Information & Network信息网络WiFi通信的安全分析刘辛酉信息网络上海交通大学电子信息与电气工程学院 上海 200030摘 要 通过分析当前应用广泛的WiFi技术以及WEP的工作过程，讲述其中存在的安全问题，从发现的缺陷中讲解破解方法，同时简单介绍国产WAPI技术情况。关键词 WiFi；WEP；WPA；WLAN；WAPI；通信安全引言WiFi技术自上世纪末到现在，发展不过十来年，但应用非常广泛。WiFi最初是由1999年成立的WiFi联盟而来，以后变成对无线局域网技术的统称。WiFi技术自开始到现在已经经历了多个版本，包括从最早的到后面的，，，，。所以现在所说的WiFi技术代表的就是协议体系。但目前为止，应用最广泛的仍然是 协议和协议的通信结构WiFi技术的定义其实只涉及数据链路层的MAC子准的模块。其他多种电子设备如PDA、PSP、部分手机层和物理层，上层协议和的定义都遵守。对都能支持WiFi。有了WiFi确实方便了不少。在家里，于数据安全性，WiFi技术中更多使用的是WEP和WPA不需要布置繁琐的网线，就可以将笔记本放置在家中任加密方法来实现对网络访问的验证和数据的加密，虽然何地方上网；在咖啡吧里，可以一边喝咖啡一边免费上这些定义的加密方法是可选的，但用户更多选择的是使网；开会时不需要为没有够用的网线及接口而烦恼。用WEP方法。对于的WEP加密，具体是如何实虽然WiFi应用广泛，但也有很多令人担忧的安全现破解的呢？下文详细讲述。问题。2 WEP分析1 WiFi技术简析WiFi技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家 WEP介绍WEP(Wired Equivalent Privacy) 算法在庭中使用的短距离无线技术，主要应用于局域网中。协议中是一种可选的数据链路层安全机制，用来进行访除个别版本使用5GHz附近频段外，WiFi技术主要使用问控制、数据加密等。附近频段。当前应用的协议版本，更多当无线工作站请求访问AP(Access Point)时，首先的功能是对有线网络的延伸。图1是协议栈及其[2][1]必须通过AP的访问认证。认证过程如图2所示。无线在实际使用中的简单对照。信息通信技术50
工作站发出认证请求，AP收到请求后生成随机内容，对于需要传输的帧，由帧头和载荷组成。WEP加密[4]将该内容发送给无线工作站并要求无线工作站将这部分操作的全过程如图5所示，而解密过程与加密过程一内容加密后传回。无线工作站将使用WEP进行加密，样，仅在解密后需要核对ICV的正确性。WEP对其载荷然后将加密数据传回AP。AP接收到工作站的响应后，进行保护，主要分成4个步骤。同样使用WEP对数据进行验证。如果无线工作站的响应内容被AP验证通过，则该工作站通过验证并可以随[3]后进行通信连接的建立，否则验证失败拒绝连接。 AP无线工作站认证请图4 协议底层协议结构求生成随机内容挑战客户端战挑使用RC4算法加密挑战数据响应解密响应内容，提取出挑战内容验证内容是成功认证确认否正确图2 共享密钥访问认证中的消息过程在通信链路正确建立完成后，即可传输数据，传输的数据内容仍将通过WEP来加密和解密。在发送方，数据通过WEP使用共享的密钥进行加密，在接收方，加密了的数据通过WEP使用共享的相同密钥进行解密。如图3所示。图5 WEP加密操作过程1) 对于需要传输的帧，先进行完整性效验序列计算，使用CRC算法生成32位的ICV完整性效验值，将载荷和ICV组合在一起作为将被加密的数据。2) WEP的加密密钥分成两部分，一部分是24位的图3 WiFi数据流动过程初始化向量IV，另一部分就是私密密钥。由于相同的密仔细看协议，WEP加密发生在数据链路层钥生成的帧密钥流是一样的，所以使用不同的IV来使生中的媒体访问控制子层之上，逻辑链路控制子层之下，成的帧密钥流不同，从而可用于加密不同的需要被传输如图4所示。协议与协议相比，两者的不同的帧。之处在于图中虚线所框。对于上层及物理层、信号编码3) 生成的帧密钥流长度和被加密内容的长度是一等，由于和内容加密无关，暂不去讨论。样的，该密钥流作为RC4加密算法的密钥，使用RC4算法对帧载荷进行加密。 WEP工作过程具体来说，WEP的加解密是在MAC子层进行的。4) 解密的时候，先进行帧的完整性效验，然后从2009 0451Information & Network
中取出IV和使用的密码编号，将IV和对应的密钥组合 ICV篡改成解密密钥流，再通过RC4算法应用于已加密的载荷CRC-32算法是一种用于检测传输噪音和普通错误上，就能解析出载荷以及ICV内容。对解密出的内容再的算法。它是信息的线性函数，可以被攻击者篡改加密用步骤1)的方法生成ICV'，比较ICV'和ICV，如果两信息，并很容易地修改ICV使数据包合法。信息网络者相同，即认为数据正确。 RC4算法缺陷RC4是当前最流行的加密方式之一，在许多应用程 WEP的数据格式经由多层处理后，最后MAC子层将产生最终需要序中得到采用。它是一个流加密系统，包括初始化算法加载到物理信道上进行传输的帧。其中可以了解到各层和伪随机数密钥流生成算法两部分。RC4的基本原理在[5-6]的基本数据单元结构，以及它们组成的形式。如图6于“搅乱”。初始化过程中，密钥(由IV和密钥组成)的和图7所示。其中图6中的帧数据部分仅参考了IP数据包主要功能是将一个256字节的初始数簇进行随机搅乱，的格式。不同的数簇在经过伪随机数密钥流生成算法的处理后可以得到不同的密钥流序列，将得到的伪随机数密钥流和明文进行异或运算就可以得到密文。同样的原理也可对密文进行解密。由于RC4算法加密采用异或方式，所以一旦伪随机数密钥流出现重复，密文就可能被破解。设P和P是两段明文，分别使用密钥流12和进行加密，得到密文C1和C。2图6 帧结，当时。可见，在密钥流相同时，只要知道P，P，C，C1212中的任意三者，就能得到第四者。对于RC4算法，对于相同的密钥和IV所生成的伪随机数密钥流是唯一的。而在WEP中IV是明文传输，非常容易获取，同时WEP允许IV重复。这使得攻击者可以利用这一特点欺骗其他客户端接收或发送一条能实现预测的消息P，攻击者就可图7 MAC帧头部及帧控制结构1对于经过WEP加密的帧，其帧头的WEP段将被置以随后拦截到该条消息加密后的密文C1。这样攻击者为1，而帧的数据部分也会因为IV和ICV的加入被扩展8就可以对网络中的其他任何密文Cx进行解密操作，还个字节。由于帧头部分的内容并未进行加密，可以被攻原成Px。同时在WLAN中定义的若干协议规范，已包击者用来识别合法的客户端MAC地址。含若干已知的值(如IP头，IPX头，SNAP头等)。根据这些，攻击者能够从加密的数据中推算出部分密码，再逐3 WEP的缺陷步推算密码其他部分。综合前面对WEP这种通过共享密钥来对数据加密 IV容易碰撞的算法，仔细分析后可以看出，WEP中存在不少安全IV在WEP中的功能是使RC4算法在使用相同的密隐患。钥生成的伪随机数密钥流不重复，而用以作为“数据包信息通信技术52
加密密钥”。所以可简单认为，在知道用户密钥的情况攻击者使用密码字典进行攻击，对于这类频繁的非法连下，WEP其实是使用IV来加密数据包的。根据WEP体接请求，WEP并不做处理。而结合第点的特点生成制，发送人使用IV加密数据包，接收人也必须知道这个的字典，幸运地话也可以在较短的时间内破解出大多数24IV才能解密数据。WEP标准中的IV长度为24bits。而2WEP密钥。这需要结合社会工程学的弱密码学。仅有约160万个。这使得最多约160万个数据包后，将会 缺少对数据包的身份验证重复IV。重复的IV可以被攻击者根据RC4的缺陷用来由于没有针对数据包的身份验证机制来确定每个数解析密文。有人会说160万个数据包，可是非常多了，据包的来源，这样导致非法客户端发出的数据，也会被即使按照每个数据包1500字节进行计算，有近24G字节AP所接受。虽然在AP管理端有一项MAC过滤，可以的通信量，等待IV的重复需要多大的耐心啊。其实在通通过该功能限制非法MAC地址的访问，但MAC地址是信频繁的WLAN中，这个数值并不大。有人说过“考可以被修改的，很容易伪造成合法客户端机器。虑到随机性的本质，只需传输不到1万个包，就可能会在攻击者攻击的时候，由于有的网络通信流量非常开始重复”。也就是说传输十多兆的文件或数据，IV少，这就导致不能拦截到足够多的信息来分析出密钥。就会出现碰撞。对于此点，笔者已经在自己编写的程序这个时候攻击者可以采用主动攻击的方式，拦截一个合中进行过验证，虽然实际中并没在那么少的数据包中重法客户端的ARP请求包，随后攻击者向AP不断重放这复，但是6万内的数据包却出现过重复。个ARP请求包，在允许IV重复的基础上，AP会在接收到ARP请求包后回复客户端。这样攻击者就可以收集 密钥管理机制缺乏WEP没有密钥管理机制，只能通过手工方法对AP到更多的IV。获取ARP请求包也是非常简单的，使用和工作站配置分发新的密钥。实际应用中，由于更换密无线欺骗的方法强制合法客户端和AP断线，在随后重钥比较麻烦，密钥并不经常被更换，所以很长一段时间连的过程中就有机会获得ARP请求包。内密钥都是不变的。这样，如果WLAN中一个用户丢 WEP安全现状失密钥，则会殃及整个网络的安全。当今，网络上有多种利用WEP的各种漏洞缺陷进行解密的工具，如Aircrack，WEPCrack， 用户密钥的隐形缺陷由于WEP的密钥标准中要求用户输入的密钥长度等。它们都能在高效地拦截到足够多的数据信息的前是固定的——40bits或104bits。如果用户选择64位加提下，快速解析出WEP的用户密钥，信息量越多，速密方式，则提示用户输入5位字符或者10位十六进制符度越快。著名的BT系统尤其集成了完整的无线破解工号。如果用户选择128位加密方式，则提示用户输入13具，现在已经发布了BT4 beta版本。这些工具在利用位字符或者26位十六进制符号。这都是为了使密钥长度漏洞推测密钥的基础上，还集成了复杂的算法来帮助缩都能达到规定尺寸。一般用户在使用的时候，大多会选短破解时间，减少数据资源积累量。择64位加密方式，而输入的内容多数是5位的字符。因在解决由于WEP的缺陷所带来的安全问题上，为不同的用户都有自己的一套密码设置习惯，如果要求“外套”技术被提出来。“外套”技术的软件加密方用户恰好输入指定长度的密钥，由于惰性，大多用户法可以将一些没有实际意义的无线数据包混杂在WEP为了设置成功往往使用占40bits的5位字符，即便使用数据包中，从而使攻击者在截获足够的数据信息后仍10位十六进制符号也是简单的组合。在笔者破解的众多然无法分析出WEP的加密密钥。由AirDefence公司提WLAN密钥中，就体现出这个问题。供的新的外套技术，可以帮助那些大量使用便携式收款机、条码扫描器或零售网点终端和手持VoIP设备的 未定义非法访问处理机制在WEP中未定义对非法访问的控制和处理，如若用户，在他们常规产生的网络数据流中，AirDefense的2009 0453Information & Network
WEP外套模块可创建假数据流，使WEP密钥不同于实中发布。它是针对存在的漏洞际WLAN客户端和接入点使用的WEP密钥，从而使攻和隐患，利用基于数字证书的双向认证，在客户端和无击者破解的密钥无效，使用户的数据得到一定程度上的线接入点之间建立一个相互验证的方法。WAPI使用已有效保护。经ISO/IEC批准的0x88B4作为以太类型号。信息网络另外，也有如动态密钥等方案来对WEP进行改WAPI包括WAI(WLAN Authentication 善，但这些并不能从根本上解决问题。Infrastructure)和WPI(WLAN Privacy Infrastructure)两部分。前者负责认证，采用基于椭圆曲线的公开密钥4 WPA证书体制，无线客户端和计入点通过认证服务器进行双虽然说WEP之后有更安全的WPA和WPA2的加密向身份鉴别。后者负责加密，采用国家商用密码管理委技术，避开了WEP中的众多弱点，但是安全攻击和防员会办公室的对称密码算法进行加密和解密。范本就是天生一对，没有无坚不摧的矛，也没有坚韧无图8介绍WAPI(2006)中无线工作站(STA)接入网[7]比的盾。WPA的加密方式需要四次握手，使用了多至络鉴别的过程，与2003年发布的版本对比，可以看48位的IV，防止IV重复，MIC信息编码完整性机制以到在单播密钥协商阶段有很大的改变。曾经由STA发及动态密钥管理机制等一系列的规则来加强通信安全。起的密钥协商请求更改为由AP发起密钥协商请求，同[8]其具体细节本文不予分析。时加入了对所协商密钥的确认。估计这点是考虑到鉴于WPA比较完善的密码体制，并不能通过破解AP可能被非法STA进行DoS攻击而进行的改善。虽然WEP的方式来进行破解，但是由于在WPA的四次握手WAPI(2006)相对2003版本有诸多完善，但在证书鉴定包中包含和密码有联系的信息，可以依靠这个信息来进和密钥协商过程中仍存在安全缺陷，可被攻击者利用进[9]行字典攻击。在这里成功破解出信息，关键依赖良好的行被动攻击和反射攻击。由于篇幅原因这里不做深入字典。良好的字典依赖对弱密码的分析以及对曾出现过探究。的强密码的收集，当然运算速度也是关键环节。当前，已经公布的破解WPA的工具有一家俄罗斯软件公司出品的Elcomsoft Wireless Security Auditor(EWSA)软件，宣称可以利用GPU的运算性能快速攻破WPA-PSK和WPA2-PSK密码，运算速度比使用CPU可提高上百倍，密码尝试速度可达到5万2 400个每秒。5 WAPI简介WiFi暴露的众多安全问题，是为什么中国大陆地区不支持甚至禁止WiFi手持设备进口的原因之一。中国并不是不清楚WiFi所能带来的便利，所以极力推出自己研发的W图8 WAPI(2006)中STA接入鉴别流程图API技术。WAPI(WLAN Authentication and Privacy Infrastructure)，即无线局域网鉴别与 WAPI面临的现状保密基础结构，于2003年在中国无线局域网国家标准从1992年开始研究WAPI标准到发布，再到国际信息通信技术54
标准的申请，一直受到标准阵营的重重阻源码中拾取。对于非web页面程序，道理也是一样，密挠。可喜的是，2006年3月7日，WAPI产业联盟成立大码不能轻易暴露在密码框中，即使以星号等符号遮掩也会在北京召开，WAPI产业联盟正式成立。当前，国内不行，否则类如Peekpass的软件将使之“原形毕露”。众多芯片企业纷纷支持WAPI，国外WLAN芯片企业密码简单多是由于用户懒惰所造成的。当然这也也逐步转变了对该标准的态度，纷纷跟进WAPI标准是有很多客观原因，在当今Internet盛行的年代，哪个和技术并推出相应芯片产品。今年4月中旬，工信部宣人头脑中不是记着一大堆的账号和密码，比如邮箱、论布以后国内所有2G、3G手机都可以支持WAPI技术。5坛、网站、银行卡、计算机用户。想象一下自己拥有月，工信部在政策上已允许内置WAPI/WiFi双接入的的众多账号密码，如何能熟记于心呢？可能多数人对于手机入网，同时这可能也是WiFi在中国获得发展的一这些密码的设置都已经有自己的习惯了，比如使用统一个新的机遇。尤其是在最近的国际标准组织ISO/IEC 密码、密码结构一致，这样的习惯同样也成为了安全威JTC1/SC6会议上，WAPI首次获得包括美、英、法等胁。在当其中一个密码泄露后，根据各种关联性，其他10多个与会国家成员体一致同意，将以独立文本形式推密码很可能会被猜测出，另外相信有的人会使用计算机进其为国际标准。中的记事本等工具进行统一记录和保管，而WiFi网络虽说WAPI在认证、加密方面都弥补了当前的WiFi被攻陷时，这些密码信息就很容易被窃取，因为毕竟不通信中的不足，而且使用了较新的算法，目前也未发现是每个人都是电脑高手能够使自己的计算机足够安全。任何算法上的缺陷，但是谁也不能保证当前安全的算法同时在突破一个网络后，就可以轻易截取到通信不存在没有发现的缺陷，就好比WEP从诞生到发现弱网络中的数据。更多的账号，更多的密码都可能暴露其点花费了5年时间，而后2年才发现其致命弱点。只有经中，尤其是上层明文传输的通信数据，如MSN。关于过时间和市场的考验，才能证明体制的合理性和算法的如何从多种即时聊天工具中获取敏感信息，并深入分析健全性。希望WAPI在给人们带来便捷和安全的道路上来达到舆情分析和监控的效果，笔者将另文专门讨论。走得更远。7 小结6 常规安全问题虽说WEP有众多安全问题，但是WLAN中使用在使用WLAN中，虽然面临着众多安全问题。但WEP加密仍占大多数，而且当前使用中的设备基本都有些问题仍然可以通过用户主观行为来避免或降低威支持WEP，正在不断生产及以后将生产出的设备仍然胁。从笔者开始研究WEP、WPA解密到现在破解的数都是支持WEP的；同时IEEE的协议保持后向兼十个WLAN网络来看，多数密码都非常简单，而且多容问题，WEP仍得以继续；所以WiFi技术在安全性能有实际含义；同时这些密码从笔者破解后至今，从未更上的整体升级仍有一段路。改过；所以用户需要使用复杂点的密码，并经常更换密通信安全一直存在于整个通信网络中。在无线通信码，以增加被攻击的难度。中，安全问题尤为突出，如何解决好WLAN中的通信另外笔者还轻易进入到其中的数个路由器，原因是问题，需要做大量的工作从根本上避免算法中的缺陷并设置的密码太简单，如账号是admin，密码也是默认的保证体制的健全。admin。根据不同类型的AP型号就能简单猜测出账号8 参考文献和密码，进入路由的管理页面，宽带账号和密码就已经暴露在攻击者的视线中了。建议路由器生产商，不能将[1]Yan 与 NC&IS[EB/密码显示在web页面中，否则宽带账号密码将很容易从OL].[2009-05-20]. 0455Information & Network
webCourse/ppt/[6]Gorry Fairhurst. IEEE Logical Link [2]Sheila Frankel. Establishing Wireless Control. Internet Communications Engineering Robust Security Networks: A guide to IEEE - A Tutorial[EB/OL].[2009-05-20]. [M], NIST, Barken. Wireless Hacking:Projects for lan-pages/-Fi Enthusiasts,Syngress,[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总[4]Matthew S Wireless Networks 局.-2003-XG1-2006, 2006The Definitive Guide[M]. Beijing：O’Reilly, [8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总2005局.-2003, 2003[5]Mauri Kangas. Overview of Networks [9]吴柳飞,张玉清,王凤娇.一种新的WAPI认证和密and Standards. 钥交换协议[J],计算机工程,2008,34(8):164-166作者简历刘辛酉上海交通大学电子信息与电气工程学院工程硕士，研究方向：通信安全、软件开发。Security Analysis in WiFi CommunicationsLiu XinyouShanghai Jiao Tong University, Shang hai 200030, ChinaAbstract This paper analyzes the WiFi technology which is widely used and the process of WEP. Based on this, some security issues and limitations are pointed out. Then this paper brings out methods of WEP cracking. At last, the situation of domestic WAPI technology is briefly WiFi; WEP; WPA; WLAN; WAPI; Communication Security信息通信技术56
