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Ripple 20：Treck TCP/IP协议漏洞技术分析

本文由“合天智汇”公众号首发，作者：b1ngo

Ripple20是一系列影响数亿台设备的0day（19个），是JSOF研究实验室在Treck TCP/IP协议栈中发现的【1】，该协议栈广泛应用于嵌入式和物联网设备。而由于这些漏洞很底层，并且流传版本很广（6.0.1.67以下），通过供应链的传播，使得这些漏洞影响十分广泛和深远。这也是这个漏洞代称Ripple的由来：The damaging effects of a these vulnerabilities has been amplified like a ripple effect to a dramatic extent due to the supply chain factor. (Ripple意思就是涟漪，连锁作用) 我们在本文中，重点分析了Ripple20中的CVE-2020-11896（CVSS V3 10.0）漏洞原理和利用。

背景知识

IP 分片

IP分片的概念是为了解决数据包最大长度的限制，例如以太网最大传输单元MTU为1500字节。那么如果发送的IP packet超过这个长度，就需要将数据包分为小的片段fragments。分片之后，想要将分片的数据包，在接收端重组，还需要一些标志位，用于表示接下来是否还有分片，该分片在整个数据包的偏移offset和是否是同一数据包等信息。在IP头部有4个字节（4-8字节）是用于存储这些分片信息的：

其中Flags字段有3部分：Reverse位、DF（Don't Fragment）和MF（More Fragments）。

IP隧道

IP隧道是将IP报文封装在另一个IP报文中的技术，如果外层和内存协议都是IP协议，那么我们将之称为ip-in-ip，结构如下图所示：

Treck TCP/IP的内部实现

Treck TCP/IP中，通过tsPacket结构表示数据包Packet：

struct tsPacket {
    ttUserPacket pktUserStruct;
    ttSharedDataPtr pktSharedDataPtr; // Point to corresponding sharable ttSharedData 
    struct tsPacket * pktChainNextPtr; // Next packet (head of a new datagram in a queue) 
    struct tsDeviceEntry * pktDeviceEntryPtr; // pointer to network Device struct 
    union anon_union_for_pktPtrUnion pktPtrUnion; 
    tt32Bit pktTcpXmitTime; 
    tt16Bit pktUserFlags; 
    tt16Bit pktFlags; 
    tt16Bit pktFlags2;
    tt16Bit pktMhomeIndex;
    tt8Bit pktTunnelCount; // Number of times this packet has been decapsulated. Initially setto zero.
    tt8Bit pktIpHdrLen; // Number of bytes occupied by the IP header.
    tt8Bit pktNetworkLayer; // Specifies the network layer type of this packet (IPv4, IPv6, ARP, etc).
    tt8Bit pktFiller[1];
};

该结构重要字段包括： tsShareData字段：指向存储处理数据包所需信息的Buffer的指针 pktChainNextPtr字段：指向下一个Packet pktUserStruct字段：表示数据包分片 pktUserStruct字段是另外一个重要的数据结构ttUserPacket(typedef struct tsUserPacket)：

struct tsUserPacket {
    void * pktuLinkNextPtr; // Next tsUserPacket for fragmented data 指向下一个分片
    ttUser8BitPtr pktuLinkDataPtr; // Pointer to data 
    ttPktLen pktuLinkDataLength; // Size of data pointed by pktuLinkDataPtr 当前buffer的大小
    ttPktLen pktuChainDataLength; // Total packet length (of chained fragmented data). Valid in first link only. 整个packet的长度，如果没有分片，等于pktuLinkDataLength
    int pktuLinkExtraCount; // Number of links linked to this one (not including this one). Valid in first link only.
};

该结构重要字段包括： pktuLinkNextPtr字段：指向下一个分片的指针 pktuLinkDataPtr字段：指向数据buffer的指针 pktuLinkDataLength字段：表示当前分片长度 pktuChainDataLength字段：表示整个Packet长度，当不存在分片的时候，这个长度与pktuLinkDataLength长度相等

数据包在不同层级中进行处理的的时候，需要调整pktuLinkDataPtr指针。例如一个ICMP请求包，该数据包有3层：Ethernet、IPv4和ICMP。在以太网层处理过程中(tfEtherRecv)，pktuLinkDataPtr字段指向的是以太网头部，当下一层处理的时候，该字段和一些其他字段将会做以下调整：

在这个例子中，以太网包头长度为0xE，所以pktuLinkDataPtr指针向前调整0xE，而长度字段则减少0xE。在接下来，IPv4层(tfIpIncomingPacket)开始处理数据包，pktuLinkDatatr此时指向的是IP头部。Treck协议栈通过在tfIpIncomingPacket调用tfIpReassemblePacket函数来重组分片，每接受到一个分片，该函数将该分片插入到链表中，链表之间通过pktuLinkNextPtr指针连接起来：

如果分片有遗漏，那么最终返回Null；如果没有，那么该函数将会把分片链表交给下一层去处理。

CVE-2020-11896漏洞原理

下图是IP头部的结构：

其中4字节到8字节表示的是IP分片相关信息，包括表示，Flags和Fragment Offset。而前4字节则有两个重要字段： IP Header Length：IP头部长度 Total Length：IP数据包总长度

接着输入理解一下tfIpIncomingPacket函数的实现，该函数首先对数据包进行一些简单的check：

接下来检查IpTotalLength是否小于等于pktuChainDataLength字段，这意味着实际接收到的数据比IP头部标识的IP数据包总长度要长，在这种情况下，就对多余数据进行裁剪：

裁剪（trimming）的方式很简单，就是将pktuChainDataLength和pktuLinkDataLength设置为ipTotalLength的长度。注意，漏洞就在这个裁剪这里。回顾一下先前所说：pktuChainDataLength代表的是整个数据包的长度，pktuLinkDataLength代表的是当前分片的长度，如果上述操作成功，那么就会出现： pktuLinkDataLength = pktuChainDataLength = IpTotalLength 可是如果这个时候，如果pktuLinkNextPtr还是指向其他的分片呢，那么就会存在不一致现象，这种不一致的现象将会导致后续处理数据包产生错误。但是还是有问题，因为在tfIpIncomingPacket函数处理中，首先进行的是trimming操作，接着调用tfIpReassemblePacket对根据pktuChainDataLength大小，建立分片链表，而在tfIpReassemblePacket函数中并不会将分片数据包复制到buffer中。也就是说，先进行trimming操作，接着调用tfIpReassemblePacket建立分片链表，最终将分片链表返回给下一层进行处理，而下一层并不会再次调用tfIpIncomingPacket。这种情况下，上述不一致现象实际上并不能利用。

使用IP隧道

为了使得分片在IP层被处理，并且可以到达脆弱代码位置，我们使用IP隧道。 tfIpIncomingPacket函数在处理内层IP数据包时，将之作为没有分片的数据包进行处理，也就是说MF标志位=0，此时将不会调用tfIpReassemblePacket函数进行处理。这个tfIpIncomingPacket函数将会在两个地方被调用，一次是在内层的IP packet（没有分片，只调用一次），一次是在外层的ip packet（多次，每个分片调用一次）。在这个处理过程中，tfIpIncomingPacket首先将会接收所有的外层ip分片，对于每个分片，都会调用tfIpReassemblePacket函数。在接收全部的分片之后，将会进入下一网络层的处理，这里由于ip-in-ip，tfIncomingPacket函数将会被本身所递归调用，去处理内层ip数据。ip-in-ip结构如下图所示：

考虑如下这个场景：内层IP数据包：IPv4{len=32, proto=17}/UDP{checksum=0, len=12} payload为：’A’*1000 外层IP数据包（分片1）：IPv4{frag offset=0, MF=1, proto=4, id=0xabcd} 外层IP数据包（分片2）：IPv4{frag offset=40, MF=0, proto=4, id=0xabcd} 整体数据包及分片情况如下图所示：

当tfIpIncomingPacket函数（该函数被处理外层数据包的tfIpIncomingPacket所递归调用）处理内层IP数据包的时候，此时已经完成了分片的重组，这两个ip分片被tsUserPacket->pktuLinkDataPtr所连接起来。那么接下来在该函数接下来的流程中，内层IP数据包的total length（32），是小于pktuChainDataLength（1000+ 8 + 20 = 1028）的，进入trimming分支进行裁剪操作，将pktuChainDataLength设置为32。

if ((uint)ipTotalLength <= pkt->pktuChainDataLength) { if ((uint)ipTotalLength != pkt->pktuChainDataLength) { pkt->pktuChainDataLength = (uint)ipTotalLength; pkt->pktuLinkDataLength = (uint)ipTotalLength; } }

现在我们新的问题出现了：如何将这个不一致问题（inconsistency）转为一个内存破坏（memory corruption）？

UDP 2.3.2中的heap overflow

在UDP数据处理中，可以确定的是，至少有一条代码路径是将IP分片复制到自定义的buffer里面，那么就存在漏洞的可能性。这个过程需要malloc一个堆空间，堆空间的大小取决于pktuChainDataLength字段，然后将ip分片复制到heap中。做复制这个事情的函数是tfCopyPacket，该函数逻辑抽象如下：

可以看到，这个memcpy的过程并不考虑长度。而堆块本身的大小是取决于pktuChainDataLength，这个字段在先前漏洞trimming被触发后，实际上是小于实际IP数据包总大小的，heap overflow就这样出现了。接下来是一些UDP本身字段的校验，这部分就不再详细叙述了，为了解决接收队列非空的要求，还需要快速的发数据包保持接受队列中存在数据包。

CVE-2020-11896漏洞利用

接下来作者利用Digi Connect ME 9210进行了验证，证明可以做到远程代码执行。这个设备如下图所示：

这是一个极小的嵌入式设备，用于完成串口到以太网的转化，串口常包括SPI、I2C和CAN等，里面有嵌入式的ARM CPU，有一个NET+OS操作系统。本次实验的目标是通过远程执行shellcode，将开发板上面的LED灯点亮。

exploit编写策略

heap overflow的利用大概有两种方式： 1. 覆盖堆中的meta-data信息。所谓meta-data就是堆中的元信息，包括堆块的大小、空闲位的标志等等堆本身自带的信息，这种利用方式和libc pwn中的off by one原理类似，溢出到下一个堆块的重要信息。 2. 覆盖堆上面的数据结构。这种攻击方式是希望堆上面存着一些数据结构，该结构中存着一些函数指针可以被覆盖。

第二种利用方式与特定应用程序相关，第一种则适用面更加广泛，本文选择第一种利用方式。

理解Treck heap的内部实现

Treck中实现了一套自己的堆分配机制，在内部使用的是固定大小的堆分配模式，一个分配单元被称之为bucket。在Treck实现中，有如下几种固定大小：

而释放后的bucket，有自己对应的free buckets list，每次释放一个bucket后，就将其插入到对应大小list的头部，这里可以类比于ptmalloc中的tcache机制。在Treck协议栈中通过tfGetRawBuffer，该函数参数为一个4字节大小的size，返回一个指向分配内存的指针，这个分配的内存我们称之为raw buffer，raw buffer的释放通过tfFreeRawBuffer。分配的过程就是从对应空闲链表中取出一个堆块，然后转为ttRawBufferPtr类型指针返回给用户：

如果空闲链表中没有空闲的bucket，那么就调用tfBufferDoubleMalloc分配一个新堆块返回给用户：

释放的时候将其插入到对应的空闲链表中去

可以看到，空闲bucket插入到空闲链表后，将会利用rawNextPtr指针链接起来，rawNextPtr指向上一个空闲bucket，结构如下图所示：

到目前为止，我们搞清楚了Trec中的堆结构，堆的分配和释放过程，特别是空闲bucket也是类似ptmalloc一样通过链表利用堆中的指针链接起来的。那么我们自然可以想到，如果可以覆盖掉rawNexPtr指针为可控值，就可以做到任意地址分配了：

就像上图所示，通过两次分配之后，我们就可以在栈上分配一个可控的堆块。这种攻击方式，在libc Pwn中是非常常见的，例如fastbin attack打malloc_hook改为one_gadget。这个嵌入式设备是ARM v9，并且这个堆实现过程基本没有check，甚至没有开NX，最后白皮书中采取的方法也是通过ROP跳到shellcode来做到RCE的。目前笔者手头还没有实际运行Treck的设备，所以没法实际动手调试和写exp，运行效果可以看JSOF官方的视频演示效果【1】，启明星辰ADLab也做了一个视频【2】。

总结

Ripple 20存在于Treck TCP/IP协议栈中，该协议栈广泛存在于嵌入式设备中，波及的行业包括：工业设备、电力设备、企业网络设备、交通、能源等等，而上述设施我们称之为：关键基础设施
Ripple 20不好修补，首先由于供应链的广泛传播，漏洞存在形式又很底层，所以排查设备是否运行Treck TCP/IP协议栈容易疏漏。其次虽然Treck官方已经提供了最新稳定版本6.0.1.67，但是这种基础协议栈软件的更新还是比较麻烦的
从白皮书披露来看，漏洞利用技术并不十分复杂，所以漏洞利用门槛可能不会很高，例如这个漏洞，即使无法做到RCE，至少远程令设备crash是比较容易做到的，而关键基础设施的crash也已经算是大问题了

引用：【1】https://www.jsof-tech.com/ripple20/

【2】https://mp.weixin.qq.com/s/2F1-35HIk126crowAh9LLw

Ripple 20：Treck TCP/IP协议漏洞技术分析

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