WLAN一体化安全

WLAN安全标准

WLAN技术标准制定者IEEE 802.11工作组从一开始就把安全作为关键的课题。最初的IEEE 802.11-1999协议所定义的WEP机制（WEP本意是“等同有线的安全”）存在诸多缺陷，所以IEEE 802.11在2002年迅速成立了802.11i工作组，提出了AES-CCM等安全机制。此外，我国国家标准化组织针对802.11和802.11i标准中的不足对现有的WLAN安全标准进行了改进，制定了WAPI标准。

按照安全的基本概念，安全主要包括：

• 认证（Authenticity）

确保访问网络资源的用户身份是合法的；

• 加密（Confidentiality）

确保所传递的信息即使被截获了，截获者也无法获得原始的数据；

• 完整性（Integrity）

如果所传递的信息被篡改，接收者能够检测到；

此外，还需要提供有效的密钥管理机制，如密钥的动态协商，以实现无线安全方案的可扩展性。

可以说WLAN安全标准的完善主要都是围绕上述内容展开的，所以我们可以围绕这些方面来理解无线安全标准。

1. IEEE 802.11-1999安全标准

IEEE 802.11-1999把WEP机制作为安全的核心内容，包括了：

• 身份认证采用Open system认证和共享密钥认证

前者无认证可言，后者容易造成密钥被窃取；

• 数据加密采用RC4算法

加密密钥长度有64位和128位两种，其中有24Bit的IV是由WLAN系统自动产生的，需要在AP和Station上配置的密钥就只有40位或104位。RC4并不是很弱的加密算法，安全的漏洞在于IV。IV存在的目的是要破坏加密结果的规律，实现每次加密的结果都不同，但是长度太短了。在流量较大的网络，IV值很容易出现被重用。2001年8月，Scott Fluhrer、Itsik Mantin和Adi Shamir公开了对WEP的分析报告，展示了完全可能在1分钟内（关键在WLAN流量足够大）完成对WEP的破解。

• 完整性校验采用了ICV

802.11报文中定义了ICV域，发送者使用(CRC-32)checksum算法计算报文的ICV,附加在MSDU后，ICV和MSDU一起被加密保护。接收者解密报文后，将本地计算的CRC-32结果和ICV进行比较，如果不一致，则可以判定发生了报文篡改。CRC-32算法本身很弱，可以通过bit-flipping attack篡改报文，而让接收者无法察觉。

密钥管理不支持动态协商，密钥只能静态配置，完全不适合企业等大规模部署场景。

2. IEEE 802.11i标准

IEEE 802.11i工作组针对802.11标准的安全缺陷，进行了如下改进：

• 认证基于成熟的802.1x、Radius体系；
• 数据加密采用TKIP和AES-CCM；
• 完整性校验采用Michael和CBC算法；
• 基于4次握手过程实现了密钥的动态协商。

下面对802.1x、TKIP和AES-CCM等技术进行更详细的介绍。

802.1x接入认证

IEEE802.1x体系包括如下三个实体：

图1 802.1x体系架构

客户端（Supplicant）：接收认证的客户端，如WLAN终端(STA)。

• 认证系统（Authenticator）：在无线网络中就是无线接入点AP或者具有无线接入点AP功能的通信设备。其主要作用是完成用户认证信息（802.1x报文）在客户端和认证服务器之间的传递，控制用户是否可以接入到网络中。
• 认证服务器（Authentication Server）：检验客户端的身份是否合法，通知认证系统是否可以让客户端接入。一般普遍采用Radius作为认证服务器。
• IEEE 802.1x并不是专为WLAN设计的，它已经在有线网络中被广泛应用。重用这个成熟的认证体系，确保了WLAN安全建立在了一个成熟的基础之上，实现了有线和无线共用认证体系。为了适应WLAN的特点，IEEE 802.11i对IEEE 802.1x进行了增强补充，包括支持EAPOL-Key的协商过程等，以帮助完成设备端和客户端进行动态密钥协商和管理。

IEEE 802.1x比较适合企业等应用环境。考虑到家庭等用户不需要部署Radius来完成用户身份认证，所以802.11i还定义了预共享密钥来让用户直接在WLAN设备和无线终端上配置PMK。此外，为了确保兼顾漫游的安全和快速性，802.11i还定义了key cache和预认证机制。

IEEE 802.11i 4次握手

无论是AES还是TKIP加密，密钥的动态协商是在WLAN终端和WLAN设备间（如AP）完成的。802.1x认证过程既完成了用户身份的认证，又协商出了Master key，基于后者可以计算出PMK。由于PMK只被WLAN终端和Radius server所知道，而802.11i的密钥协商过程并不需要Radius Server参与，所以Radius Server需要将该PMK传递给WLAN设备。

整个802.11i密钥协商过程由于涉及4次握手报文，所以一般称为4次握手。4次握手结束后，将协商出用于单播密钥加密的PTK和用于组播加密的GTK。PTK和GTK都是临时的，满足一定条件（如时间）就会重新动态协商。

TKIP加密

TKIP与WEP一样基于RC4加密算法，但相比WEP算法，将WEP密钥的长度由40位加长到128位，初始化向量IV的长度由24位加长到48位，并对现有的WEP进行了改进，即追加了“每发一个包重新生成一个新的密钥(Per Packet Key)”、“消息完整性检查（MIC）”、“具有序列功能的初始向量”和“密钥生成和定期更新功能”四种算法，极大地提高了加密安全强度。此外，基于4次握手所提供的会话密钥动态协商，更提高了安全性。

虽然TKIP针对WEP加密做了极大的改进工作，但改进并不完美。TKIP加密和WEP加密一样都是以RC4算法为核心，RC4算法本身存在一定缺陷，初始化向量IV长度的增加也只能在有限程度上提高破解难度，比如延长破解信息收集时间，并不能从根本上解决问题。因此TKIP只能作为一种临时的过渡方案。

CCMP加密

CCMP提供了加密、认证、完整性和重放保护。CCMP是基于CCM方式的，该方式使用了AES（Advanced Encryption Standard）加密算法，结合了用于加密的Counter Mode（CTR）和用于认证和完整性的加密块链接消息认证码（CBC－MAC），保护MPDU数据和IEEE 802.11 MPDU帧头部分域的完整性。AES是一种对称的块加密技术，提供比WEP/TKIP中RC4算法更高的加密性能。AES加密算法使用128bit分组加码数据，相比WEP，攻击者要获取大量的密文，耗用很大的资源，花费更长的时间破译。AES具有应用范围广、等待时间短、相对容易隐藏、吞吐量高的优点，算法在性能等各方面都优于WEP和TKIP。AES-CCM目前是IEEE 802.11工作组在无线加密方面的终极方案。