One (Thread) Can Keep a (PRNG) Secret, but not Two
本文介绍了首个利用 XNU 内核 IPv6 分片 ID 伪随机数生成器（PRNG）中竞态条件的密码分析攻击，该攻击通过预测序列号来实现对 TCP 和 UDP 流量的离路径欺骗，该漏洞现已由 Apple 通过 CVE-2024-27823 进行修复。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正在给一位朋友寄一封又大又重要的信。因为这封信太大了，一个信封装不下，所以邮局（网络）把它切成了若干个较小的碎片，或者叫作分片（fragments）。为了确保这些碎片能按正确的顺序重新组合在一起，每一片都会被分配一个唯一的票据编号（称为分片 ID）。
你所阅读的这篇论文描述了一种聪明的黑客手段，他们可以提前猜到这些票据编号，从而在你不或你的朋友察觉的情况下，将你信件中的某一片替换成伪造的片段。
以下是该攻击过程的拆解，采用了通俗易懂的解释：
1. 神秘的票据生成机（PRNG）
苹果电脑（macOS 和 iOS）在其大脑（内核）内部使用一个特殊的“票据生成机”来产生这些随机票据编号。这个机器应该是不可预测的，就像掷骰子一样。如果这些数字是真正随机的，那么没有人能猜到下一个票据。
然而，研究人员发现，当这个机器处于繁忙状态时，它的工作方式存在缺陷。
2. “两人共用一台机器”的问题（竞态条件）
想象一个繁忙的票据柜台，两个人在同一毫秒内试图抓取一张票据（两个计算机线程）。
- 正常情况下： 机器先给 A 一个人一张票据，然后给 B 一个人另一张不同的票据。
- 故障发生时： 由于这台机器不是“线程安全”的（它没有用来阻止人们同时抓取的锁），两个人可能会抓到同一个起始数字。他们都运行了相同的计算，但因为起始数字相同且步骤略有不同，最终会产生一种奇怪的模式。
这种模式： 研究人员发现，如果你触发这种“竞态”，机器会产生一个特定的数字序列，看起来像这样：A, B, C, B。
请注意，B 出现了两次，中间隔着 C。这个“B-C-B”模式就是证据。它告诉攻击者：“嘿！这台机器刚刚发生了竞态条件！我现在可以看到机器内部齿轮转动的规律了。”
3. 破解密码（密码分析）
一旦攻击者看到了足够多的“B-C-B”模式，他们就可以对这台机器进行逆向工程。
- 把这台机器想象成一个密码锁。这个“B-C-B”模式为攻击者提供了关于锁内转盘当前位置的线索。
- 通过收集足够的这类线索，攻击者可以推导出机器的整个内部状态。
- 一旦知道了内部状态，他们就能精准预测接下来的所有票据编号。
4. 掉包计（攻击实施）
现在既然攻击者可以预测票据编号，他们就可以进行一种“中间人”式的诡计，但并不需要真正处于传输路径中间。
- 场景： 你正在向服务器发送一个大文件（例如你的代码备份）。文件被拆分成了若干部分。
- 保护机制： 文件的第一部分包含了你的密码和签名（身份验证）。服务器首先检查这第一部分，以确认你的身份。
- 诡计： 攻击者等待第一部分到达。然后，利用他们的预测能力，猜出第二部分的票据编号。接着，他们迅速发送一个伪造的第二部分，其中包含恶意信息（如病毒或修改后的文件），且该部分拥有正确的票据编号。
- 结果： 服务器接收到了真实的（带有有效密码的）第一部分，以及伪造的（带有病毒的）第二部分。它将两者组合在一起，认为一切正常，并保存了受感染的文件。攻击者绕过了安全检查，因为检查只发生在第一部分上。
论文中的现实案例
研究人员在两个具体场景中测试了这一点：
- NFS（网络文件系统）： 他们展示了攻击者如何篡改正在备份到服务器的文件。例如，他们可以在标准的计算机代码文件中注入“特洛伊木马”。当开发者稍后编译这段代码时，病毒就会运行。
- HTTP（网页浏览）： 他们展示了攻击者如何在网络传输过程中修改网页请求（如登录或表单提交）。
为什么这很重要
- 它是全新的： 这是首次有人利用“竞态条件”（时间差漏洞）来破解随机数生成器。通常，竞态条件只会导致程序崩溃；而在这里，它们被用来窃取秘密。
- 它是实际存在的： 该攻击在真实的苹果设备（包括 M1、M2 芯片及 Intel 芯片的 Mac）以及各种版本的 macOS 和 iOS 上均可运行。
- 修复方案： 苹果已经修复了此问题。他们分配的 ID 为 CVE-2024-27823。修复方法是让票据生成机实现“线程安全”，从而防止两个人同时抓取起始数字。
简而言之： 这篇论文表明，如果一台电脑的随机数生成器因为两件事同时发生而产生混乱，黑客就可以利用这种混乱来预测未来，从而掉包你的数据片段，并将恶意软件混入你的安全检查之中。
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