Linux 内核 TCP MSS 机制详细分析

作者：Hcamael@知道创宇 404 实验室
时间：2019 年 6 月 26 日
英文版本：https://paper.seebug.org/967/

前言

上周Linux内核修复了4个CVE漏洞[1]，其中的CVE-2019-11477感觉是一个很厉害的Dos漏洞，不过因为有其他事打断，所以进展的速度比较慢，这期间网上已经有相关的分析文章了。[2][3]

而我在尝试复现CVE-2019-11477漏洞的过程中，在第一步设置MSS的问题上就遇到问题了，无法达到预期效果，但是目前公开的分析文章却没对该部分内容进行详细分析。所以本文将通过Linux内核源码对TCP的MSS机制进行详细分析。

测试环境

1. 存在漏洞的靶机
   操作系统版本：Ubuntu 18.04

内核版本：4.15.0-20-generic

地址：192.168.11.112

内核源码：

$ sudo apt install linux-source-4.15.0
$ ls /usr/src/linux-source-4.15.0.tar.bz2
带符号的内核：

$ cat /etc/apt/sources.list.d/ddebs.list
deb http://ddebs.ubuntu.com/ bionic main
deb http://ddebs.ubuntu.com/ bionic-updates main
$ sudo apt install linux-image-4.15.0-20-generic-dbgsym
$ ls /usr/lib/debug/boot/vmlinux-4.15.0-20-generic
关闭内核地址随机化（KALSR）：

内核是通过grup启动的，所以在grup配置文件中，内核启动参数里加上nokaslr

$ cat /etc/default/grub |grep -v "#" | grep CMDLI
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="nokaslr"
GRUB_CMDLINE_LINUX=""
$ sudo update-grub
装一个nginx，供测试：

$ sudo apt install nginx

2. 宿主机
   操作系统：MacOS

Wireshark：抓流量

虚拟机：VMware Fusion 11

调试Linux虚拟机：

$ cat ubuntu_18.04_server_test.vmx|grep debug
debugStub.listen.guest64 = "1"
编译gdb：

$ ./configure --build=x86_64-apple-darwin --target=x86_64-linux --with-python=/usr/local/bin/python3
$ make
$ sudo make install
$ cat .zshrc|grep gdb
alias gdb="~/Documents/gdb_8.3/gdb/gdb"
gdb进行远程调试：

$ gdb vmlinux-4.15.0-20-generic
$ cat ~/.gdbinit
define gef
source ~/.gdbinit-gef.py
end

define kernel
target remote :8864
end

3. ***机器
   自己日常使用的Linux设备就好了

地址：192.168.11.111

日常习惯使用Python的，需要装个scapy构造自定义TCP包

自定义SYN的MSS选项

有三种方法可以设置TCP SYN包的MSS值

1. iptable

   添加规则

   $ sudo iptables -I OUTPUT -p tcp -m tcp --tcp-flags SYN,RST SYN -j TCPMSS --set-mss 48

   删除

   $ sudo iptables -D OUTPUT -p tcp -m tcp --tcp-flags SYN,RST SYN -j TCPMSS --set-mss 48

2. route

   查看路由信息

   $ route -ne
   $ ip route show
   192.168.11.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.11.111 metric 100

   修改路由表

   $ sudo ip route change 192.168.11.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.11.111 metric 100 advmss 48

   修改路由表信息就是在上面show的结果后面加上 advmss 8

3. 直接发包设置
   PS：使用scapy发送自定义TCP包需要ROOT权限

from scapy.all import *

ip = IP(dst="192.168.11.112")
tcp = TCP(dport=80, flags="S",options=[('MSS',48),('SAckOK', '')])
flags选项S表示SYN，A表示ACK，SA表示SYN, ACK

scapy中TCP可设置选项表：

TCPOptions = (
{
0 : ("EOL",None),
1 : ("NOP",None),
2 : ("MSS","!H"),
3 : ("WScale","!B"),
4 : ("SAckOK",None),
5 : ("SAck","!"),
8 : ("Timestamp","!II"),
14 : ("AltChkSum","!BH"),
15 : ("AltChkSumOpt",None),
25 : ("Mood","!p"),
254 : ("Experiment","!HHHH")
},
{
"EOL":0,
"NOP":1,
"MSS":2,
"WScale":3,
"SAckOK":4,
"SAck":5,
"Timestamp":8,
"AltChkSum":14,
"AltChkSumOpt":15,
"Mood":25,
"Experiment":254
})
但是这个会有一个问题，在使用Python发送了一个SYN包以后，内核会自动带上一个RST包，查过资料后，发现在新版系统中，对于用户发送的未完成的TCP握手包，内核会发送RST包终止该连接，应该是为了防止进行SYN Floor***。解决办法是使用iptable过滤RST包：

$ sudo iptables -A OUTPUT -p tcp --tcp-flags RST RST -s 192.168.11.111 -j DROP
对于MSS的深入研究

关于该漏洞的细节，别的文章中已经分析过了，这里简单的提一下，该漏洞为uint16溢出：

tcp_gso_segs 类型为uint16
tcp_set_skb_tso_segs:
tcp_skb_pcount_set(skb, DIV_ROUND_UP(skb->len, mss_now));
skb->len的最大值为17 32 1024
mss_now的最小值为8

hex(17321024//8)
'0x11000'
hex(17321024//9)
'0xf1c7'
所以在mss_now小于等于8时，才能发生整型溢出。

深入研究的原因是因为进行了如下的测试：

***机器通过iptables/iproute命令将MSS值为48后，使用curl请求靶机的http服务，然后使用wireshark抓流量，发现服务器返回的http数据包的确被分割成小块，但是只小到36，离预想的8有很大的差距

这个时候我选择通过审计源码和调试来深入研究为啥MSS无法达到我的预期值，SYN包中设置的MSS值到代码中的mss_now的过程中发生了啥？

随机进行源码审计，对发生溢出的函数tcp_set_skb_tso_segs进行回溯：

tcp_set_skb_tso_segs <- tcp_fragment <- tso_fragment <- tcp_write_xmit
最后发现，传入tcp_write_xmit函数的mss_now都是通过tcp_current_mss函数进行计算的
随后对tcp_current_mss函数进行分析，关键代码如下：

tcp_output.c

tcp_current_mss -> tcp_sync_mss:
mss_now = tcp_mtu_to_mss(sk, pmtu);

tcp_mtu_to_mss:
/ Subtract TCP options size, not including SACKs /
return __tcp_mtu_to_mss(sk, pmtu) -
(tcp_sk(sk)->tcp_header_len - sizeof(struct tcphdr));

__tcp_mtu_to_mss:
if (mss_now < 48)
mss_now = 48;
return mss_now;
看完这部分源码后，我们对MSS的含义就有一个深刻的理解，首先说一说TCP协议：

TCP协议包括了协议头和数据，协议头包括了固定长度的20字节和40字节的可选参数，也就是说TCP头部的最大长度为60字节，最小长度为20字节。

在__tcp_mtu_to_mss函数中的mss_now为我们SYN包中设置的MSS，从这里我们能看出MSS最小值是48，通过对TCP协议的理解和对代码的理解，可以知道SYN包中MSS的最小值48字节表示的是：TCP头可选参数最大长度40字节 + 数据最小长度8字节。

但是在代码中的mss_now表示的是数据的长度，接下来我们再看该值的计算公式。

tcphdr结构：

struct tcphdr {
be16 source;
be16 dest;
be32 seq;
be32 ack_seq;
#if defined(LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
u16 res1:4,
doff:4,
fin:1,
syn:1,
rst:1,
psh:1,
ack:1,
urg:1,
ece:1,
cwr:1;
#elif defined(BIG_ENDIAN_BITFIELD)
u16 doff:4,
res1:4,
cwr:1,
ece:1,
urg:1,
ack:1,
psh:1,
rst:1,
syn:1,
fin:1;
#else
#error "Adjust your <asm/byteorder.h> defines"
#endif
be16 window;
sum16 check;
__be16 urg_ptr;
};
该结构体为TCP头固定结构的结构体，大小为20bytes

变量tcp_sk(sk)->tcp_header_len表示的是本机发出的TCP包头部的长度。

因此我们得到的计算mss_now的公式为：SYN包设置的MSS值 - (本机发出的TCP包头部长度 - TCP头部固定的20字节长度)

所以，如果tcp_header_len的值能达到最大值60，那么mss_now就能被设置为8。那么内核代码中，有办法让tcp_header_len达到最大值长度吗？随后我们回溯该变量：

tcp_output.c

tcp_connect_init:
tp->tcp_header_len = sizeof(struct tcphdr);
if (sock_net(sk)->ipv4.sysctl_tcp_timestamps)
tp->tcp_header_len += TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED;

#ifdef CONFIG_TCP_MD5SIG
if (tp->af_specific->md5_lookup(sk, sk))
tp->tcp_header_len += TCPOLEN_MD5SIG_ALIGNED;
#endif
所以在Linux 4.15内核中，在用户不干预的情况下，内核是不会发出头部大小为60字节的TCP包。这就导致了MSS无法被设置为最小值8，最终导致该漏洞无法利用。

总结

我们来总结一下整个流程：

***者构造SYN包，自定义TCP头部可选参数MSS的值为48
靶机（受到***的机器）接收到SYN请求后，把SYN包中的数据保存在内存中，返回SYN，ACK包。
***者返回ACK包
三次握手完成

随后根据不同的服务，靶机主动向***者发送数据或者接收到***者的请求后向***者发送数据，这里就假设是一个nginx http服务。

***者向靶机发送请求：GET / HTTP/1.1。
靶机接收到请求后，首先计算出tcp_header_len，默认等于20字节，在内核配置sysctl_tcp_timestamps开启的情况下，增加12字节，如果编译内核的时候选择了CONFIG_TCP_MD5SIG，会再增加18字节，也就是说tcp_header_len的最大长度为50字节。
随后需要计算出mss_now = 48 - 50 + 20 = 18
这里假设一下该漏洞可能利用成功的场景：有一个TCP服务，自己设定了TCP可选参数，并且设置满了40字节，那么***者才有可能通过构造SYN包中的MSS值来对该服务进行Dos***。

随后我对Linux 2.6.29至今的内核进行审计，mss_now的计算公式都一样，tcp_header_len长度也只会加上时间戳的12字节和md5值的18字节。

参考

https://github.com/Netflix/security-bulletins/blob/master/advisories/third-party/2019-001.md
https://paper.seebug.org/959/
https://paper.seebug.org/960/