作者：云鼎实验室
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背景

OpenSSL是一个知名的开源安全套接字层密码库。全球成千上万的web服务器的网站加密技术使用OpenSSL。

网银、在线支付、电商网站、门户网站、电子邮件等互联网应用广泛使用OpenSSL实现数据的安全传输和安全存储。

历史上，OpenSSL多次出现安全漏洞。

2014年，OpenSSL爆出Heartbleed（心脏滴血）漏洞，网络出现了“致命内伤”。

心脏滴血称为互联网安全历史上最严重的漏洞之一，当时全球三分之二的网站可被该漏洞攻击。

心脏滴血漏洞的CVE编号是CVE-2014-0160，CVSS3.1打分7.5，属于严重漏洞。

业界使用CVE ID作为漏洞编号。CVE是通用漏洞披露（Common Vulnerabilities and Exposures）的英文缩写。

业界采用CVSS量化漏洞影响。CVSS是通用漏洞评分系统（Common Vulnerability Scoring System）的英文缩写。

CVSS得分最大为10，最小为0。得分7~10的漏洞通常认为严重，得分在4~6.9之间是中级漏洞，0~3.9是低级漏洞。

2021年8月24日，OpenSSL发布了OpenSSL 1.1.1l，该版本修复了一个高危漏洞：CVE-2021-3711。

根据
https://access.redhat.com/security/cve/cve-2021-3711
该漏洞的CVSS3.1打分8.1，属于严重漏洞。

该漏洞影响OpenSSL 1.1.1l之前的所有包含SM2商密算法版本。业界一些基于OpenSSL改造过的商用国密算法版本也可能受该漏洞影响。

本文结合OpenSSL公告、修复前后的OpenSSL代码和触发漏洞的sm2密文数据，分析CVE-2021-3711漏洞原理，并评估对腾讯自研国密算法库的影响。

漏洞分析

根据官网披露的信息细节
https://www.openssl.org/news/secadv/20210824.txt
得出如下分析：

漏洞原因：SM2解密时分配了一块内存，解密后的结果可能大于该分配内存的容量，造成内存越界写。

以下是具体分析，使用CVE-2021-3711漏洞修复之前的OpenSSL 1.1.1代码。

1、OpenSSL EVP解密操作

OpenSSL EVP将常用的密码算法进行了封装，提供统一的密码学各种函数。

看示例图找规律，OpenSSL对密文的解密是什么样的操作？

示例1：crypto/evp/p_open.c

示例2：crypto/crmf/crmf_lib.c

示例3：crypto/cms/cms_env.c

示例4：crypto/pkcs7/pk7_doit.c

实际应用中密文的解密一般需要调用两次EVP_PKEY_decrypt。

第一次调用EVP_PKEY_decrypt，指针out为NULL，返回长度keylen。

通过OPENSSL_malloc分配一块keylen大小的堆内存。

第二次调用EVP_PKEY_decrypt，指针out为第一次调用所分配的内存，运算结束后存放解密结果。

2、EVP_PKEY_decrypt实现

在初始化EVP_PKEY_CTX结构后，通过EVP_PKEY_decrypt可以调用到具体的密码算法执行解密运算。

int EVP_PKEY_decrypt(EVP_PKEY_CTX *ctx,                     unsigned char *out, size_t *outlen,                     const unsigned char *in, size_t inlen){    int ret;
    ...
    if (ctx->op.ciph.algctx == NULL)        goto legacy;
    ret = ctx->op.ciph.cipher->decrypt(ctx->op.ciph.algctx, out,                                               outlen, (out == NULL ? 0 : *outlen), in, inlen);    return ret;
 legacy:
    ...
}

3、pkey_sm2_decrypt实现

对于SM2解密，EVP_PKEY_decrypt中的ctx->op.ciph.cipher->decrypt对应的是pkey_sm2_decrypt。

pkey_sm2_decrypt函数位于crypto/sm2/sm2_pmeth.c。

static int pkey_sm2_decrypt(EVP_PKEY_CTX *ctx,                            unsigned char *out, size_t *outlen,                            const unsigned char *in, size_t inlen){    EC_KEY *ec = ctx->pkey->pkey.ec;    SM2_PKEY_CTX *dctx = ctx->data;    const EVP_MD *md = (dctx->md == NULL) ? EVP_sm3() : dctx->md;
    if (out == NULL) {        if (!sm2_plaintext_size(ec, md, inlen, outlen))            return -1;        else            return 1;    }
    return sm2_decrypt(ec, md, in, inlen, out, outlen);}

根据第一节OpenSSL EVP解密操作可知，第一次调用EVP_PKEY_decrypt函数时，指针out为NULL，返回长度作为接下来分配堆内存的大小。

这里sm2_plaintext_size函数返回outlen，作为接下来分配堆内存的大小。

4、sm2_plaintext_size实现

sm2_plaintext_size函数位于crypto/sm2/sm2_crypt.c

int sm2_plaintext_size(const EC_KEY *key, const EVP_MD *digest, size_t msg_len,                       size_t *pt_size){    const size_t field_size = ec_field_size(EC_KEY_get0_group(key));    const int md_size = EVP_MD_size(digest);    size_t overhead;
    if (md_size < 0) {        SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_DIGEST);        return 0;    }    if (field_size == 0) {        SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_FIELD);        return 0;    }
    overhead = 10 + 2 * field_size + (size_t)md_size;    if (msg_len <= overhead) {        SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_ENCODING);        return 0;    }
    *pt_size = msg_len - overhead;    return 1;}

注意：返回的长度等于msg_len - overhead，而overhead = 10 + 2 * field_size+(size_t)md_size。

5、overhead存在的问题

sm2国密算法知识

关于overhead的设置，涉及SM2算法和SM2密文格式的知识，在此进行补充。

1. SM2（SM是“商密”拼音的缩写）是我国商用密码的公钥密码标准，标准号为：GM/T 0003-2012。
2. SM2标准中规定采用256比特的椭圆曲线域参数。
3. SM2算法采用SM3算法作为算法步骤中的哈希算法，SM3算法的输出是256比特的哈希值。
4. 根据GM/T 0009-2012，SM2密文格式如下：

这里，XCoordinate和YCoordinate是加密过程基于随机数计算出的椭圆曲线点的X坐标和Y坐标。

overhead取值分析

查看sm2_plaintext_size函数：

1. field_size = ec_field_size(EC_KEY_get0_group(key))，对于SM2算法，field_size等于32。
2. md_size = EVP_MD_size(digest)，SM2算法采用SM3算法，因此md_size等于32。

从上述2点可知，sm2_plaintext_size函数中的overhead取值等于106（10+2*32+32）。

这里的magic number 10背后有什么含义呢？

1. 对于SM2密文，ASN.1包括5个Tag和5个Length，ASN.1编码引入的长度不小于10个字节。分析如下： 每个Tag占1个字节，5个Tag占5个字节。 XCoordinate、YCoordinate和HASH由于值的长度范围相对固定，这3个Length占3个字节。 取决于CipherText值，CipherText和第一个tag后面的Length长度不定，这2个Length可能超过 2个字节。

2. 这里overhead选择10，是选择SM2密文ASN.1编码引入的长度的最小值。

返回的长度等于msg_len - overhead，若overhead取值小，则返回长度大，分配内存大于实际需要，不会溢出。

这里的field_size没有考虑XCoordinate和YCoordinate的具体取值，有没有风险？

1）XCoordinate和YCoordinate是加密过程基于随机数计算出的椭圆曲线点的X坐标和Y坐标，满足以下方程：

YCoordinate * YCoordinate ≡ XCoordinate * XCoordinate * XCoordinate - 3 * XCoordinate + b（mod p）

这里，≡表示方程的左右两边模p的结果相等，p和b是SM2国密标准中规定的常数。

2）满足上述方程的XCoordinate和YCoordinate通常都是占32字节的大数。

3）如果密文中携带的XCoordinate占31字节，YCoordinate占32字节，则真实的overhead可能小于106。

此时使用msg_len - 106的结果去会分配空间，导致分配的空间小于解密后的结果，内存越界写。

4）存在满足上述方程的占31字节甚至更少的XCoordinate或YCoordinate吗？

OpenSSL给出的SM2密文数据示例给出了肯定的回答。

触发漏洞的数据示例

1、SM2密文数据

OpenSSL给出的密文数据示例如下：

3072022070DAD60CDA7C30D64CF4F278A849003581223F5324BFEC9BB329229BFFAD21A6021F18AFAB2B35459D2643243B242BE4EA80C6FA5071D2D847340CC57EB9309E5D04200B772E4DB664B2601E3B85E39C4AA8C2C1910308BE13B331E009C5A9258C29FD040B6D588BE9260A94DA18E0E6

2、解析SM2密文

这组密文的长度是116字节。按照ASN.1格式解析这组密文：

3072 //30表示SEQUENCE类型，72表示后续的数据总长度是114字节

0220 //02表示INTEGER类型，20表示该整数的长度是32字节

70DAD60CDA7C30D64CF4F278A849003581223F5324BFEC9BB329229BFFAD21A6 //32字节的XCoordinate

021F //02表示INTEGER类型，1F表示该整数的长度是31字节

18AFAB2B35459D2643243B242BE4EA80C6FA5071D2D847340CC57EB9309E5D //31字节的YCoordinate

0420 //04表示OCTETSTRING类型，20表示该字符串的长度是32字节

0B772E4DB664B2601E3B85E39C4AA8C2C1910308BE13B331E009C5A9258C29FD //32字节的HASH

040B //04表示OCTETSTRING类型，0B表示该字符串的长度是11字节

6D588BE9260A94DA18E0E6 //11字节的密文

经过验证，上述的XCoordinate和YCoordinate满足SM2椭圆曲线方程。

3、触发堆溢出

1. 第一次调用pkey_sm2_decrypt，指针out为NULL，msg_len等于116。 sm2_plaintext_size函数返回10（msg_len - overhead = 116 - 106）。

2. 通过OPENSSL_malloc分配10字节的内存，out指向该内存。

3. 第二次调用pkey_sm2_decrypt，由于密文有11字节，因此解密结果也是11字节。

out指向的内存是10字节，而解密结果是11字节，导致越界写1字节。

腾讯自研国密库不受该漏洞影响

近年来，国家积极推进国产密码基础设施的建设，推广与应用。

为贯彻落实国家密码战略，推进公司产品信息安全，腾讯自研了TencentSM国密算法库，摆脱对国外开源密码算法库的依赖。

TencentSM符合国密SM2、SM3以及SM4算法标准，已在腾讯多个业务中平稳运行。

TencentSM自研了SM2解密实现，未使用和参考OpenSSL该部分所对应的代码，不受该漏洞影响。

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