第6章 无线网安全性 Part I.

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1 第6章 无线网安全性 Part I

2 第6章 内容概要 6.1 无线通信和802.11 无线局域网标准 6.2 有线等价隐私协议 6.3 Wi-Fi 访问保护协议
6.4 IEEE i/WPA2 6.5 蓝牙安全机制 6.6 无线网状网的安全性

3 概论 无线电通信 攻击者，有一个无线的传送和接受装置，与要攻击的无线网使用相同的无线频率，可以做到: 保密措施 拦截无线网数据
将其计算机连接到一个近处的无线网 对一个现有的无线网络插入数据包 用无线电干扰设备对特定无线网通道实施干扰 保密措施 在数据链接层实施加密算法，身份验证算法和完整性检验算法 提供有线方式访问网络的接口 高层协议和应用程序可以直接使用

4 无线局域网体系结构 两种体系结构 含有无线通信设备的装置通常称为移动站STA 无线接入点 (WAP) 固定无线局域网: 可与有线网相连
特定无线局域网(点对点): 不与任何固定的有线网相连 含有无线通信设备的装置通常称为移动站STA 根据 IEEE 通信标准，每台STA由一个48比特MAC地址唯一确定 无线接入点 (WAP) 一端 ：与一个有线局域网建立连接 另一端：在AP和STAs之间建立无线的收、发联系，实现通信 每个AP由一个服务集标识符(SSID)唯一确定

5 固定局域无线网示意图 信标发送：它定时对外公布其SSID及其他信息，为进入其覆盖范围内的STA与 其建立连接之用
Figure 6.1 信标发送：它定时对外公布其SSID及其他信息，为进入其覆盖范围内的STA与 其建立连接之用 信标扫描：等待信标发送，确定与哪个AP相连，然后对其发出连接请求，继 而建立与无线局域网的连接

6 特定无线局域网 不与任何固定的网络基础设施相连 不包含APs 允许不同的STA直接通信
若目标STA不再通信范围内，可根据情况使用若干其他STA作为中转站建立通信路径

7 概述 802.11是无线局域网通信标准，对应于 (Ethernet) 和802.5 (Token Ring)通信标准 它规定了无线局域网在MAC 子层和物理层的通信及安全保护机制 通用的子层协议： 802.11a: 5 Ghz 802.11b: 2.4 Ghz, 11Mbps, 室外35m, 室内110m， WEP 802.11g: 2.4 Ghz, 54Mbps 802.11i: WPA2 802.11n: 支持 MIMO

8 802局域网通信标准示意图 IEEE 802局域网通信标准示意图

9 无线通信的安全性弱点 无线通信更易于被侦听 无线信号比有线信号更容易受干扰，且在无线媒体中更容易注入无线信号
无线计算装置和嵌入式系统的计算功能和电池能源有限，不足以执行复杂运算 《计算机网络安全的理论与实践（第2版）》[美]王杰，高等教育出版社，2011年

10 无线通信的安全性弱点 窃听攻击 服务阻断攻击 消息重放攻击 STA-诈骗攻击 AP-诈骗攻击

11 第六章 内容概要 6.1 无线通信和802.11 无线局域网标准 6.2 有线等价隐私协议 6.3 Wi-Fi 访问保护协议
6.4 IEEE i/WPA2 6.5 蓝牙安全机制 6.6 无线网状网的安全性

12 WEP 概述 发布于1999, WEP是802.11b无线通信标准在数据链接层使用的安全协议
要求：同一无线局域网中所有的 STA’s和AP’s都共享同一个密钥 K (称之为 WEP 密钥) WEP 密钥: 40-bit, 104-bit (最通用的), 232-bit WLAN 设备可以共享多个 WEP密钥， 每个WEP密钥通过一个字节长度的ID唯一表示出来，这个ID成为密钥ID WEP 密钥常常有管理员选取 一旦选定， WEP密钥不可改变

13 移动设备认证和访问控制 WEP 运用挑战与响应的方式认证移动STA 为了和AP连网, STA 必须执行以下步骤：
挑战: AP收到请求后，即产生128位的随机数字符串cha 并且发送给 STA cha = a1a2…a16 (where each ai is an 8-bit string) 响应: STA产生一个24位初始向量 IV，并对 cha用 RC4序列加密算法和密钥 V||K加密，如下计算出 ri ， res ，并将 res发送给 AP ri = ai  ki, for i = 1,2,…,16 res = V || r1r2…r16 核实: AP 也对V||K 用RC4 产生相同的子钥序列,并计算 ai’=ri  ki 同时核实是否有 ai’ = ai 其中， i = 1,2,…,16, 如果是，则STA 被认可为合法用户，并与其相连

14 数据完整性验证 目标: 为了确保分组信息没有被修改或没有被非法的STAs侵入
WEP 用 CRC-32 验证数据完整性，称之为完整性校验值ICV CRC-32是一种通用的检测传输错误的技术 CRC 的简单算法是用  运算和位移操作 可由芯片简单实现 获取一个k位的CRC值： M: n位的二进制字符串 P: k阶二元多项式， 其系数序列为一个 (k+1)位二进制字符串 用生成多项式（二进制数）除以P ，得到k位的 CRCk(M) 如果M||CRCk(M) 不能被P除, 意味着M 已被篡改

15 LLC 网帧加密 加密实施在MAC 层，将LLC 网帧加密，分为三个过程 M || CRC32(M) = m1m2….ml
令 M 为一个 LLC网帧: M || CRC32(M) = m1m2….ml 发送方产生一个24位初始向量 V, 用到RC4序列加密算法，以V||K为输入以产生一个8位的子钥序列: ci = mi  ki 发送方将MAC 子层增加了载荷文件后发送给接收方 V || KeyID || c1c2…cl 通用加密形式如下: C = ((M || CRC32(M))  RC4(V||K)) 802.11b hdr IV keyID data ICV RC4 encrypted

16 WEP的安全缺陷 认证缺陷: 由于WEP采用的挑战-应答机制是一个简单的异或运算，因此很容易受到明文攻击 例如:
在AP和合法的STA之间恶意的拦截 (cha, res)信息对. 她计算ki=ci  ri for i=1,2,…,16 她发送连接请求给 AP并等待其发出的挑战信息 cha’ 她用关键字和挑战信息运算，产生一个应答信息res，将此信息和截获的IV一起发给AP 基于WEP协议， AP 对V||K 应用 RC4 和 V||K, 产生子钥序列k1, k2, k3,… k16, 证实 ki  res’ = cha’, 由此，AP认证了攻击者的非法设备，准予其连网

17 WEP的安全缺陷 完整性校验缺陷: CRC 弱点 CRC具有线性运算性质: CRC (x  y) = CRC(x)  CRC(y)
篡改数据 注入信息 碎片攻击

18 保密缺陷 消息干扰: Alice 发消息给 Bob: C = (M|| CRC32(M))  RC4(V||K)
攻击者拦截并修改了消息C 如下， 用另一个网帧Γ，计算得到C’ : C’ = (Γ || CRC32(Γ)  C Bob接收到一个被篡改的数据 M’ = Γ M 和正确的CRC32(M’)的完整性校验值 ICV

19 V||(Θ|| CRC32(Θ))  RC4(V||K)
保密缺陷 注入消息: 假定 (M,C) 已知， V 是一个为产生C的初始向量 然后(M  C)元算产生对M加密的子密钥序列， (子密钥产生于RC4(V||K)序列加密算法) 假定Θ 为任意一个攻击者试图注入网络的信息 注意 V 向量是经明文传输 攻击者计算 CRC32(Θ)并将其注入公式 V||(Θ|| CRC32(Θ))  RC4(V||K) 如果向量V已被使用过，那么以上消息会通过合法认证

20 安全缺陷 碎片攻击: 利用攻击 LLC 网帧首部，将信息注入网络中 攻击者阴谋: LLC 网帧首部8个字节为固定值
攻击者用XOR算法得到8个子密钥 攻击者阴谋: 攻击者将 64字节长的 LLC分割成 16个4字节长的片段 用 V 和前8个子钥k1, k2, …, k8 将4字节长的片段及4字节长的完整性校验值加密 将其封装在MAC包中注入网络

21 安全缺陷 保密缺陷 重复使用初始向量 弱密钥 一个 24位初始向量 IV ，有16,777,216个不同的子密钥序列
依据生日悖论，在处理1.24 √224 = 5102个网帧后，至少有一个随机产生的初始向量在之前出现过的概率会 > ½ 弱密钥 获得初始置换即可破译RC4密码 一些破解 WEP密码的软件工具即是根据FMS攻击原理设计的

22 第六章 概要 6.1 无线通信和802.11 无线局域网标准 6.2 有线等价隐私协议 6.3 Wi-Fi 访问保护协议
6.4 IEEE i/WPA2 6.5 蓝牙安全机制 6.6 无线网状网的安全性

23 WPA 概论 由Wi-Fi 联盟于 2003提出 基于早期the IEEE 802.11i 标准（第三稿）而制定 三个主要目的:
纠正所有已经发现的WEP中的安全弱点 确保现有WEP硬件也同样能支持WPA 确保WPA与802.11i标准兼容 采用 802.1X 协议认证用户设备 Temporal Key Integrity Protocol (TKIP): 用 Michael算法，一种特殊设计的完整性检查算法 用一种新的密钥结构防止旧信重放并使之无法从RC4 密钥获取公有初始向量

24 用户设备认证和存取控制 家庭小型办公组网 WPA: 企业 WPA: 为家庭或小型办公室 用WEP的预共享密钥 安全公用的无线局域网
用认证服务器 (AS) 不同的用户与AS使用不同的预共享密钥 预共享密钥以用户密码的形式出现 采用802.1X端口网络访问控制协议认证用户设备STAs

25 802.1X 概览 STA 向AP发连网请求. AP 向STA询问认证信息
STA 用其与AS共享的密钥给身份签名，向AP发送其身份和签名， AS 核实STA签名告知AP，AP即可根据结果决定是否准许其登录 STA 被准予连网

26 TKIP 密钥代 AS的第一代产生256位配对主密钥 (PMK)
AS 用AS和AP之间的预共享密钥加密后将PMK发送给AP AP 用AP和STA之间的预共享密钥加密后发送PMK给STA 在每一个阶段，基于PMK和其他信息，TKIP产生4把128位的临时配对密钥 (PTK)，用途如下: 数据加密密钥:数据加密用 数据MIC密钥:数据完整性校验 EAPoL密钥: 局域网扩充认证协议 EAPoL MIC密钥: EAPoL完整性校验

27 4 向握手 TKIP用4次握手完成一次交换临时密钥对 (PTK). AP 发送 ANonce 给STA STA 发送 SNonce 给 AP
Message1 = (AMAC, Anonce, sn) STA 发送 SNonce 给 AP Message2 = (SMAC,Snonce,sn) || MIC(Snonce,sn) || RSNIESTA AP 发送应答给STA. Message3 = (AMAC, Anonce,sn+1) || MIC(Anonce,sn+1) || RSNIEAP STA 发送应答给AP Message4 = (SMAC,sn+1) || MIC(sn+1)

28 TKIP 信息完整性码 如果 F(l,r) 定义如下: 它用到Michael算法产生信息完整性代码(MIC)
用64位密钥生成一个 64位信息认证码 K: 将64位密钥K等分成两部分 K0和 K1 Michael 算法用密钥K产生MIC: (L1,R1) = (K0,K1), (Li+1,Ri+1) = F(Li XOR Mi, Ri) i = 1,2,…,n MIC = Ln+1Rn+1 其中F为 Feistel 替换函数 如果 F(l,r) 定义如下: r0 = r. l0 = l, r1 = r0 xor (l0 <<< 17) l1 = l0 xor32 r1, r2 = r1 xor XSWAP( l1 ), l2 = l1 xor32 r2, r3 = r2 xor ( l2 <<< 3), l3 = l2 xor32 r3, r4 = r3 xor ( l2 >>> 2), l4 = l3 xor32 r4, F(l, r) = (l4, r4 ) XSWAP(l) 将左边一半l和右边一半l互换 比CRC32更安全

29 Michael 算法的弱点 攻击者产生一个消息并且附上一个64位二进制字符串作为 MIC，试图在不知道密钥的情况下找到正确的 MIC
用不同的密码分析学，需要尝试攻击 229次 问题解决途径: STA 删除它的密钥并且解除与AP的连接如果在一秒钟内有两次失败的连接尝试

30 TKIP 密钥混合 为每一个帧用到密钥混合算法，产生一个前帧密钥.
用一个 48比特位的初始向量IV， 将其分割成3个16位的段 V2, V1, V0 密钥混合运算由两部分组成 pk1 = mix1 (at, V2 V1, kt ), pk2 = mix2 (pk1, V0, kt ), at表示发送端设备的48位 MAC地址，kt 是发送端设备的128位数据加密算法密钥， pk2 is a 128-bit per-frame key for RC4 用两个 S-匣子 S0 和S1 将一个16位字符串输入替换成另一个16位字符串作为输出 S(X) = S1(X1) S0(X0) ， 其中 X = X1X0

31 WPA加密 发送端MAC地址 发送端密钥 MIC算法 网帧分割

32 WPA 安全强度和弱点 优越于 WEP 对DoS攻击显得脆弱:
WPA计算M 的MIC并将其放入MAC网帧载荷，然后将M || ICV(M)分割成若干块 F1, F2, … 对每一个Fi, WPA 产生48位初始向量 IV，并产生WEP 密钥 初始向量IV以明文传输，攻击者可能截获一个MAC网帧，并将所包含的初始向量用一个更大值的初始向量取代 由于接收方不能正确的将其解码，只能被清除 由于此初始向量已被使用，导致后面以此值为初始向量的合法网帧也被清除