Wi—Fi安全研究
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摘要：随着无线网络的需求和技术的发展，许多城市都开始试行全城热点工程，使得随处接入wi-fi网络变成可能。Wi-Fi网络的安全因此变得尤为重要。本文介绍了确保Wi-Fi安全的WEP、WPA和WPA2协议，详细阐述了三种协议中用到的接入协议和加密算法。本文最后给出了对于Wi-Fi安全的总结。
关键词：Wi-Fi；X.805；WPA；WPA2
从APARNET的诞生，到2000年的网络泡沫，到现3G技术的出现，联网的技术日趋成熟，网络的直径无限扩展，世界变成了地球村。3G热潮刚刚过去，4G的呼声已经开始崭露头角，日益发达的网络已经渐渐发展成人们生活的必需品。近年来，随着智能手机等智能终端的出现，对于3A（Anytime、Anywhere、Anyhow）上网的需求也越来越强烈，Wi-Fi成为了瞩目焦点。
Wi-Fi是Wireless Fidelity的缩写，意为无线高保真，是一种无线联网技术。为了能满足人们随时随地上网的需求，近年来有不少城市开始Wi-Fi建设，增加城市内Wi-Fi热点数目，真正实现城市处处可上网。
1、攻击的类型及其防范
网络将众多计算机连接成一张大网，其中任意两点可以进行通信。相对于有线网络，无线网络存在的不安全因素更多。因为网络中总是存在漏洞，所以攻击者才能有机可乘。一般攻击有三个步骤：收集信息并探测系统的安全弱点、实施攻击和擦除攻击证据。
对网络进行攻击，目的有三种：盗取链接信息、盗取数据信息和使网络服务不可用。盗取链接信息的目的是为了获取与其他网络节点相连及访问的权限；盗取数据信息是获得指本不应该获得的信息，并且滥用这些信息；使网络服务不可用是指合法用户不能使用网络服务，达到这一目的阿能采用的手法包括ARP攻击等。图1中列出了一些常见的网络攻击及其解决方法。
窃听。窃听是指截取随信时的信息。对于有线连接中，攻击者可以对网络的基带同轴电缆或双绞线进行搭线接听；对于进行广播的无线网络，只要在合适的传输范围内，就能接收到信息。加密是解决信息泄漏的最好办法。目前存在的加密算法有DES算法、AES算法、RSA算法、RC2/RC4算法等。加密意味着大量计算，复杂的加密可能对性能造成影响。
冒认。冒认是指一个非授权节点冒充一个授权的节点，从而获取授权节点的相应权限。
篡改。篡改是指修改报文内容。这种攻击属于破坏数据完整性，可能造成传递的指令改变，导致意想不到的动作。
重播。重播是指将一份报文或报文的一部分进行重复。重播可以产生被授权的效果。
服务抵赖。这类风险主要是在发现攻击，遭受损失后进行排查时无法追踪攻击者。
拒绝服务。这种攻击属于破坏可用性。拒绝服务可能引起用户因得不到网络服务而蒙受巨大损失，如战争时破坏指挥部的网络，使得命令无法及时准确地传达。通过流量分析和控制，发现网络流量的异常，就能够解决因为恶意流量造成信道无法使用。
数字签名可以防止信息被篡改，也可以防止通信中出现抵赖现象，并能用来进行身份认证。为了保证数据安全和实现身份验证，一般数据都通过一定的加密算法加密后进行传输，接收方只有具有合适的密钥才能解读收到的信息。因此密钥的产生、传递和保存是网络安全的最重要的部分。
流量控制、审计和公证属于管理范畴内对于安全的考虑，不在网络实施的考虑范围内。
2、Wi-Fi安全措施
为了保障Wi-Fi网络安全，现行使用由wi-Fi联盟提出的WPA2（Wi-Fi Protected Access2）安全标准。在此之前，无线网络安全使用WEP（Wired Equipment Privacy）协议来确保安全。但因为WEP协议的缺陷，无线网络安全得不到保障，所以有了WPA的出现。WEP出现在802.11i标准尚未制定完成，而WPA是在802.11i标准制定完成之后。WEP是根据802.11b标准来制定，而WPA实现802.11i标准中大部分条款。
Wi-Fi网络的安全措施，主要是接入认证和数据加密两方面。加密必然涉及到密钥，所以密钥管理也是网络实施需要的。
2.1 WEP
WEP对于接入网络的控制有两种形式：开放式接入和共享密钥接入。开放式接入顾名思义，无需任何认证就可以接入网络。共享密钥接入只需要提供预留的验证密码就可以接入网络。
WEP对于传输加密采取用一个初始向量（IV，InitialVector）和密钥生成一个中间密钥，然后采用RC4加密方式，用该中间密钥加密信息。RC4是一种流式加密技术，对于包的顺序没有要求，不同顺序的包加密后不能辨识出包的原顺序，因此不能防止重播。WEP加密采用的密钥长度为40bit，IV的长度为24bit，达不到美国国家标准。RC4加密的方式如图4所示。由于WEP并不是安全专家设计的，很快就被发现存在很多的漏洞。表1中列举了WEP的一些安全漏洞。
WEP没有采取任何防止重播的手段。假如你在家搭建了一个Wi-Fi网络，采用WEP共享密钥接入方式。如果在你连入该网络时，攻击者窃听你的信息，就可以获取包含共享的登录密钥的信息。当你断开连接后，攻击者可以重播该消息，AP（Access Point）会把攻击者当作合法的用户而让其登录。从安全的角度来说，这是一件危险的事件。
2.2 WPA
随着IEEE802.1li标准的制定完成，2003年WPA被提出，用来替代WEP对Wi-Fi网络进行保护。
对于接入验证，WPA根据用户应用的场合不同可以分为企业版（WPA-Enterprise）和个人版（WPA-Personal）两种类型。WPA企业版支持区分每个用户，对每个用户进行单独验证。因此，企业版需要一个验证服务器，一般是一个远程用户拨号认证系统（RADIUS，Remote Authentication Dial In UserService）。WPA个人版适用于家庭或小型办公网络环境，这种模式不需要设置验证服务器，但是需要用到一个预共享密钥（PSK，Pre-Shared Key）。使用个人版的验证不能区分每个用户。
在无线网络安全中，服务数据单元（MSDU，MAC ServiceData Unit）经过添加完整性校验MIC、分帧、添加IV、加密、添加MAC头部后，成为协议数据单元（MPDU，MAC Protocol DataUnit，MAC）。在这个过程中使用TKIP加密，并使用Michael算法进仃校验。
为了加强数据安全，WPA采用RC4方式对报文进行加密，但是将密钥长度增加到128bit，且IV长度增加到48bit。此外，为了增加密钥的安全性，采用临时密钥完整性协议（TKIP，Temporal Key Integrity Protoc01）随着会话的不同产生动态密钥；为了增加数据完整性保护，WPA在每一个报文末尾增加一个消息完整性检查（MIC，Message Integration Check）字段，对报文进行检查。
2.2.1 扩展认证协议EAP
扩展认证协议（EAP，Extensible Authentication Protocol）在某种程度上相当于认证的中介，完成接入者和验证方初始认证工作和验证结束后的收尾工作，中间协商过程可以由上层验证协议决定。
EAP支持接入方和验证方根据自己的需要和基础设施部署情况，选择验证协议。这个过程是用户识别和用户授权的阶段，该阶段结束后，验证方确认介入方身份，并且双方有共同的主密钥（PMK，Pairwise Master Key），该主密钥是认证方的主密钥（MK，Master Key）根据协商变化生成。在数据传输过程中，PMK可以衍生出三种类型的密钥：密钥确认密钥（KCK，Key Confirmation Key，用来检查EAP帧的完整性）、密钥加密密钥（KEK，Key Encryption Key，用来加密组密钥）和临时密钥（TK，Temporal Key，用来加密数据）。其中TK就是MIC和TKIP中需要用到的密钥。
EAP之所以被称之为具有扩展性，是因为EAP支持封装不同的上层验证协议。到目前为止，EAP提供7种类型的验证方式，包括EAP-TLS、EAP-TTLS/MSCHAPv2、PEAPvO/EAP-MSCHAPv2、PEAPvl/EAP-GTC、EAP-FAST、EAP-SIM和EPA-AKA。
EAP-TLS（Transport Layer Security）是一种基于传输层安全协议的认证方式。该协议要求双方都有公钥证书，双方通过公钥证书进行双向认证。EAP-TLS是IETF制定的标准协议。
EAP-TTLS/MSCHAPv2中，TTLS表示隧道传输层安全（Tunneled Transport Layer Security），MSCHAPv2表示微软挑战一握手认证协议第二版（Microsoft version of Chal lenge-Handshake Authentication Protocol）。该协议是对TLS的扩展，它只要求认证服务器提供可信证书，接入用户可以使用密码进行验证。密码通过由认证服务器证书保证安全的通道进行传输，服务器验证成功后，将证书发送给用户。TTLS与TLS最大的区别是TTLS不需要客户端认证的协议。
PEAP表示受保护的EAP（Protected EAP），也是一种是使用输层安全隧道的方法，它在设计上和EAP-TTLS相似，只需要一份服务器端的PKI证书来建立一个安全的传输层安全通道（TLS）以保护用户认证。它有两种形式PEAPvo/EAP—MSCHAPv2和PEAPvl/EAP-GTC。PEAPvO/EAP-MSCHAPv2是微软参与提出的，属于使用比较广泛的协议，现有的微软、苹果和CiSCO系统中都支持这一协议。PEAPvl/EAP-GTC中GTC表示通用标记卡（Generic Token Card），是由Cisco参与提出的，使用范围相对比较狭窄。
EAP-FAST（Flexible Authentication via SecureTunneling），是由思科提出的使用保护访问凭证（Protected Access Credential，PAC）来建～-YTLS隧道，并通过该隧道对客户端证书进行验证的方法。该方法支持EAP-GTC、EAP-MSCHAPv2和EAP-TLS三种验证方法。
EAP-SIM是一种采用蜂窝电话SIM（SubscriberIdentity Model）认证的方法，是手机网络和因特网技术结合的产物。SIM卡中含有身份认证信息，可以用来接入网络，并且可以进行用户计费。
EAP-AKA（Authentication and Key Agreement）是用来在使用全球用户识别卡（USIM，Universal SubscriberIdentity Module）接/KUSTM（即全球3G网络）进行用户认证和密钥协商的方案。
2.2.2 MIC
MIC方法是通过一个不可逆的过程，生成一个校验码，生成的过程中结合一个密钥。因此，不知道密钥的攻击者是无法伪造这一校验值的。但是，一般算法需要大量的计算，不适合Wi-Fi网络。Wi-Fi网络采用Michael方法计算MIC。
Michael算法是对明文数据和原宿地址进行处理，获得一个64位的校验码，称这部分内容为需要验证的内容。将需要验证的内容进行填充，使得每个数据包也是64位的。将报文划分为32位一组，记为M1，M2，…，Mn-1，将64位的密钥也分成两份，每份32位，记为K1和K2。具体的计算过程如下：
其中，函数XSWAP接收一个32位的参数，将其低16位和高16位进行交换；“”表示循环右移。最后1和r连接后就是64位的校验值。
2.2.3 TKIP
TKIP的提出是为了让WEP系统升级后能更加安全，所以一切改进都是在WEP的基础上。所以TKIP必须在现有硬件上运行，因此不能使用计算复杂的加密算法。因此，TKIP实际上是采用一系列的手段来弥补WEP中存在的缺陷，就像是Windows系统后会打补丁一样，TKIP就是给WEP系统的补丁。
实际上，使用RC4作为加密算法并不会导致不安全，但是WEP中使用的密钥不够安全。TKIP生成密钥的方式，使得TKIP足够安全。图5为TKIP生成RC4密钥的过程。
首先，为了防止重播，TKIP在生成密钥的时候，使用包序列号TSC作为影响密钥的因子。TSC就是一个计数器，当共享密钥初始化或更新时初始值为O，随着包的发送，该值逐渐增加。可以保证在使用同一个Session Key时，不同的包使用的RC4密钥不同，并且可以检测出是否小于已发送的包的序号，如果小于，则属于重播，丢弃该包。
其次，WEP中使用的密钥存在弱密钥。TKIP采用MAC地址、包序列号和初始密钥相混合的方式，产生128位的密钥。另外，第5比特强制置为1，第4比特强制置为0。这样可以避免生成弱密钥，达到增强安全性的目的。
2.3 WPA2
2004年，Wi-Fi联盟提出Weh2。WPA2是对WPA的改进版，实际上wPA2只是加强了加密的强度，以及增加了对接入者移动的接入改进。
WPA2采用AES加密，并使用密码分组链接（Cipher Block Chaining，CBC）模式，加密过程如图6所示。
随着移动上网需求的进一步扩大，WPA2针对移动接入提出了不少改进措施。2012年1月，WPA2新增了对EAP-AKA的支持。并且，WPA2支持预认证和PMK缓存，使得当已经接入AP的接入点在移动过程中，不需要再次进行认证，而且能保持与该AP的连接。
3、总结
随着移动技术的发展，组网方式也变得多种多样。不管怎么改变，网络安全都离不开加密技术和认证协议。认证阶段所使用的证书等技术也是以加密技术为基础的。随着计算能力的发展，密钥的长度也会随之增加以确保加密强度，而密钥的产生、分配、更新和销毁等需要一系列的协议制度来保证密钥的保密性。不论密钥本身是多么安全，多次使用同一密钥会导致密钥信息的泄漏。使用动态一次性密钥可以保证密钥保密性。
Wi-Fi作为目前使用最广泛的无线联网技术，其设计的目的就在于开放式的网络连接，因此wi-Fi面临着严峻的安全挑战。Wi-Fi采用WPA技术来保证网络通信中的安全。WPA采用的加密技术是目前美国国家安全标准认可的AES加密算法，使用TKIP来负责密钥的产生。接入认证时采用EPA，可以通过双方协定，采用不同的认证协议。
虽然wi-Fi对于各种威胁都有应对的措施，但是要实施所有的安全措施过程复杂，代价不菲。在实际网络建设过程中，可以根据需要来裁剪WPA的安全措施。