0×00 漏洞概述


Android 4.4之前版本的Java加密架构(JCA)中使用的Apache Harmony 6.0M3及其之前版本的SecureRandom实现存在安全漏洞,具体位于

classlib/modules/security/src/main/java/common/org/apache/harmony/security/provider/crypto/SHA1PRNG_SecureRandomImpl.java 

类的engineNextBytes函数里,当用户没有提供用于产生随机数的种子时,程序不能正确调整偏移量,导致PRNG生成随机序列的过程可被预测。

漏洞文件见文后链接1。

0×01 漏洞影响


2013年8月份的比特币应用被攻击也与这个漏洞相关。比特币应用里使用了ECDSA 算法,这个算法需要一个随机数来生成签名,然而生成随机数的算法存在本文提到的安全漏洞。同时这个ECDSA算法本身也有漏洞,在这个事件之前索尼的PlayStation 3 master key事件也是利用的这个算法漏洞。

本文主要介绍SecureRandom漏洞,关于ECDSA算法漏洞可以自行阅读下面的资料。

ECDSA算法的细节:

http://en.wikipedia.org/wiki/Elliptic_Curve_Digital_Signature_Algorithm#Security

防范措施:http://tools.ietf.org/html/rfc6979

Google group上关于PlayStation 3 master key事件如何利用ECDSA算法漏洞获取私钥的讨论:

https://groups.google.com/forum/?fromgroups=#!topic/sci.crypt/3isJl28Slrw

0×02 SecureRandom技术实现


在java里,随机数是通过一个初始化种子来生成的。两个伪随机数噪声生成器(PRNG)实例,如果使用相同的种子来初始化,就会得到相同的随机序列。Java Cryptography Architecture里提供了几个加密强度更大的PRNGs,这些PRNGs是通过SecureRandom接口实现的。

java.security.SecureRandom这个类本身并没有实现伪随机数生成器,而是使用了其他类里的实现。因此SecureRandom生成的随机数的随机性、安全性和性能取决于算法和熵源的选择。

控制SecureRandom API的配置文件位于$JAVA_HOME/jre/lib/security/java.security。比如我们可以配置该文件里的securerandom.source属性来指定SecureRandom中使用的seed的来源。比如使用设备相关的源,可以这样设置:

securerandom.source=file:/dev/urandom
securerandom.source=file:/dev/random

关于SecureRandom具体技术细节可参看文章最后参考链接2。

现在重点看下SecureRandomSpi抽象类。参考链接3。该抽象类为SecureRandom类定义了功能接口,里面有三个抽象方法engineSetSeed,engineGenerateSeed,and engineNextBytes。如果Service Provider希望提供加密强度较高的伪随机数生成器的功能,就必须实现这三个方法。

然而Apache Harmony 6.0M3及其之前版本的SecureRandom实现中engineNextBytes函数存在安全漏洞。

0×03 Apache Harmony’s SecureRandom实现


Apache Harmony 是2005年以Apache License发布的一个开源的java核心库。虽然2011年以后已宣布停产,但是这个项目作为Google Android platform的一部分继续被开发维护。

Apache Harmony's SecureRandom实现算法如下:

enter image description here

Android里的PRNG使用SHA-1哈希算法、操作系统提供的设备相关的种子来产生伪随机序列。随机数是通过三部分(internal state即seed+counter+ padding)反复哈希求和计算产生的。如下图

enter image description here

其中计数器counter从0开始,算法每运行一次自增一。counter和padding部分都可以称为buffer。Padding遵守SHA-1的填充格式:最后的8 byte存放要hash的值的长度len,剩下的部分由一个1,后面跟0的格式进行填充。最后返回Hash后的结果,也就是生成的伪随机序列。

0×04 Apache Harmony’s SecureRandom漏洞细节


当使用无参构造函数创建一个SecureRandom实例,并且在随后也不使用setSeed()进行初始化时,插入一个起始值后,代码不能正确的调整偏移量(byte offset,这个offset是指向state buffer的指针)。这导致本该附加在种子后面的计数器(8 byte)和padding(起始4 byte)覆盖了种子的起始12 byte。熵的剩下8 byte(20 byte的种子中未被覆盖部分),使得PRNG加密应用无效。

在信息论中,熵被用来衡量一个随机变量出现的期望值。熵值越低越容易被预测。熵值可以用比特来表示。关于熵的知识请参考:http://zh.wikipedia.org/wiki/熵_(信息论)

下面这张图可以形象的表述这个过程:

enter image description here

0×05 漏洞修复


Google已经发布了patch,看下Diff文件:

https://android.googlesource.com/platform/libcore/+/ab6d7714b47c04cc4bd812b32e6a6370181a06e4%5E%21/#F0

修复前:

enter image description here

修复后:

enter image description here

对于普通开发者来讲,可以使用下面链接中的方式进行修复。

http://android-developers.blogspot.com.au/2013/08/some-securerandom-thoughts.html

0×06 参考链接


https://android.googlesource.com/platform/libcore/+/kitkat-release/luni/src/main/java/org/apache/harmony/security/provider/crypto/SHA1PRNG_SecureRandomImpl.java

http://resources.infosecinstitute.com/random-number-generation-java/


http://developer.android.com/reference/java/security/SecureRandomSpi.html


http://cve.mitre.org/cgi-bin/cvename.cgi?name=CVE-2013-7372


http://android-developers.blogspot.com.au/2013/08/some-securerandom-thoughts.html