邓凡平WIFI学习笔记3： WiFi 协议安全部分
作者：互联网
安全是无线网络技术中一个很重要的部分，它主要有三个保护点。
·数据的完整性（Integrity）：用于检查数据在传输过程中是否被修改。
·数据的机密性（Confidentiality）：用于确保数据不会被泄露。
·身份验证和访问控制（Authentication and Access Control）：用于检查受访者的身份。
安全知识点中会经常见到Key（密钥）和Password（密码，也叫Passphrase）这两个词。它们本质意思都一样，只不过Password代表可读（human readable，如字符串、数字等）的Key，而Key一般指由算法生成的不可读（如二进制、十六进制数据等）的内容
802.11规则首先提出了WEP（Wired Equivalent Privacy，有线等效加密）
人们发现WEP很容易破解。在802.11规范提出新解决方案之前，WFA
提出了一个中间解决方案，即WPA（Wi-Fi Protected Access）。这个方案后来成为802.11i草案的一部分。
·802.11i专门用于解决无线网络的安全问题。该规范提出的最终解决方案叫RSN（Robust Security Network，强健安全网络），而WFA把RSN称为WPA2。
- WEP介绍
保护数据Confidentiality的一个主要方法就是对所传输的数据进行加密，而WEP采用了流密码（Stream Cipher）对数据进行加密。
·源数据通过Key Stream（密钥流）进行加密，加密方式就是异或（XOR），得到密文。
·接收端得到密文后，再用相同的Key Stream进行异或操作，这样就能得到目标数据。两次异或操作，Key Stream又一样，所以目标数据就是源数据。
·整个过程中，只要Key Stream保证随机性，那么不知道Key Stream的人理论上就无法破解密文。
用户输入一个Secret Key（即密码）到伪随机数生成器（PseudoRandom Number Generator，PRNG）中，而PRNG会根据这个Secret Key生成密钥流。
WEP加密过程如下。
·左上角PRNG的输入（即随机数种子），包括一个IV（Initialization Vector，初始向量，长24位）和WEP Key（Key长度有40、104和128位。位数越多，安全性越高）。IV的值由设
备厂商负责生成。PRNG最终输出Key Stream。
·XOR（即加密）操作的一方是Key Stream，另一方是数据和ICV（Integrity Check Value，完整性校验值）。ICV长32位，其值由CRC-32方法对Data进行计算后得到。XOR操作后的数据即图3-29所示的Encrypted部分。可知Data和ICV都经过了加密。
·最终的MAC帧数据（frame payload）包括IV以及加密后的Data以及ICV。
WEP身份验证有以下两种。
·开放系统身份验证（Open System Authentication）：这种验证其实等同于没有验证，因为无论谁来验证都会被通过。
·共享密钥身份认证（Shared Key Authentication）：Shared Key这个词以后还会经常碰到，它表示共享的密码。
Shared Key验证的方法包括四次帧交互。
·STA（即图中的Client）发送Authentication请求给AP。
·AP收到请求后，通过Authentication Response发送一个质询明文（Challenge Text，长度为128字节）给STA。
·STA取出Challenge Text，通过图3-31所示的WEP加密方法利用自己设置的密钥对质询文进行加密，然后再次发送Authentication Request给AP。
·AP收到第二次Authentication Request帧后，会利用AP的密钥进行解密，同时还要验证数据完整性。如果ICV正确，并且解密后的译文等于之前发送的质询文，则可知STA拥有正确的密码，故STA身份验证通过。
·AP返回验证处理结果给STA。如果成功，STA后续将通过Association请求加入该无线网络。
·WPA采用了新的MIC（Message Integrity Check，消息完整性校验）算法用于替代WEP中的CRC算法。新算法名为Michael。
·采用TKIP（Temporal Key Integrity Protocol，临时密钥完整性协议）用于为每一个MAC帧生成不同的Key。这种为每帧都生成单独密钥的过程称为密钥混合（Key Mixing）。
TKIP将为每一帧数据都使用不同的密钥进行加密，故其安全性比WEP要高。另外，由于生成密钥和计算完整性校验时会把MAC地址（如DA、SA、TA）等信息都考虑进去，所以它可以抵抗几种不同类型的网络攻击。不过，从加密本身来考虑，TKIP和WEP一样都属于流密码加密。
CCMP出现在WPA2中，它比TKIP更安全，因为它采用了全新的加密方式CCMP（Counter Mode with CBC-MAC Protocol，计数器模块及密码块链消息认证码协议），这是一种基于AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）的块的安全协议。
3.EAP和802.1X介绍
目前身份验证方面最基础的安全协议就是EAP（Extensible Authentication Protocol），协议文档定义在RFC3748中。EAP是一种协议，更是一种协议框架。
·Authenticator（验证者）：简单点说，Authenticator就是响应认证请求的实体（Entity）。对无线网络来说，Authenticator往往是AP。
·Supplicant（验证申请者①）发起验证请求的实体。对于无线网络来说，Supplicant就是智能手机。
·BAS（Backend Authentication Server，后端认证服务器）：某些情况下（例如企业级应用）Authenticator并不真正处理身份验证，它仅仅将验证请求发给后台认证服务器去处理。
正是这种架构设计拓展了EAP的适用范围。
·AAA（Authentication、Authorization and Accounting，认证、授权和计费）：另外一种基于EAP的协议。实现它的实体属于BAS的一种具体形式，AAA包括常用的RADIUS服务器
等。在RFC3748中，AAA和BAS的概念可互相替代。
·EAP Server：表示真正处理身份验证的实体。如果没有BAS，则EAP Server功能就在Authenticator中，否则该功能由BAS实现。
EAP没有强制定义位于最底层（Lower Layer，LL）的传输层。目前支持EAP协议的网络有PPP、有线网（EAPOL，也就是802.1X协议）、无线网络（即802.11WLAN）、TCP、UDP等
·Code：EAP协议第一字节，目前仅有四种取值，分别为1（Request）、2（Response）、3（Success）、4（Failure）。
·Identifier：消息编号（ID），用于配对Request和Response。
EAP Method Type取值如下。
·1：代表Identity。用于Request消息中。其Type Data字段一般将携带申请者的一些信息。一般简写为EAP-Request/Identity或者Request/Identity。
·2：代表Notification。Authenticator用它传递一些消息（例如密码已过期、账号被锁等）给Supplicant。一般简写为Request/Notification。
·3：代表Nak，仅用于Response帧，表示否定确认。例如Authenticator用了Supplicant不支持的验证类型发起请求，Supplicant可利用Response/Nak消息以告知Authenticator其支持的验证类型。
·4：代表身份验证方法中的MD5质询法。Authenticator将发送一段随机的明文给
Supplicant。Supplicant收到该明文后，将其和密码一起做MD5计算得到结果A，然后将结果A
返回给Authenticator。Authenticator再根据正确密码和MD5质询文做MD5计算得到结果B。A和
B一比较就知道Supplicant使用的密码是否正确。
·5：代表身份验证方法为OTP（One Time Password，一次性密码）。
·6：代表身份验证方法为GTC（Generic Token Card，通用令牌卡）。GTC和OTP类似，只不过GTC往往对应一个实际的设备，例如许多国内银行都会给申请网银的用户一个动态口令牌。它就是GTC。
·0x888e代表EAPOL在802.11帧中的类型。
·Key Descriptor Type值为2，表示EAPOL RSN Key。
·Descriptor Body的内容就是大括号中所包含的信息。
Supplicant主动向Authenticator发送EAPOL-Start消息来触发认证。注意，EAPOL-Start消息不是必需的。
·Authenticator收到EAPOL-Start消息后，将发出EAP-Request/Identity消息以要求Supplicant输入用户名。由于EAPOL-Start消息不是必需的，所以一个未经验证的Supplicant发送了其他数据包也将触发Authenticator发送EAP-Request/Identity消息。
·Supplicant将用户名信息通过EAP-Response/Identity消息发送给Authenticator。Authenticator再将它经过封包处理后（转换成RADIUS Access-Request消息）送给AS（Authenticator Server）进行处理。
·AS收到Authenticator转发的用户名信息后，将其与数据库中的用户名表对比，找到该用户名对应的密码信息。然后随机生成的一个MD5质询文并通过RADIUS Access-Challenge消息发送给Authenticator，最后再由Authenticator转发给Supplicant。
·Supplicant收到EAP-Request/MD5 Challenge消息后，将结合自己的密码对MD5质询文进行处理，处理结果最终通过EAP-Response/MD5 Challenge消息经由Authenticator返回给AS。
·AS将收到RADIUS Access-Request消息和本地经过加密运算后的密码信息进行对比，如果相同，则认为该Supplicant为合法用户，然后反馈认证成功消息（RADIUS Access-Accept和
EAP-Success）。
·Authenticator收到认证通过消息后将端口改为授权状态，允许Supplicant访问网络。注意，有些Supplicant还会定期向Supplicant发送握手消息以检测Supplicant的在线情况。如果Supplicant状态异常，Authenticator将禁止其上线。
·Supplicant也可以发送EAPOL-Logoff消息给Authenticator以主动要求下线。
4.RSNA介绍
为什么要进行密钥派生呢？它涉及密码安全方面的问题，不过其目的并不难理解。在WEP中，所有STA都使用同一个WEP Key进行数据加密，其安全性较差。而RSNA中要求不同的STA和AP关联后使用不同的Key进行数据加密，这也就是RSNA中Pairwise（成对）概念
的来历。
如何解决不同STA使用不同密码的问题呢？原来，我们在STA中设置的密码叫PMK（Pairwise Master Key，成对主密钥），其来源有两种。
·在SOHO网络环境中，PMK来源于预共享密钥（Pre-Shared Key，PSK）。Shared Key概念在3.3.7节介绍WEP身份验证时提到过，即在家用无线路由器里边设置的密码，无须专门的验证服务器，对应的设置项为"WPA/WPA2-PSK"。由于适用家庭环境，所以有些无线路由器设置界面中也叫"WPA/WPA2-个人"（WFA认证名为"WPA/WPA2-Personal"）。
·在企业级环境中，PMK和Authenticator Server（如RADIUS服务器）有关，需要通过EAPOL消息和后台AS经过多次交互来获取。这种情况多见于企业级应用。读者可在无线路由器设置界面中见到"WPA/WPA2-企业"（有时叫“WPA或WPA2”，WFA认证名为"WPA/WPA2-Enterprise"）的安全类型选项，并且会要求设置RADIUS服务器地址。
·Personal模式不需要RADIUS服务器参与。AP和STA双方的Key属于PSK，即事先就配置好了。
·Enterprise模式下，STA、AP和RAIDUS的PMK通过多次EAPOL消息来获取。获取的方法和具体的EAP Method有关。显然，相比Personal模式，这种方式更加安全，但其耗费的时间也较长。
·STA和AP得到PMK后，将进行密匙派生以得到PTK。最后，PTK被设置到硬件中，用于数据的加解密。
·由于AP和STA都需要使用PTK，所以二者需要利用EAPOL Key帧进行信息交换。这就是4-Way Handshake的作用。
有了PMK后，AP和STA将进行密钥派生，正是在派生的过程中，AP和不同STA将生成独特的密钥。这些密钥用于实际的数据加解密。由于STA每次关联都需要重新派生这些Key，所以它们称为PTK（Pairwise Transient Key，成对临时Key）
1）Authenticator生成一个Nonce（ANonce），然后利用EAPOL-Key消息将其发给Supplicant。
2）Supplicant根据ANonce、自己生成的一个Nonce（SNonce）、自己所设置的PMK和Authenticator的MAC地址等信息进行密钥派生。Supplicant随后将SNonce以及一些信息通过第
二个EAPOL-Key发送给Authenticator。Message 2还包含一个MIC值，该值会被图3-48中的KCK加密。接收端Authenticator取出Message 2中的SNonce后，也将进行和Supplicant中类似的
计算来验证Supplicant返回的消息是否正确。如果不正确，这将表明Supplicant的PMK错误，于是整个握手工作就此停止。
3）如果Supplicant密钥正确，则Authenticator也进行密钥派生。此后，Authenticator将发送第三个EAPOL-Key给Supplicant，该消息携带组临时密码（Group Transient Key，GTK，用于后续更新组密钥，该密钥用图3-48中的KEK加密）、MIC（用KCK加密）。Supplicant收到Message 3后也将做一些计算，以判断AP的PMK是否正确。注意，图中的IGTK（Integrity
GTK）用于加解密组播地址收发的管理帧
4）Supplicant最后发送一次EAPOL-Key给Authenticator用于确认。
5）此后，双方将安装（Install）Key。Install的意思是指使用它们来对数据进行加密。
Supplicant和Authenticator就此完成密钥派生和组对，双方可以正常进行通信了。
根据802.11规范，PMK缓存信息的名称叫PMKSA（PMK Security Association），它包括AP的MAC地址、PMK的生命周期（lifetime），以及PMKID（PMK IDentifier，用于标示这个
PMKSA，其值由PMK、AP的MAC地址、STA的MAC地址等信息用Hash计算得来）。
当STA和AP进行关联（或重关联）时：
·STA首先根据AP的MAC地址判断自己是否有缓存了的PMKSA，如果有则把PMKID放在RSNE中然后通过Association/Reassociation Request发送给AP。
·AP根据这个PMKID再判断自己是否也保持了对应的PMKSA。如果是，双方立即进入4-Way Handshake过程，从而避免802.1X协商步骤。
标签：WIFI,STA,Supplicant,WiFi,Authenticator,AP,Key,邓凡平,EAP 来源： https://blog.csdn.net/kv110/article/details/99778317