利用Windows CryptoAPI漏洞 - Trail of Bits博客

Ben Perez
2020年1月16日
密码学, 漏洞利用

周二，NSA宣布在Windows 10和Windows Server 2016/2019的证书验证功能中发现了一个严重漏洞。此漏洞允许攻击者在多种场景（如HTTPS和代码签名）中破坏信任验证。担心吗？请访问 https://whosecurve.com/ 获取重要详情并检查您的系统是否受影响。然后返回本文继续阅读，了解该漏洞的具体原理和工作方式。

如果没有logo，为什么要打补丁？ https://whosecurve.com

从高层次看，该漏洞利用了Crypt32.dll未能正确检查提供的根证书中椭圆曲线参数是否与Microsoft已知参数匹配的事实。有趣的是，该漏洞并未利用椭圆曲线特有的数学属性——同样的漏洞本可能出现在普通的DSA签名验证库中。因此，我们首先回顾如果Crypto32.dll使用普通DSA，此漏洞会如何发挥作用。

攻击的简化版本

DSA的安全性依赖于离散对数问题在素数模整数群中的难解性。考虑以下方程：

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b = g^x mod p

如果只知道p、g和b，则很难找到x。为了设置DSA，用户需要指定一个素数p和一个生成元g。使用这两个参数，他们可以创建私钥x和公钥pk = g^x mod p。这些密钥允许生成只能由私钥创建但可用公钥验证的签名。签名伪造的难度与离散对数问题相当（非常困难）。

然而，诸如DSA之类的数字签名算法本身并不十分有用，因为它们没有提供用户信任与特定实体关联的公钥的机制。这就是X.509证书的用武之地。X.509证书是一个明确声明“此公钥属于此人”的文件，由其他人（可能是该公钥的所有者）签名。这些证书可以链式连接，从“根”证书开始，证明根证书颁发机构（CA）的身份。根CA签署中间证书以证明中间CA的身份，中间CA签署其他中间证书，依此类推，直到最后的“叶子”证书。

每个证书包含有关签名算法和所用参数的信息。Microsoft的证书可能如下所示（高度简化）：

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证书颁发机构：Microsoft  
名称：Trail of Bits  
公钥信息  
算法：DSA  
生成元：g  
素数：p  
公钥：pk

当Windows用户收到X.509证书链时，他们会检查其根部的CA是否是Microsoft信任的。但是，如果Windows仅检查相关证书的公钥是否与受信任实体匹配，而不检查相关的系统参数，会发生什么？换句话说，当攻击者可以更改与给定公钥pk关联的p或g值而Windows未察觉时，会发生什么？实际上，省略此检查会完全破坏DSA的安全性。

利用此漏洞的一种潜在方法是简单地将g = p设置并使私钥x = 1。这允许攻击者签署任何消息，就像他们是pk的合法所有者一样，因为他们现在知道私钥（它是1）。然而，事情可能变得更有趣：我们可以选择一个新的私钥y，并将恶意生成元设置为g’ = y^–1 * pk，而不是简单地将新生成元设置为目标的公钥。这意味着证书仍然有效地拥有一个密钥，但只有攻击者知道，而不是原始颁发者。

重要的是，此攻击无需任何人解决离散对数问题即可工作。本质上，如果未建立与给定公钥关联的参数的真实性，攻击者可以选择任何他们想要的私钥。此利用场景最初由Vaudenay在2004年概述，并被称为域参数移位攻击，但直到现在才在野外看到。

实际漏洞

利用Crypt32.dll中的漏洞需要调整先前的攻击，使签名者使用椭圆曲线变体ECDSA而不是DSA。实际上，您不需要对椭圆曲线了解太多即可理解其工作原理。您只需要知道椭圆曲线在数学上大致等同于整数模p，除了不是乘以数字，而是在几何上操纵曲线上的点。在本文中，曲线点用粗体大写字母表示，将点P自身加n次写作n * P。

图1. 您见过无数次的展示椭圆曲线加法的图表

椭圆曲线与点加法创建了另一个离散对数问题难解的结构。此外，与普通DSA情况一样，ECDSA需要在生成私钥/公钥对之前选择一组公共参数，包括生成元。通常这些参数通过命名曲线来指定，例如椭圆曲线secp256r1 (1.2.840.10045.3.1.7)，但用户可以手动指定它们。在这种情况下，用户必须提供定义椭圆曲线（A,B）的常数、进行算术运算的素数p、群的生成元G以及有关该群大小的信息（阶、辅因子）。对于此攻击，我们只关心G。

既然我们对椭圆曲线有了一些背景知识，不难看出攻击的工作原理与DSA基本相同：更改指定ECDSA的参数，使其具有您知道的私钥对应的生成元，但具有与您试图欺骗的证书颁发机构相同的公钥。通过编辑参数，我们可以控制证书的有效密钥，并使用它来证明我们想要的任何身份。

在现实生活中，参数验证绕过也稍微复杂一些。Microsoft确实检查大多数证书中使用的参数是否有效，但当呈现其已缓存的根证书时，如果证书使用椭圆曲线密码学且公钥与缓存匹配，它将跳过参数验证。这意味着对于大多数用户可能见过的常见根CA，我们的攻击是可行的。实际上，这意味着我们可以为几乎任何网站生成有效的TLS证书，绕过代码签名限制，或伪造文件和电子邮件的签名。出于解释目的，让我们看看如何中间人攻击到某个网站的https流量。

构建伪造证书

首先我们需要选择一个受信任的根证书。Microsoft在此处维护列表。出于我们的目的，我们选择了Microsoft EV ECC Root Certificate Authority 2017。这是一个secp384r1证书，因此公钥是由secp384r1曲线给出的参数定义的曲线上的一个点。

图2. 带有公钥的受信任证书

接下来，我们需要为我们的恶意证书生成一个新的私钥，该证书定义在不同的曲线上，使用显式参数。此对象具有特定的ASN.1密钥编码，我们使用OpenSSL生成。请记住从前一节中，我们希望保持公钥与私钥相同以绕过验证。一旦我们有了新证书的公钥和私钥，我们就可以使用它们来计算一个生成元，使它们对应。更准确地说，我们需要计算G’ = x^{-1} * P，其中x是我们的私钥标量，P是来自MS证书的公钥点（这对应于前一节中的第二个攻击场景）。

现在我们有了一个新的变异密钥，我们可以用它来生成CA证书：

图3：我们坏根的解析视图

生成该证书后，我们可以使用它为任何我们想要的东西签署叶子证书。此密钥/证书仅由“坏”根签名——不需要自定义参数或任何魔法。

图4：whosecurve.com的证书

最后，我们确保在TLS连接中发送“完整链”。在正常TLS中，您发送叶子证书以及任何中间证书，但不发送根本身。在这种情况下，我们需要发送该根以触发缓存错误。瞧！

图5. 非真实TLS证书

修复漏洞和经验教训

对Microsoft来说幸运的是，修复此错误只需要在签名验证期间添加一些检查以确保ECDSA参数是真实的。对其他人来说不幸的是，此漏洞绝对是毁灭性的，要求所有运行Windows 10的系统立即打补丁。在此之前，攻击者可以伪造TLS、代码、文件或电子邮件的签名。

在密码学上，此错误是一个很好的例子，说明增加参数选择的数量如何增加系统脆弱性。多年来我们知道显式指定曲线（与命名曲线相对）是一个坏主意，这是又一证据。它也是一个很好的提醒，处理数字签名时需要验证所有密码学信息。

虽然我们未提供此漏洞的PoC，但我们强烈建议人们打补丁，因为公共利用代码已于今天可用！我们还为任何有兴趣检查其系统是否未打补丁的人建立了一个网站：去找出 Whose Curve Is It Anyway?

参考文献

HN推测
Scott的CT绕过建议
Saleem Rashid的PoC

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深入解析Windows CryptoAPI漏洞：参数验证绕过与ECDSA攻击

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