动，还影响WiFi的SOC芯片，所以漏洞的影响长期存在。请及时关注并更新设备供应商的安全更新。
修复及缓解建议
● 及时更新设备供应商发布的FragAttacks漏洞安全更新。
● 确保您访问的所有网站和在线服务都启用了安全超文本传输协议HTTPS(比如安装HTTPS Everywhere插件)。
● 例如在Wi-Fi 6（802.11ax）设备中禁用分片，禁用成对重新生成密钥以及禁用动态分片。
漏洞列表及具体影响
Wi-Fi设计缺陷相关的漏洞包括：
| CVE编号 | 漏洞介绍 | 漏洞影响 |
|---|---|---|
| CVE-2020-24588 | 针对A-MSDU聚合的注入攻击（无效的SPP A-MSDU保护机制） | 攻击者可插入恶意帧，篡改数据包 |
| CVE-2020-24587 | 混合密钥攻击（重组时使用不同密钥加密的分片 | 密取用户的敏感数据 |
| CVE-2020-24586 | 分片缓存攻击（重新连接到网络时不清除分片缓存） | 窃取用户敏感数据或篡改任意数据包 |
Wi-Fi实现相关的漏洞包括：
| CVE编号 | 漏洞介绍 | 漏洞影响 |
|---|---|---|
| CVE-2020-26145 | 在加密通讯中，仍接受未加密广播分片作为完整帧 | 独立于网络配置，插入任意帧，从而篡改数据包 |
| CVE-2020-26144 | 在加密通讯中，仍接受未加密的A-MSDU帧 | |
| CVE-2020-26140 | 在受保护的网络中接受未加密数据帧 | |
CVE-2020-26143 | 在受保护的网络中接受分片的未加密数据帧 | |
CVE-2020-26139 | 转发EAPOL帧时未验证发送端的身份 | 和CVE-2020-24588结合起来，插入任攻击者可插入恶意帧，篡改数据包 |
CVE-2020-26146 | 对于非连续数据包编号的加密分片依然进行重新组合 | 窃取用户敏感数据 |
CVE-2020-26147 | 对分片进行重新组合时不区分加密或未加密 | 攻击者可插入恶意帧，篡改数据包 |
CVE-2020-26142 | 将分片帧作为完整帧进行处理 | |
CVE-2020-26141 | 不验证分片帧的TKIP MIC |
通过这一系列漏洞，攻击者完全可以获得用户的敏感信息或直接控制智能设备，如控制智能电源插座，甚至直接接管网络中存在漏洞的计算机，参见下文参考资料[2]。
漏洞分析
我们选取了在所有设备普遍存在的CVE-2020-24586、CVE-2020-24587、CVE-2020-24588三个设计漏洞进行分析。由于CVE-2020-24588的漏洞影响较大，我们着重进行介绍CVE-2020-24588。
1、技术背景
由于802.11MAC层协议耗费了相当多开销用作链路的维护，为了提高MAC层的效率，802.11n引入帧聚合技术，报文帧聚合技术包括：A-MSDU(MAC服务数据单元聚合) 及 A-MPDU(MAC协议数据单元聚合)。
A-MSDU允许对目的地及应用都相同的多个A-MSDU子帧进行聚合，聚合后的多个子帧只有一个共同的MAC帧头，当多个子帧聚合到一起后，从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC头的开销，同时减少了应答帧的数量，从而提高无线传输效率。A-MSDU报文帧聚合技术是802.11n协议的强制要求，所有支持802.11n协议的设备都必须支持。
下图示意了在802.11协议栈中，发送端和接收端是如何处理A-MSDU数据的。
图1. 802.11协议数据处理流程
在802.11协议栈中，发送端将来自3-7层的网络数据经过数据链路层的LLC子层添加LLC/SNAP头后封装成MSDU(MAC服务数据单元），MSDU经过添加DA、SA、长度及pading后，封装成A-MSDU子帧，在MAC子层的顶层将多个A-MSDU子帧封装成A-MSDU，经MAC子层后，帧数据被添加上MAC头及帧尾封装成802.11数据帧（MPDU），MPDU/PSDU经过物理层添加PLCP Preamble（PLCP前导码）及PLCP Header（PHY头），无线侧最后通过射频口将二进制流发送到接收端。
接收端通过相反路径对802.11数据帧进行拆解，最后获得发送端的3-7层的网络数据。
A-MSDU的协议数据组成如图2所示，我们从上到下进行分别说明：
（1）一个MSDU由LCC/SNAP头、IP头、TCP/UDP头及协议数据Data组成。
（2）MSDU添加DA(目的地址)，SA(源地址)，后续数据长度及Padding(四字节对齐)组成一个MSDU子帧。
（3）多个MSDU子帧组成一个802.11帧的A-MSDU域。
（4）802.11数据帧通过QOS Control的A-MSDU Present位来表示这是一个包括A-MSDU域的数据帧。
图2. A-MSDU数据组成示意
在802.11协议中，一个普通的802.11数据帧与A-MSDU数据帧的结构是相同的，只是QOS Control域的A-MSDU Preset位 为1，则标示了该数据帧是一个A-MSDU数据帧。A-MSDU Preset位为0，则标示这是普通802.11数据帧。
在802.11协议中WEP及CCMP只保护802.11MAC的有效载荷，至于802.11帧头以及下层协议的标头则原封不动，也就是说802.11协议中数据帧中QOS Control并没有加密，这为攻击者提供了攻击入口。
图3. CCMP加密的802.11数据帧格式
为防止中间人攻击，IEEE在2011年设计了SPPA-MSDU机制来保护A-MSDU Preset位及A-MSDU的Payload。SPP A-MSDU通过在RSN capabilities 域中添加SPP A-MSDU Capable及SPP A-MSDU Required来标示是否支持SPP A-MSDU机制及是否采用SPP A-MSDU机制。
图4. RSN Capabilities 域数据格式
2、针对A-MSDU聚合的帧注入攻击(CVE-2020-24588)
虽然有SPP A-MSDU机制来保护A-MSDU Preset位不被篡改，但是在实际的测试中，几乎所有的设备都不遵循SPP A-MSDU机制，这使得中间人攻击成为可能。
我们假设发送端发送了一个正常的802.11数据帧，这是一个里面封装的是一个普通TCP包，其dst=“192.168.1.2", src="1.2.3.4", id=34
图5. 原始的802.11数据帧
由于偏移0x18的QOS Control(0200）不受保护，攻击者可以将 QOS Control域中的A-MSDU Preset翻转为1，使得QOS Control的值为8200，同时在帧末尾注入恶意的A-MSDU子帧2（如下图的红色线标示），最后发送给接收端。
图6. 篡改后的802.11A-MSDU数据帧
由于QOS Control域中的A-MSDU Preset翻转为1，当接收端接收到数据帧后，会按A-MSDU格式来拆解里面的数据。数据被识别成两个A-MSDU子帧。A-MSDU子帧1中的数据是原始的MSDU数据，所以会被协议栈丢弃，但第二个子帧会被正确解析并处理。这上面的例子中第二个子帧会被识别成ICMP ping包，接收端会回复一个ICMP echo Reply给发送端。
视频1. 发送端收到ICMP echo Reply
下图示意了中间人帧注入流程：
图7. 中间人帧注入流程
（1）STA（终端）和AP（热点/无线路由器）信道A（如信道6）, 建立关联
（2）MITM利用多信道中间人技术使得STA认为AP已经切换到信道B（如信道11）。
（3）STA在信道11给 MITM发送加密的Wifi正常数据帧。
（4）MITM将 接收到的Wifi帧QOS域的A-MSDU Preset标示设为1，同时插入篡改的A-MSDU数据。把一个正常的Wifi帧改成一个A-MSDU帧，并注入一个ICMP请求包，并在通道6发给AP。
（5）AP接收到A-MSDU数据帧，AP拆解A-MSDU，分成多个A-MSDU子帧，其中第一个A-MSDU子帧为非法包，会被丢弃，但后续的MSDU子帧会被系统正常处理。AP会回复收到一个ICMP Echo 应答给MITM。
（6）MITM收到AP的回复后，将接收到的WIFI帧转发给STA，这样STA收到AP回复的ICMP应答。
CVE-2020-24588的修复
今年3月Windows发布了相应的补丁，修复了FragAttacks系列漏洞，5月11日Linux也发布了FragAttacks系列漏洞补丁[6]，Linux针对CVE-2020-24588的修复如下：
---
net/wireless/util.c | 3 +++
1 file changed, 3 insertions(+)
diff --git a/net/wireless/util.c b/net/wireless/util.c
index 39966a873e40..7ec021a610ae 100644
--- a/net/wireless/util.c
+++ b/net/wireless/util.c
@@ -771,6 +771,9 @@ void ieee80211_amsdu_to_8023s(struct sk_buff *skb, struct sk_buff_head *list,
remaining = skb->len - offset;
if (subframe_len > remaining)
goto purge;
+/* mitigate A-MSDU aggregation injection attacks */
+if (ether_addr_equal(eth.h_dest, rfc1042_header))
+goto purge;
offset += sizeof(struct ethhdr);
last = remaining <= subframe_len + padding;
--
因为在A-MSDU聚合注入攻击中，需要将普通加密Wi-Fi帧转换为A-MSDU帧。这意味着第一个A-MSDU子帧的前6字节对应于RFC1042的帧头，liunx内核通过增加判断DA（目标地址）是否和rfc1042_header(\xaa\xaa\x03\x00\x00\x00)一致，如果相等则认为是恶意攻击，可以把这个A-MSDU帧抛弃。
混合密钥攻击(CVE-2020-24587)
图8.混合密钥攻击流程
在步骤1当中，攻击者诱导受害者访问受攻击者控制的服务器，通过一些手段，比如指定一个超长的URL，从而使受害者发送的数据包不得不分成两段进行传输，分片的数据包用秘钥k加密，这两个数据包为和。而攻击者通过多信道的中间人进行拦截，一旦监测到攻击者指定IP数据包，便将此数据包转发给AP，即AP一旦收到此数据包后，就将其解密后存在内存当中。
在步骤2进行之前，受害者需要与AP重新进行四次握手并协商新的密钥。之后攻击者等待受害者发送包含敏感信息的数据包，即和。攻击者将数据包号码为n+1的数据包拦截，并将其序列号修改为s，然后转发给AP，即数据包。而AP直接把他当作序列号s数据包的第二个分片信息，将他解密后重组成新的数据包，而新的数据包中包含受害者的敏感信息与攻击者指定的IP。于是敏感信息就被发送到受害者控制的服务器上，造成信息泄露。
分片缓存投毒攻击(CVE-2020-24586)
图9.分片缓存投毒攻击流程
在步骤1中，攻击者嗅探到受害者的MAC地址后，伪造受害者MAC地址去连接AP。这样就可以合法的用受害者的身份在AP的内存中插入分片。
在步骤2中，受害者进行正常的认证工作，此时攻击者发送数据包，这个数据包中包含攻击者指定的IP数据包。然后AP解密此数据包，并保存在内存中，以受害者的MAC地址作为标识。然后攻击者通过发送解除认证的数据包并断开连接，随后在受害者和AP之间建立一个多信道的中间人。注意此时AP内存中的分片并没有被清除。
之后受害者与AP之间进行正常的连接。此时攻击者只需要等待受害者发送第二个分片，数据包号码为n+1，攻击者将此数据包拦截后，并将此数据包的序列号修改为s，然后其转发给AP，即数据包，一旦AP收到此数据包，和混合密钥漏洞类似，AP会将此数据包解密，并和之前保存在缓存中的数据包重组成新的数据包，因为这两个数据包包含相同的MAC地址和序列号。最后，AP将重组后的数据包发送给攻击者控制的服务器，从而造成敏感信息泄露。
参考链接：
【1】https://papers.mathyvanhoef.com/usenix2021.pdf
【2】https://www.youtube.com/embed/88YZ4061tYw
【3】https://www.fragattacks.com/#notpatched
【4】https://github.com/vanhoefm/fragattacks
【5】https://lore.kernel.org/linux-wireless/20210511180259.159598-1-johannes@sipsolutions.net/
启明星辰积极防御实验室（ADLab）
ADLab成立于1999年，是中国安全行业最早成立的攻防技术研究实验室之一，微软MAPP计划核心成员，“黑雀攻击”概念首推者。截止目前，ADLab已通过CVE累计发布安全漏洞近1100个，通过 CNVD/CNNVD累计发布安全漏洞1000余个，持续保持国际网络安全领域一流水准。实验室研究方向涵盖操作系统与应用系统安全研究、智能终端安全研究、物联网智能设备安全研究、Web安全研究、工控系统安全研究、云安全研究。研究成果应用于产品核心技术研究、国家重点科技项目攻关、专业安全服务等。
京公网安备11010802024551号