DNS安全

1. DNS简介

dns介绍

2. DNS面临的安全威胁

• 协议脆弱性：设计未考虑安全需求
  • 域名欺骗
  • 拒绝服务攻击
• 实现脆弱性：软件代码漏洞
  • 算法实现缺陷
  • 软件安全漏洞
• 操作脆弱性：管理、配置环节
  • 域名配置攻击
  • 域名注册攻击
  • 信息泄露

3. 针对DNS的攻击手段

3.1 域名欺骗

• DNS不保护通信过程，可以伪造查询应答，篡改解析结果
• 条件：解析器和递归服务器只接收对发出查询请求的应答
  • 目的端口与源IP地址
  • 查询三元组（NAME、TYPE、CLASS）& 查询ID
  • 应答内容合理
• 不同攻击者的能力：控制服务器>在通信路径上>路径外
  • 控制服务器：最为简单，直接响应查询请求（DNS劫持）
  • 在通信路径上：发动中间人攻击，伪造应答十分容易
  • 在通信路径外：难度最大，需要更先进、复杂的手段
• 缓存投毒：递归服务器具有缓存，向缓存中注入恶意信息，能影响更多用户

DNS劫持（可信服务器背叛）

DNS hijacking

• 域名服务器被攻击或有意篡改数据
  • 例如用手机接入一个公共wifi热点，该热点可能受攻击者控制来伪造数据

中间人攻击

man in the middle(MITM)

• 攻击者能够窃听查询请求，伪造应答
• 攻击效果依赖于哪一个应答先到达解析器
  • 若攻击者伪造的应答先到达，则域名信息被篡改
• 若攻击者位于客户端和权威服务器之间，则为中间人攻击

ID猜测与查询预测

• 攻击者不能窃听到客户端发送请求，尝试猜测ID和客户端UDP端口，共有$2^{32}$种可能
  • 一些实现的UDP端口固定，可进一步减小到 $2^{16}$
  • NAT可能降低端口的随机性
• 攻击者需要预测QNAME和QTYPE，可以通过影响受害者的行为来实现
• 0x20编码方案
  • 目标：增加DNS查询的熵
  • 思路：增加域名的大小写设置
    • DNS对大小写不敏感，不干扰解析过程
  • 要求：服务器的应答必须保持大小写设置
    • 所有DNS服务器软件的行为都满足
  • 效果：每个字符都增加了一位的熵，从而增加了猜测的难度

缓存投毒

cache poisoning

• DNS缓存：递归解析服务器会缓存近期的迭代查询结果，并用于应答查询请求，对于提升DNS系统工作效率至关重要
• 定义：将恶意域名数据写入递归服务器缓存
  • 攻击范围：递归服务器的所有用户
  • 攻击时效：至少一个TTL，用户无法基于DNS协议提供反馈，来触发缓存条目刷新
• 胶水记录注入
  • 早期攻击方法，已无效
  • 早期的DNS服务器软件实现中，无条件接受应答中的胶水记录，写入缓存，任何权威服务器都可以把任意域名数据写入递归服务器的缓存
  • 
  • 管辖区规则
    • 定义了递归服务器对查询相应内容的接收规则
    • 管辖区：某个权威服务器具有直接或间接权威的域的集合
    • rule1: 回答必须相关
    • rule2: 回答必须在管辖区内
• 名字链攻击
  • 利用CNAME随意控制解析路径
    • 受操纵客户端向受害递归服务器发送针对攻击服务器的请求
    • 受害递归服务器向攻击服务器发送请求
    • 攻击者伪造应答：攻击者控制域名->受害域名->攻击者指定IP地址
  • DNS协议不限制CNAME的使用方式，可以绕过管辖区规则
  • 
• 简单攻击
  • 攻击者发送大量查询应答，随机设置端口、ID
  • 成功的条件苛刻：猜中全部信息，缓存中无相应条目
    • 攻击间隔长、窗口小：间隔一个TTL，赶在其他人查询前
  • 
• Kaminsky攻击
  • 利用操控查询+ID猜测来对缓存投毒，从而劫持一个域hit.edu.cn
    1. 攻击者利用受操纵客户端查询一个hit.edu.cn中不存在的域名randomxx
    2. 受害递归服务器中缓存没有命中，于是发出查询
    3. 利用ID猜测，攻击者服务器发出大量应答，对缓存投毒，将hit.edu.cn的域名服务器定向到攻击者服务器
  • 

3.2. DDoS攻击

• 反射攻击
  • 攻击者伪造源IP地址为受害者
• 放大攻击
  • 发送一个60B的UDP查询，服务器产生4KB的应答，流量放大了67倍

攻击模拟dns-amplification-attack

4. 密码学DNS防护手段

4.1 DNSSEC

概述

• 将DNS层次化命名与公钥密码学结合
  • 用密码学来保护名字到地址映射
  • 利用DNS命名层次来形成PKI，形成从根到域名的信任链
• 目标：保护递归服务器和权威服务器间通信的真实性，不保护整个DNS系统

密码学

• 加盐哈希函数
  • 盐：一个非保密的随机串，用于增加消息的随机性
  • 在消息中加入盐，可以对抗普通的字典攻击，攻击者需要重新根据salt计算整个字典
• 数字签名（Digital Signature）
  • 签名者用私钥加密消息，接收者用公钥验证签名
    • 一般bob会将消息进行散列，然后再进行签名，最后把原始消息和数字签名一起发送给alice
    • 而alice也会将消息进行散列$x_1$，然后用公钥对证书解密$x_2$，比对$x_1$与$x_2$是否一致
• 数字证书（Digital Certificate）
  • 证书权威CA：可信的第三方
  • bob将公钥发送给CA，获得CA用其私钥签名的证书，然后将其发送给alice
  • alice用CA的公钥验证证书，确认bob公钥的真实性
• 认证链
  • 以一个公钥为起点（信任锚），对下一个公钥证书进行认证，，被认证的公钥用来对下一个证书进行认证，如此认证下去
• 公钥基础设施（PKI）
  • 一套提供基于数字签名的公钥认证的软硬件集合
  • PKI中只需要安全发布信任锚，就可以实现所有其他公钥的安全发布

流程和细节

1）新类型RR

类型	说明
DNSKEY	DNSSEC Public Key, zone的公钥
DS	Delegation signer, 授权的公钥摘要 （子域的DNSKEY的哈希值）
RRSIG	RR Signature, 资源记录的数字签名
NSEC	Next Secure，用于authenticated denial of existence
NSEC3	hashed authenticated denial of existence

2）DNSKEY和签名

• DNSKEY分离
  • 一个zone使用两个Key
    • KSK：对其他Key签名
    • ZSK：对zone中数据签名
  • 子zone提交自己的KSK的DS到父zone
• Zone签名方法
  • 同一zone内的KSK对ZSK签名，产生RRSIG(ZSK)
  • ZSK对每一个RRset（域名和类型相同的一组RR）生成一个签名RRSIG
  • 父zone的ZSK对子zone的KSK的DS进行签名，生成RRSIG(DS)，放在父zone处
• 信任链：DNSKEY(信任锚) -> [DS -> DNSKEY]* -> RRset

3）报文的新标记

• 
• Checking Disabled（CD）标记
  • 由解析器在Query中设置，禁止递归服务器端进行真实性验证（由解析器自己来检查）
  • 若未设置，则由递归服务器检查
• Authenticated Data（AD）标记
  • 由递归服务器在Response中设置，表示应答中的Answer和Authority部分的所有数据通过了验证
  • 若未设置，则尚未验证
• DNSSEC OK（DO）标记
  • 由递归服务器在Query中设置，表示支持DNSSEC
  • 若未设置，则权威在应答中不应有DNSSEC信息示

4）递归服务器的状态

1. Secure：具有一个信任锚，并获得了一条信任链，能够验证应答中的所有签名
   • 应答中设置AD标记
2. Insecure：具有一个信任锚，一条信任链，但在一个授权点不存在DS记录，表示后续子分支无DNSSEC保护
3. Bogus：具有信任锚，授权信息表明该数据应该被签名，但应答为通过验证
4. Indeterminate：为缺省操作模式，没有信任锚来表明空间树上特定部分是安全的

5）key更新—Key Rollover（密钥滚动）

• 原因：ZSK使用频率较高，密钥长度一般较短，以提高性能和效率，同时也意味着其安全性较低，需要定期更换
• Pre-Publish Zone Signing Key Rollover：提前发布Key
  • 
  • 先将公钥发布到区域内的DNSKEY记录中，但不用它对区域内进行签名
  • 等待一段时间后，再用新ZSK对区域进行签名，并移除旧ZSK的签名
  • 再等待一段时间后，再移除旧ZSK的公钥
• Double-Signature Zone Signing Key Rollover：同时发布Key和SIG
  • 
  • 先用新ZSK对区域进行签名，并保留旧ZSK的签名
  • 等待一段时间后，再移除旧ZSK的签名和公钥

4.2 DoT/DoH

• 加密DNS流量，保护DNS通信
• 主要保护桩解析器间的通信

DoT

DNS over TLS

• TLS（传输层安全协议）
  • 目标：提供通信加密通道，保护通信内容的CIA安全属性
  • 工作在传输层，基于TCP建立安全连接
  • SSL是TLS的前身（TLS＝SSL V3.1）
  • 默认443端口
  • 流程
    • 握手阶段
      • 确定使用的算法等会话参数
      • 交换并认证数字证书，交换密钥，产生共享的对称密钥
    • 数据传输阶段
      • 使用对称密钥进行加密通信

DoH

DNS over HTTPS

• 使用HTTPS协议传输DNS请求/应答
  • GET/POST发送DNS请求，返回内容为DNS应答

4.3 ODNS

Oblivious DNS

• ODNS桩解析器在本地
• 递归服务器知道“who”，不知道“what”
  • 域名使用ODNS权威服务器的公钥加密
• ODNS权威服务器知道“what”，不知道“who”