无线局域网安全策略分析与应用研究

2021-09-16刘仁山

呼伦贝尔学院学报 2021年4期

刘仁山

(呼伦贝尔学院内蒙古海拉尔 021008)

1 无线网络安全概述

无线局域网(WLAN)以无线信道作为传输媒介，利用电磁波在空气中收发数据实现了传统有线局域网的功能，相对有线网络而言，无线局域网布放和实施简单快捷，基于802.11标准的无线网络技术飞速发展，为用户提供的接入带宽越来越大，在办公大楼、体育场、候机大厅等场所得到了广泛应用，由于无线侧数据在自由空间传输，无线覆盖的区域内如果配置合适的接收设备都能够获取到信号，导致未授权的用户可获得访问权，信息存在泄露和被攻击的风险，WLAN常见的安全威胁有以下两个方面[1]：一是，未经授权地使用网络服务。非法用户未经授权使用WLAN网络，与授权用户共享带宽，影响到合法用户的使用体验以及可能泄露用户信息，存在认证风险；二是，数据安全风险。无线传输作为开放空间数据传送，信息容易被未授权的第三方拦截，导致数据被窃听和被篡改，导致数据的机密性和完整性遭到破坏。

因此WLAN网络实施过程中要加强安全保护，要实现数据传输的机密性、可认证性和完整性，认证和加密是必须要考虑的因素，认证是从用户接入角度确保访问者可信任，加密是对用户数据提供隐私保护确保机密性，另外数据完整性保护通过相应的校验算法来实现。

2 无线局域网加密算法和安全协议

无线局域网安全涉及到多种加密、认证和完整性保护算法，比如RC4算法、DES和AES算法。无线局域网通过TKIP和CCMP安全协议来实现加密算法的应用，TKIP协议的核心算法是RC4，而CCMP协议是基于AES算法实现的，下面对无线网络支持的安全加密算法进行比较分析。

2.1加密算法

为了对数据进行保护，防止泄露和偷窥，可以采用多种加密算法对信息进行保护，尤其WLAN基于无线空间传输的特性，数据更加容易泄露，因此，优秀的加密算法对于保护数据的安全性至关重要，目前无线网络设备支持的算法有：

2.1.1 RC4算法

RC4算法产生于1987年，与AES等分组算法不同，RC4采用面向流的序列密码，密钥长度可变，一个明文的字节(8比特)与一个密钥的字节进行异或就生成了一个密文的字节，连续不断地对明文字节流进行处理，产生密文输出流。[2]

2.1.2 DES算法

DES算法是一个经典的分组加密算法，以64位为分组对数据进行加密(分组)，加密和解密使用的是同一个算法(对称)；密钥长64位，事实上56位参与DES运算，每8位中最后一位是奇偶校验位(保证密钥每8位都有奇数个1)；56位秘钥虽然很短，但目前并没有发现它的致命缺陷，当秘钥长度扩展到168位时，形成的3DES算法具有更强大的抗穷举搜索攻击的能力。[3]

2.1.3 AES算法

AES算法采用56位密钥进行加密/解密在面临高速穷举攻击仍然有很大的风险，因此科学家们设计了168位密钥空间的3DES，虽然变得安全但是加解密效率降低，2000年9月美国设计出高级加密标准(Advanced Encryption Standard)，AES能有效抵御所有已知攻击，易于在现有软硬件平台上实现，且加解密过程效率优于DES，AES密钥空间根据需要采用128位、192位和256位三种不同长度。

上述加密算法RC4属于流加密方式，而DES和AES属于分组加密方式，流加密和分组加密各有优势，对于需要加密/解密数据流的应用，比如，在数据通信信道或浏览器/网络链路上，流加密可能是更好的选择，而对于处理数据分组的应用，比如，文件传递、电子邮件，分组加密则更合适。

2.2 安全协议

为了实现安全算法的应用，在无线局域网安全领域开发适合不同场景应用的安全协议，TKIP协议采用RC4算法实现了加密机制，CCMP协议采用AES算法实现了加密机制，同时采用CBC-MAC算法实现了CCMP协议的完整性保护功能，采用EAP协议实现802.1X认证。[4]

2.2.1 TKIP协议

TKIP协议(Temporal Key Integrity Protocol)是IEEE802.11i规范中负责处理无线安全问题的加密协议。核心加密算法仍然采用WEP协议中的RC4算法，TKIP并不直接使用由PTK(Pairwise Transient Key)分解出来的密钥作为加密报文的密钥，而是将该密钥作为基础密钥。经过两个阶段的密钥混合过程后，生成一个新的、每一次报文传输都不一样的密钥，该密钥才是用作直接加密的密钥，通过这种方式可以进一步增强WLAN的安全性。TKIP以一种比较可靠的Michael完整性校验算法保护源地址，防止伪造帧。

2.2.2 CCMP协议

CCMP协议(Counter CBC-MAC Protocol，CCMP)是802.11i定义的默认加密方式，以AES为核心算法进行加密，以密码块链信息认证码(CBC-MAC)来进行完整性验证，CCMP/AES采用128为加密密钥，信息被加密成128位的密文分组。鉴于AES算法足够安全，报文加密、密钥管理等所需的密钥不必经过密钥混合，它们通过四次握手以动态的方式生成，无论在加密安全性还是完整性校验上，CCMP/AES的性能要远优于TKIP/RC4。

2.2.3 EAP协议

EAP协议(Extensible Authentication Protocol，EAP)是IEEE802.1X框架下的一个认证协议，它本身并未规定如何识别用户身份，但设计有可多种选择的EAP认证方法，它提供了客户端、认证者和认证服务器之间认证帧格式以及交互过程，整个认证过程主要参与者是客户端和认证服务器，认证者只是起到中介作用，客户端与认证者通过EAPOL(EAP over LAN)协议[5]，认证者通过RADIUS封包来传递EAP，据此实现客户端和RADIUS服务器的EAP协议交互信息传递，EAP包含多种类型，比如：EAP-MD5属于最早的EAP类型，采用用户名和密码的认证方式；EAP-TLS类型是第一种标准的符合三项要求的身份认证方式，客户端和认证服务器采用数字证书；EAP-TTLS类型只有认证服务器采用数字证书；EAP-PEAP类型客户端采用用户名和密码，认证服务器采用数字证书。

3 无线局域网安全策略

安全策略就是对WLAN进行安全体系设置，包括设置接入认证、加密和完整性验证的协议和算法等。STA接入AP无线网络需要经历三个阶段：扫描阶段、链路认证阶段和关联阶段，在关联阶段配置用户接入安全策略，包括STA的认证、数据加密和完整性保护，可通过采用WEP、WPA和WPA2安全策略实现。

3.1 有线等效加密WEP策略

WEP(Wired Equivalent Privacy)是1999年通过的IEEE802.11b标准的一部分，用来保护用户数据，IEEE802.11n不支持此加密办法，如果采用此加密方法，无线速率将降低，WEP极其不安全，在实施过程中可采用开放系统认证和共享密钥认证两种方式，开放系统认证过程不需要认证，用户上线后，可以通过配置选择是否对业务数据进行WEP加密；共享密钥认证通过共享密钥认证，通过协商出来的密钥对业务数据进行RC4加密，所有用户共享一个密钥。

3.2 WPA/WPA2安全策略

WPA(Wi-Fi Protected Access)有WPA和WPA2两个标准，WPA 实现了IEEE802.11i标准的大部分，WPA2是IEEE802.11i安全标准组织的区别于WPA的安全性更高的安全标准，在链路认证阶段采用开放认证，在用户接入认证阶段实施WPA/WPA2安全策略。WPA/WPA2分为企业版和个人版，WPA/WPA2企业版采用IEEE802.1X的接入认证方式，利用RADIUS服务器和可扩展认证协议EAP进行认证，在大型企业网络中，通常采用WPA/WPA2企业版的认证方式；WPA/WPA2个人版(WPA/WPA2-PSK)模式，不需要专门的认证服务器，要求在认证双方设备上预先输入一个预共享密钥即可，适合于安全性要求不高的小型无线局域网应用场景。

3.3 WPA/WPA2混合安全策略

由于无线终端的种类多种多样，支持的认证和加密方式也有所差异，为了便于多种类型的终端接入，方便网络管理员的管理，可以使用混合方式配置WPA和WPA2。配置安全策略为WPA-WPA2，则支持WPA或WPA2的终端都可以接入设备进行认证；配置加密方式为TKIP-AES，则支持TKIP加密或AES加密的终端都可以对业务报文进行加密。

无线局域网安全策略分类如表1所示：

表1 安全策略分类表

4 安全策略数据保护流程

通过对多种无线安全策略进行比较分析，无论是加密还是认证以及完整性保护方面WPA2安全策略都是最安全的，也是密码学分析以及实践检验验证的无线领域最安全的技术。本文针对WPA2的工作流程进行分析，了解其原理，加强对其应用的理解。根据不同的应用场景选择个人版或者企业版。

4.1 WPA/WPA2安全认证策略

4.1.1 WPA/WPA2-PSK安全认证流程

WPA/WPA2-PSK认证主要用于个人、家庭与小型SOHO网络，对网络安全要求相对较低，不需要认证服务器。预共享密码可以用ASCII和HEX两种方式来输入，ASCII为字符模式，即输入5个(64bit模式)或13个(128bit模式)字符。HEX模式为十六进制模式，即输入10个(64bit模式)或26个(128bit模式)从0-9及A-F之间的字符。其认证流程如图1所示：

4.1.2 WPA/WPA2-(802.1x + EAP)安全认证流程

STA接入AP过程需要经历两个认证阶段，包括链路认证阶段和接入认证阶段，链路认证阶段采用开放系统认证，接入认证阶段基于IEEE802.1x的EAP协议进行认证，IEEE802.1x是基于端口的接入认证协议，端口可以是物理端口也可以是逻辑端口，既可以用于有线网络也可用于无线网络，它是一种通用架构，它依靠可扩展身份认证协议(EAP)进行认证，需要RADIUS服务器作为认证端，接入认证成功后，客户端生成成对主密钥，通过服务器证书加密发送至服务器端，服务利用私钥解密获得PMK，据此双方协商生成一致的PMK，PMK用于创建实际加密和解密所需的动态密钥即成对临时密钥(Pairwise Transient Key)，采用PTK密钥加密和解密单播数据，如图2所示：

图2 802.1X认证流程图

4.2 WPA/WPA2安全加密策略

WPA默认采用TKIP+RC4安全加密机制，WPA2默认采用AES+CCMP安全加密机制，为保障数据的安全，安全策略设计为EAP链路认证通过之后进行数据加密保护，AES+CCMP进行数据加密保护的流程，如图3所示：

图3 AES+CCMP加密流程图

在认证阶段协商生成PMK密钥并不负责数据的加密传输，PMK作为主密钥用于生成临时密钥PTK，利用PMK交互信息生成PTK的步骤如下：

(1) 认证者AC生成Anonce并向客户端STA发送包含Anonce的EAPOL-Key(EAPOL是基于LAN的EAP协议)消息，其中Snonce、Anonce分别代表客户端和认证者的Nonce，Nonce是防范再注入攻击的随机值；

(2) 客户端产生Snonce，由Anonce和Snonce使用伪随机函数产生PTK，并发送包含Snonce和MIC的EAPOL-Key消息；

(3) 认证者根据Anonce和Snonce产生PTK，并对MIC进行校验，随后发送EAPOL-Key消息，其中包含Anonce、MIC以及是否安装加密密钥；

(4)客户端发送EAPOL-Key消息，确认双方PTK一致且密钥已经安装。

以上步骤称为四次握手生成PTK密钥的过程，PTK作为基本密钥参与加密和解密数据的过程，这样保证每个用户在每次连接网络时都有一个独立的密钥。

PTK密钥是加密的关键要素，利用CCMP+AES算法对数据进行加密和完整性保护，CCMP是WPA2默认的加密方式，以AES算法为核心，目前还没有发现破解方法，CCMP使用密码块链信息认证码(CBC-MAC)来进行完整性验证，WPA2也可选TKIP+RC4算法进行加密和完整性保护，但TKIP+RC4算法安全性远不如CCMP+AES，如果无线终端只支持WEP加密，则升级为TKIP+RC4无需升级硬件，而升级为CCMP+AES可能需要升级硬件。