Cache Poisoning: Szenarien und Mitigation

Cache Poisoning bezeichnet Angriffe, bei denen ein Angreifer einen Cache mit manipulierten oder falschen Inhalten „vergiftet“, sodass nachfolgende Nutzer oder Systeme statt der korrekten Daten eine vom Angreifer kontrollierte Antwort erhalten. In der Praxis begegnet Ihnen Cache Poisoning vor allem in zwei Welten: als DNS-Cache-Poisoning (falsche Namensauflösung) und als Web-Cache-Poisoning (falsche HTTP-Antworten im CDN/Reverse-Proxy/Shared Cache). Beide Varianten wirken auf den ersten Blick ähnlich, weil sie mit „Zwischenspeichern“ arbeiten, unterscheiden sich aber stark in den Voraussetzungen, den typischen Symptomen und den wirksamsten Mitigation-Maßnahmen. Wer Cache Poisoning sauber beherrscht, reduziert nicht nur das Risiko von Umleitungen, Credential-Phishing und Malware-Verteilung, sondern verbessert auch die Incident Response: Plötzliche, inkonsistente Fehlverhalten werden schneller als Cache-Effekt erkannt, statt fälschlich als „Bug“ oder „Netzwerkproblem“ eingeordnet zu werden.

Warum Caches angreifbar sind: Prinzip und Angriffsziel

Caches existieren, um Latenz und Last zu reduzieren. Sie speichern Antworten, die bei erneuter Anfrage schneller verfügbar sind. Genau diese Wiederverwendung ist der Hebel: Gelingt es, eine falsche Antwort in den Cache zu bekommen, wird sie wiederholt ausgeliefert, bis sie abläuft oder aktiv invalidiert wird. Die Angriffsfläche entsteht vor allem durch drei Faktoren: (1) unvollständige oder falsche Cache-Schlüssel, (2) schwache Validierung von Antworten und (3) Protokoll- oder Implementierungsdetails, die eine Manipulation ermöglichen. In beiden Welten gilt: Nicht jeder Cache ist „shared“. Private Browser-Caches sind weniger kritisch als Shared Caches (Recursive Resolver, CDN, Reverse Proxy), die viele Nutzer gleichzeitig betreffen.

• Hebel: falsche Antwort wird gespeichert und wiederverwendet
• Impact: Umleitung, Content-Injection, Session-/Token-Leak, Malware-Distribution
• Betroffene: besonders riskant bei Shared Caches (DNS-Resolver, CDN, Unternehmens-Proxies)

DNS-Cache-Poisoning: Szenarien aus der Realität

Beim DNS-Cache-Poisoning zielt der Angreifer darauf, dass ein Resolver (oder ein Forwarder) eine falsche Zuordnung Domain->IP speichert. Nutzer fragen dann „normal“ DNS ab, bekommen aber eine manipulierte IP-Adresse oder einen falschen Nameserver zurück. Moderne Resolver sind deutlich robuster als früher, dennoch bleiben realistische Szenarien: Fehlkonfigurationen, Legacy-Setups, unsichere Weiterleitungen und unzureichend gehärtete interne Zonen können Cache Poisoning begünstigen. Für die Grundlagen, warum DNS-Caching existiert und wie Resolver arbeiten, ist ein technischer Einstieg über DNS-Grundlagen hilfreich.

Szenario: Vergiftung über schwache Randomisierung (Transaktions-ID/Quellport)

Klassisch ist der Versuch, den Resolver mit gefälschten Antworten zu „raten“. Der Angreifer sendet viele Antworten, bevor die echte Antwort des autoritativen Servers ankommt, und hofft, dass eine gefälschte Antwort die richtigen Parameter trifft (z. B. Transaktions-ID). Je schlechter die Randomisierung, desto realistischer wird das. In modernen Umgebungen ist das selten die einzige Schwachstelle, kann aber in Legacy-Appliances, alten Resolver-Versionen oder bei ungewöhnlichen NAT/Firewall-Konstellationen wieder relevant werden.

• Überraschend viele identische Quellports oder vorhersehbare Muster bei DNS-Requests
• Resolver hinter NAT, der Port-Randomisierung reduziert
• Erhöhte Rate an „late responses“ oder „unexpected responses“ im Resolver-Log

Szenario: Cache Poisoning durch unsichere Delegation und Glue-Records

Ein verbreitetes Problem sind falsche oder missbrauchbare Delegationspfade. Wenn Resolver auf fehlerhafte Delegationsdaten hereinfallen oder Glue-Records (IP-Adressen der Nameserver) ungünstig verarbeitet werden, kann ein Angreifer versuchen, die Auflösung auf einen kontrollierten Nameserver umzubiegen. In der Praxis wird dies besonders dann relevant, wenn interne DNS-Zonen unsauber delegiert sind oder Split-Horizon-Konfigurationen unklare Zuständigkeiten erzeugen.

• Unklare Trennung zwischen internen und externen Zonen (Split DNS)
• Nameserver-IP aus unsicheren Quellen übernommen
• Unerwartete Änderungen bei NS-Records oder plötzliche „sprunghafte“ IP-Wechsel

Szenario: Resolver-Forwarding in Fremdnetze oder DoH/DoT-Bypass

Unternehmen setzen häufig Forwarder-Ketten ein: Client → lokaler DNS → zentraler Resolver → Upstream. Jede Weiterleitung ist ein potenzieller Bruch in der Vertrauenskette, insbesondere wenn Forwarder unverschlüsselt über untrusted Netze gehen oder wenn Clients DoH/DoT direkt ins Internet nutzen und damit zentrale Kontrollen umgehen. Das ist nicht automatisch Cache Poisoning, kann aber ähnliche Symptome erzeugen: inkonsistente Auflösung, „manchmal geht’s, manchmal nicht“, oder Auflösung auf IPs, die nicht zur Unternehmenspolicy passen.

• Inhomogene DNS-Pfade je nach Client/Standort
• Bypass durch lokale DoH-Clients ohne Policy-Integration
• Uneinheitliche Antworten für gleiche Domain innerhalb kurzer Zeit

Web-Cache-Poisoning: Wenn CDNs und Reverse Proxies falsch cachen

Web-Cache-Poisoning (auch „HTTP Cache Poisoning“) nutzt Schwächen im Cache-Key, in Headern oder in der Request-Normalisierung. Ziel ist, dass ein Shared Cache (CDN, Reverse Proxy, Corporate Proxy) eine Antwort cached, die eigentlich nur für eine bestimmte Anfragevariante gültig ist, und diese anschließend an andere Nutzer ausliefert. Das kann von „nur“ defaced Content bis hin zu Credential-Leaks reichen, wenn Cache-Keys Authentifizierung oder Session-Kontext nicht korrekt berücksichtigen. Einen guten technischen Referenzrahmen für HTTP-Caching liefern HTTP-Caching-Erklärungen und die Spezifikation rund um Cache-Control im HTTP-Caching-RFC.

Szenario: Cache-Key ignoriert Header, die Response beeinflussen

Ein Klassiker: Der Cache-Schlüssel basiert auf URL und Query-String, aber nicht auf einem Header, der die Antwort verändert (z. B. Host, X-Forwarded-Host, Accept-Language, User-Agent, oder ein Custom Header). Wenn die Origin-Anwendung den Header verarbeitet und eine andere Antwort erzeugt, kann ein Angreifer eine „vergiftete“ Variante erzeugen, die dann breit ausgeliefert wird. Besonders gefährlich ist das, wenn die Antwort reflektierte Inhalte enthält (z. B. Redirects, Links, Canonical URLs).

• Antwort unterscheidet sich bei gleichem Pfad abhängig von Headern
• Cache speichert eine Variante und liefert sie für andere Header-Kombinationen aus
• Symptom: Nutzer sehen falsche Sprache, falsche Redirect-Ziele oder fremde Hostnames

Szenario: Host-Header- und X-Forwarded-Host-Missbrauch

Viele Anwendungen generieren absolute URLs (z. B. in Redirects, Passwort-Reset-Links, Canonical-Tags) aus Host-Headern. Wenn ein Cache oder Proxy diese Werte nicht strikt validiert und der Cache-Key sie nicht korrekt berücksichtigt, kann ein Angreifer Links oder Redirects auf eine eigene Domain in den Cache bringen. Das ist weniger „klassischer Code-Execution“-Angriff, aber sehr effektiv für Phishing, Session-Fixation oder Credential-Harvesting.

• Unvalidierte Host-Header werden in Location-Headern/HTML reflektiert
• Cache-Key berücksichtigt nicht die relevanten Host-Varianten
• Impact: Nutzer landen reproduzierbar auf Angreifer-Domains

Szenario: Cache Poisoning über Query-Parameter, die der Origin anders normalisiert

Cache und Origin müssen die Anfrage identisch interpretieren. Wenn der Cache Parameter anders sortiert, normalisiert oder decodiert als die Anwendung, können „äquivalente“ Anfragen unterschiedliche Cache-Keys erzeugen oder umgekehrt: unterschiedliche Anfragen landen im gleichen Cache-Key. Angreifer nutzen solche Inkonsistenzen, um eine schädliche Variante zu platzieren, die dann bei harmlosen Requests ausgeliefert wird.

• Unterschiedliche Behandlung von URL-Encoding (z. B. %2F, %5C, doppelte Encodings)
• Parameter-Reihenfolge beeinflusst Cache-Key, aber nicht die Origin-Logik (oder umgekehrt)
• Symptom: reproduzierbare Content-Abweichungen je nach Request-Form

Szenario: Caching von personalisierten oder authentifizierten Antworten

Ein besonders teurer Fehler ist das versehentliche Cachen von Antworten, die user-spezifisch sind. Wenn ein Reverse Proxy oder CDN eine Antwort mit personenbezogenen Daten cached, weil Cache-Control falsch gesetzt ist oder weil der Cache Auth-Cookies ignoriert, werden Inhalte fremden Nutzern ausgeliefert. Das ist nicht nur Security-, sondern auch ein massives Compliance-Problem. Häufig steckt kein Angreifer dahinter; aber ein Angreifer kann den Effekt gezielt triggern, indem er Requests so formt, dass Caching wahrscheinlicher wird.

• Fehlende oder falsche Cache-Control-Header (z. B. „public“ statt „private“)
• Cache ignoriert Cookies/Authorization im Key, obwohl die Antwort davon abhängt
• Symptom: Nutzer sehen fremde Accounts, fremde Inhalte oder falsche Personalisierung

Detektion: Typische Symptome und schnelle Plausibilitätschecks

Cache Poisoning fällt selten als „klarer Angriff“ auf, sondern als inkonsistentes Verhalten: Manche Nutzer sind betroffen, andere nicht; der Fehler verschwindet nach TTL-Ablauf; oder er bleibt „kleben“, bis der Cache geleert wird. Diese Muster sollten in Monitoring und Incident Response als eigenes Diagnose-Cluster existieren, damit Teams nicht in endlosen Debug-Loops landen.

• Inkonstanz: gleiche URL/Domain liefert unterschiedliche Ergebnisse je nach Client oder Standort
• Zeitverhalten: Problem folgt TTL/Cache-Lifetime (plötzlicher Beginn, abruptes Ende)
• Scope: Effekt ist oft auf bestimmte POPs, Resolver, Proxy-Tiers oder Segmente begrenzt
• „Sticky“ Artefakte: falsche Redirects/Hostnames wiederholen sich bis zur Invalidierung

Minimaldaten für eine saubere IR-Triage

• Betroffene Domain/URL, Zeitpunkt, Region/Standort, betroffene User-Gruppen
• DNS: Resolver-Pfad (welcher Resolver?), Antwort-IP, TTL, Antworttyp
• HTTP: Cache-Status (HIT/MISS), Response-Header (Age, Via, Cache-Control), ETag/Last-Modified
• Vergleichstest: direkte Origin-Abfrage (Bypass Cache) vs. Cache-Pfad

Mitigation für DNS-Cache-Poisoning

DNS-Schutz ist heute vor allem eine Frage von Kryptografie, Härtung und sauberem Betrieb. Der wichtigste Baustein gegen DNS-Cache-Poisoning ist DNSSEC-Validierung, weil sie Resolvern erlaubt, Antworten kryptografisch zu prüfen. Ergänzend sind robuste Randomisierung, restriktives Forwarding und saubere Zonengrenzen entscheidend. Eine kompakte Einstiegssicht auf DNSSEC bietet DNSSEC-Überblick, während die operative Perspektive stark von Ihrer Resolver- und Plattformwahl abhängt.

• DNSSEC-Validierung aktivieren: Resolver verifiziert Signaturen und verwirft manipulierte Antworten.
• Resolver aktuell halten: Security-Fixes und Hardening-Defaults kommen häufig über Updates.
• Strikte Egress-Policy: Clients dürfen nur autorisierte Resolver erreichen (kein „direktes DNS ins Internet“).
• Port- und Query-Randomisierung: robuste Entropie bei ausgehenden Resolver-Queries sicherstellen.
• Forwarder-Ketten minimieren: weniger Hops, klar definierte Trust-Boundaries.
• Interne Zonen sauber trennen: Split-DNS dokumentieren, Delegationen regelmäßig prüfen.

Operative Schutzmaßnahmen, die oft vergessen werden

• Monitoring von NS- und A/AAAA-Wechseln: ungewöhnliche Änderungen an kritischen Domains alerten.
• Response-Policy-Zones (RPZ): bekannte bösartige Domains zentral blocken/sinkholen.
• Cache-Flush-Prozess: klarer Ablauf, wer wann welche Caches invalidiert (inkl. Rollback).

Mitigation für Web-Cache-Poisoning (CDN/Reverse Proxy)

Bei HTTP ist die wichtigste Regel: Cache und Origin müssen konsistent verstehen, was „die gleiche Anfrage“ ist. Das erreichen Sie durch einen sauberen Cache-Key, korrekte Cache-Control-Header und strikte Request-Normalisierung. Zusätzlich muss verhindert werden, dass untrusted Header das Antwortverhalten beeinflussen. Viele Teams behandeln Caching als „Performance-Thema“; tatsächlich ist es ein Security-Feature, das genauso reviewt und getestet werden sollte.

• Cache-Key explizit definieren: welche Header/Parameter sind Teil des Keys, welche werden ignoriert?
• Vary korrekt verwenden: wenn die Antwort von Headern abhängt, muss das im Caching sichtbar sein.
• Keine Personalisierung im Shared Cache: Auth/Cookies/Benutzerdaten nur „private“ oder „no-store“.
• Host-Header validieren: nur erlaubte Hosts akzeptieren, X-Forwarded-* nur von Trusted Proxies.
• Request-Normalisierung vereinheitlichen: URL-Decoding, Parameter-Sortierung, Slash-Normalisierung.
• Cache Poisoning Tests in CI: automatisierte Requests mit variierenden Headern/Encodings.

Konkrete Header- und Policy-Prinzipien

• Cache-Control: sensible Antworten mit „no-store“ oder mindestens „private“ kennzeichnen.
• Set-Cookie und Caching: Antworten mit Set-Cookie in Shared Caches grundsätzlich kritisch prüfen.
• Redirects: 3xx-Antworten nur cachen, wenn sie garantiert nicht von untrusted Input abhängen.
• Surrogate-Control/CDN-spezifisch: Trennung von Browser-Cache und CDN-Cache sauber gestalten.

Risikomessung: Wann wird Poisoning „wahrscheinlich“?

Ob ein Cache-Poisoning-Ansatz praktisch ausnutzbar ist, hängt von mehreren Variablen ab: Wie groß ist die effektive Schlüsselfläche (bei DNS z. B. Entropie der Matching-Parameter; bei HTTP die Vielfalt der Request-Varianten), wie lange lebt der Cache-Eintrag (TTL/Age), und wie viele Nutzer teilen den Cache. Ein einfaches, abstraktes Modell ist, die Erfolgswahrscheinlichkeit mit der Anzahl der Versuche und der „Trefferfläche“ zu verknüpfen. Es ersetzt keine Tests, hilft aber, Diskussionen über „theoretisch vs. praktisch“ zu strukturieren.

$P=1–{(1–p)}^n$

Hier steht p für die Erfolgswahrscheinlichkeit eines einzelnen Versuchs (durch Protokoll- oder Key-Schwächen erhöht) und n für die Anzahl der Versuche innerhalb der Cache-Lebensdauer. In der Praxis senken robuste Randomisierung, DNSSEC, strikte Cache-Keys und kurze, kontrollierte TTLs den Wert p erheblich.

Härtungs-Blueprint: Checkliste für Enterprise-Teams

• DNS: DNSSEC-Validierung aktiv, Resolver-Updates im Patch-Prozess, Clients nur zu autorisierten Resolvern, Forwarder-Ketten minimiert.
• DNS: Monitoring für ungewöhnliche NS/A/AAAA-Änderungen bei kritischen Domains, dokumentierter Cache-Flush-Runbook.
• HTTP/CDN: Cache-Key dokumentiert und versioniert (Policy-as-Code), Vary-Header bewusst eingesetzt, Host-Header strikt validiert.
• HTTP/CDN: Authentifizierte/personalisierten Antworten nicht shared cachen, Set-Cookie-Handling im Cache geprüft.
• Testing: automatisierte Cache-Poisoning-Regressionstests (Header-Fuzzing, Encoding-Varianten, Parameter-Reihenfolge).
• IR: Playbook mit Pflichtdaten (Cache-Status, Age, Resolverpfad, TTL), schnelle Origin-Bypass-Vergleiche, koordinierte Invalidierung.

Typische Missverständnisse, die zu Lücken führen

• „DNSSEC ist optional“: Ohne DNSSEC bleibt DNS anfällig für eine ganze Klasse von Manipulationen; Validierung ist der entscheidende Schritt.
• „Caching ist nur Performance“: Shared Caches sind Security-relevant; Fehlkonfigurationen können Datenlecks verursachen.
• „CDN macht das schon richtig“: CDNs folgen Ihrer Konfiguration; falsche Cache-Keys und Header-Policies sind ein Kundenproblem.
• „Wir cachen nichts Sensibles“: Personalisierung kann indirekt passieren (Sprache, A/B-Flags, Redirect-Logik, Host-basierte URLs).

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