WIFI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及安全性研究

盛仲飆

（渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)中心，陜西 渭南 714000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展及普及，特別是各種便攜式通信設(shè)備以及各種家用電器設(shè)備的迅速增加，人們?cè)跓o線通信領(lǐng)域?qū)Χ叹嚯x通信業(yè)務(wù)提出了更高的要求。于是，許多短距離無線通信技術(shù)開始應(yīng)運(yùn)而生，以802.11b協(xié)議為基礎(chǔ)的的WIFI技術(shù)便是其中的熱點(diǎn)。被認(rèn)為是無線寬帶發(fā)展的新方向。

WIFI是IEEE定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11）。也可以看作是3G技術(shù)的一種補(bǔ)充。WIFI技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的無線局域網(wǎng)通信技術(shù)[1]。WIFI是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入無線電信號(hào)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度較高，在信號(hào)較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性[2]。但是隨著無線局域網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，其安全問題也越來越受到重視。

1 WIFI技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 WIFI技術(shù)

WIFI（Wireless Fidelity）俗稱無線寬帶，又叫 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)，是IEEE定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE802.11的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，工作在2.4 Hz頻段，最高傳輸率能夠[3]達(dá)到11 Mbps。該技術(shù)是一種可以將個(gè)人電腦，手持設(shè)備等終端以無線方式互相連接的一種技術(shù)。目的是改善基于IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)的無限網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。

WIFI局域網(wǎng)本質(zhì)的特點(diǎn)[2，4～6]是不再使用通信電纜將計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接起來，而是通過無線的方式連接，從而使網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和終端的移動(dòng)更加靈活。

1.2 WIFI技術(shù)的特點(diǎn)

1）無線電波覆蓋范圍廣

基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有15 m，而Wi－Fi的半徑可達(dá)300 m，適合辦公室及單位樓層內(nèi)部使用。

2）組網(wǎng)簡(jiǎn)便

無線局域網(wǎng)的組建在硬件設(shè)備上的要求與有線相比，更加簡(jiǎn)潔方便，而且目前支持無線局域網(wǎng)的設(shè)備已經(jīng)在市場(chǎng)上得到了廣泛的普及，不同品牌的接入點(diǎn)AP以及客戶網(wǎng)絡(luò)接口之間在基本的服務(wù)層面上都是可以實(shí)現(xiàn)互操作的。WLAN的規(guī)劃可以隨著用戶的增加而逐步擴(kuò)展，在初期根據(jù)用戶的需要布置少量的點(diǎn)。當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)，只需再增加幾個(gè)AP設(shè)備，而不需要重新布線。而全球統(tǒng)一的WIFI標(biāo)準(zhǔn)使其與蜂窩載波技術(shù)不同，同一個(gè)WIFI用戶可以在世界各個(gè)國(guó)家使用無線局域網(wǎng)服務(wù)。

3）業(yè)務(wù)可集成性

由于WIFI技術(shù)在結(jié)構(gòu)上與以太網(wǎng)完全一致，所以能夠?qū)LAN集成到已有的寬帶網(wǎng)絡(luò)中，也能將已有的寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用到WLAN中。這樣，就可以利用已有的寬帶有線接入資源，迅速地部署WLAN網(wǎng)絡(luò)，形成無縫覆蓋。

4）完全開放的頻率使用段

無線局域網(wǎng)使用的ISM是全球開放的頻率使用段，使得用戶端無需任何許可就可以自由使用該頻段上的服務(wù)。

1.2 WIFI總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WIFI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由AP和無線網(wǎng)卡組成。AP一般稱為網(wǎng)絡(luò)橋接器或接入點(diǎn)，它是當(dāng)作傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，因此任何一臺(tái)裝有無線網(wǎng)卡的PC均可透過AP去分享有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)的資源，其工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置無線發(fā)射器的HUB或者是路由，而無線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號(hào)的CLJENT端設(shè)備[7]。

圖1 WIFI總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of WIFI

2 WIFI的安全機(jī)制

WIFI安全性主要包括訪問控制和加密兩大部分，訪問控制保證只有授權(quán)用戶能訪問敏感數(shù)據(jù)，加密保證只有正確的接收方才能理解數(shù)據(jù)。為了解決WIFI網(wǎng)絡(luò)的安全問題，2003年WIFI聯(lián)盟推出了WIFI保護(hù)接入（Wi-Fi Protected Access，WPA）作為安全解決方案以滿足日益增長(zhǎng)的安全機(jī)制的市場(chǎng)需求。

2.1 WPA技術(shù)

WPA是無線應(yīng)用協(xié)議 （Wireless Application Protocol）的簡(jiǎn)稱，是一種開放式的全球規(guī)范。有WPA和WPA2兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種保護(hù)無線電腦網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）安全的系統(tǒng)[8]。WPA作為IEEE802.11i的一個(gè)子集，避開了WEP的眾多弱點(diǎn)，可大大增強(qiáng)現(xiàn)有以及未來無線局域網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)的訪問控制水平。WPA可保證WLAN用戶的數(shù)據(jù)受到保護(hù)，并且只有授權(quán)用戶才可訪問WLAN網(wǎng)絡(luò)。

2.2 WIFI網(wǎng)絡(luò)安全策略

2.2.1 加密方式

1）TKIP 加密模式

WIFI無線網(wǎng)絡(luò)目前使用最廣泛的加密模式[8-9]是WPAPSK（TKIP）和 WPA2-PSK（AES）兩種加密模式。 TKIP 的含義為暫時(shí)密鑰集成協(xié)議。TKIP使用的仍然是RC4算法，但在原有的WEP密碼認(rèn)證引擎中添加了“信息包單加密功能”、“信息監(jiān)測(cè)”、“具有序列功能的初始向量”和“密鑰生成功能”等4算法。

TKIP是包裹在已有WEP密碼外圍的一層“外殼”，這種加密方式在盡可能使用WEP算法的同時(shí)消除了已知的WEP缺點(diǎn)。專門用于糾正WEP安全漏洞，實(shí)現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)的加密和完整性保護(hù)。但是相比WEP加密機(jī)制，TKIP加密機(jī)制可以為WLAN服務(wù)提供更加安全的保護(hù)。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①靜態(tài)WEP的密鑰為手工配置，且一個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)的所有用戶都共享同一把密鑰。而TKIP的密鑰為動(dòng)態(tài)協(xié)商生成，每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包都有一個(gè)與眾不同的密鑰。

②TKIP將密鑰的長(zhǎng)度由WEP的40位加長(zhǎng)到128位，初始化向量IV的長(zhǎng)度由24位加長(zhǎng)到48位，提高了WEP加密的安全性。

③ TKIP支持MIC認(rèn)證（Message Integrity Check，信息完整性校驗(yàn)）和防止重放攻擊功能。

2）AES 加密模式

WPA2放棄了RC4加密算法，使用AES算法進(jìn)行加密，是比TKIP更加高級(jí)的加密技術(shù)。AES是一個(gè)迭代的、對(duì)稱密鑰分組的密碼，它可以使用128、192和 256位密鑰，并且用128位（16字節(jié)）分組加密和解密數(shù)據(jù)。與公共密鑰密碼使用密鑰對(duì)不同，對(duì)稱密鑰密碼使用相同的密鑰加密和解密數(shù)據(jù)。通過分組密碼返回的加密數(shù)據(jù)的位數(shù)與輸入數(shù)據(jù)相同。迭代加密使用一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，在該循環(huán)中重復(fù)置換（permutations ）和替換（substitutions）輸入數(shù)據(jù)。

2.2.2 認(rèn)證方式

WPA給用戶提供了一個(gè)完整的認(rèn)證機(jī)制[8，10]，AP根據(jù)用戶的認(rèn)證結(jié)果決定是否允許其介入無線網(wǎng)絡(luò)中；認(rèn)證成功后可以根據(jù)多種方式動(dòng)態(tài)地改變每個(gè)接入用戶的加密密鑰。對(duì)用戶在無線中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行MIC編碼，確保用戶數(shù)據(jù)不會(huì)被其他用戶更改。WPA有2種認(rèn)證模式：1）是使用802.1x協(xié)議進(jìn)行認(rèn)證，即就是802.1x+EPA方式（工業(yè)級(jí)的，安全要求高的地方用。需要認(rèn)證服務(wù)器）；2）是預(yù)先共享密鑰PSK模式（家庭用的，用在安全要求低的地方。不需要服務(wù)器）。AP和客戶端分享密鑰的過程叫做4次握手，過程如圖2所示。

圖2 WPA-PSK 4次握手過程Fig.2 WPA-PSK four handshake processes

1）客戶端STA與無線接入點(diǎn)AP關(guān)聯(lián)；

2）STA需要向AP發(fā)送認(rèn)證消息，在被授權(quán)以前，即使STA與AP始終關(guān)聯(lián)，TSA也不能夠訪問網(wǎng)絡(luò)，只能繼續(xù)向AP發(fā)送認(rèn)證消息，經(jīng)由遠(yuǎn)程認(rèn)證撥號(hào)用戶服務(wù)AP將認(rèn)證消息發(fā)送給后端服務(wù)器來認(rèn)證；

3）客戶端STA利用EAP協(xié)議，通過AP的非受控端口向認(rèn)證服務(wù)器提交身份憑證，認(rèn)證服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)STA進(jìn)行身份驗(yàn)證；

4）如果STA未通過認(rèn)證，客戶端一直被阻止訪問網(wǎng)絡(luò)；如果認(rèn)證成功，則認(rèn)證服務(wù)器通知AP向該STA打開受控端口；

5）身份認(rèn)證服務(wù)器利用TKIP協(xié)議自動(dòng)將主配對(duì)密鑰分發(fā)給AP和客戶端STA，主配對(duì)密鑰基于每用戶、每個(gè)802.1x的認(rèn)證進(jìn)程是惟一的；

6）STA與AP再利用主配對(duì)密鑰動(dòng)態(tài)生成基于每數(shù)據(jù)包惟一的數(shù)據(jù)加密密鑰；

7）利用該密鑰對(duì)STA與AP之間的數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密。

這樣就好象在兩者之間建立了一條加密隧道，保證了空中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母甙踩浴?/p>

2.3 存在問題

WPA—PSK／WPA2—PSK（TKIP、AES）是目前主流的加密方式．但由于TKIP與AES子算法自身的問題。使得WPA也將面臨著被徹底破解的威脅。

用戶在使用無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)

1）對(duì)于自己搭建無線網(wǎng)絡(luò)的用戶，至少要進(jìn)行一些最基本的安全配置，如隱藏 SSID，關(guān)閉DHCP，設(shè)置WEP密鑰，啟用內(nèi)部隔離等。

2）如果安全要求再高一些，還可以啟用非法AP監(jiān)測(cè)，配置MAC過濾，啟用WPA/WPA2，建立802.1x端口認(rèn)證。

3）如果有更高的安全需求，那么可以選擇的安全手段就更多，比如，使用定向天線，調(diào)整發(fā)射功率，把信號(hào)可能收斂在信任的范圍之內(nèi)；還可以將無線局域網(wǎng)視為Internet一樣來防御，甚至在接口處部署入侵檢測(cè)系統(tǒng)。

4）如果您是企業(yè)用戶，千萬不要忘記建立完善的安全管理制度并分發(fā)至員工。當(dāng)您需要在熱點(diǎn)區(qū)域使用無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，您需要能夠您所在網(wǎng)絡(luò)的安全程度，如果認(rèn)定網(wǎng)絡(luò)不夠安全，那么請(qǐng)盡量不要在此網(wǎng)絡(luò)中提交或透露敏感信息，并盡量縮短在線的時(shí)間。

3 結(jié) 論

隨著無線局域網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，安全問題越來越受到重視。WIFI技術(shù)作為WLAN技術(shù)家族中的重要成員，近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)應(yīng)用到生活的各個(gè)方面。文中較詳細(xì)地分析了WIFI網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)WIFI網(wǎng)絡(luò)的安全性做了一定程度的探討，給出了相應(yīng)的結(jié)論。只有加強(qiáng)人為安全方面的控制技術(shù)的改進(jìn)，才可更好加強(qiáng)WIFI安全性。

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