WPA/WPA2協(xié)議安全性分析

房沛榮　唐剛　程曉妮

摘要：無線局域網(wǎng)在給人們的日常生活帶來便利的同時，也增加了通信的不安全性。為了克服WEP協(xié)議固有弱點給無線網(wǎng)絡帶來的諸多安全性隱患，Wi-Fi聯(lián)盟提出了WPA/WPA2協(xié)議來替代WEP協(xié)議。本文主要對WEP、WPA/WPA2兩種無線局域網(wǎng)通信協(xié)議加密過程進行了研究，并從數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、身份認證等方面詳細分析了WPA/WPA2協(xié)議所做出的改進。最后文章還對WPA/WPA2的攻擊方式做了簡單介紹。

關鍵詞：無線局域網(wǎng)；WPA/WPA2協(xié)議；WEP協(xié)議

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

0 引言

隨著近年來筆記本電腦、平板電腦、智能手機的普及，無線局域網(wǎng)作為無線寬帶通信的一種，近些年發(fā)展極為迅猛。據(jù)wifi聯(lián)盟估計，全球已經(jīng)有10%的人使用無線局域網(wǎng)進行通信。無線局域網(wǎng)在為人們提供便利的同時，安全問題也隨之日漸突出。近年來，由于使用無線局域網(wǎng)的原因而造成經(jīng)濟損失的案例也常常見諸各種新聞媒介。有線對等加密協(xié)議作為第一代無線局域網(wǎng)協(xié)議，并沒有很好地解決無線局域網(wǎng)的安全問題，WPA/WPA2（Wi-Fi網(wǎng)絡安全存?。﹨f(xié)議繼承了WEP協(xié)議，并且彌補了WEP協(xié)議的設計缺陷和漏洞，保護了無線網(wǎng)絡的安全。

1 WEP協(xié)議、WPA/WPA2協(xié)議

1.1WEP協(xié)議

WEP協(xié)議是運用在數(shù)據(jù)鏈路層的加密協(xié)議，采用電子信息領域常用的RC4加密算法。WEP協(xié)議的加密過程如下：①運用CRC-32s算法將計算出完整性檢驗值ICV，并將值附加在明文的尾部；②首先用24位的初始化向量IV和40位密鑰K混合成密鑰流種子，再用偽隨機序列產(chǎn)生器PRNG生成密鑰流；③將明文和密鑰流異或相加生成密文。

WEP加密過程如圖1所示。

1.2WPA/WPA2協(xié)議

WPA采用的加密算法是臨時密鑰完整協(xié)議（TKIP）RC4加密算法，該算法繼承了WEP協(xié)議的加密原理，但是在WEP的加密原理上做出了巨大改進，彌補了WEP的缺陷，極大的提高了數(shù)據(jù)加密的安全性。WPA2協(xié)議與WPA協(xié)議非常相似，兩者唯一的區(qū)別是WPA2算法采用了高級加密標準（AES）MJ。WPA協(xié)議的整個加密過程如下：

1.生成MSDU

WPA協(xié)議在計算消息的完整性校驗碼時，使用了MSDU明文數(shù)據(jù)、源地址、目標地址和臨時密鑰等多種信息，并用該校驗碼取代了在WEP協(xié)議中使用的ICV，同時WPA將計算得到的MIC值附加到MSDU生成傳輸?shù)男畔?，在MSDU較長時，協(xié)議可以將MSDU分為若干個子段。

2.生成WEP種子

在上一階段中，由臨時密鑰（TK）、發(fā)送方地址（TA）和序列號口（sc）生成了臨時混合密鑰（TI'AK）。本階段中，再由TTAK、TSC和TK雜湊為WEP種子密鑰。

3.封裝WEP

在本階段中，協(xié)議將上階段生成的WEP種子密鑰分成WEP IV和RC4算法密鑰兩部分。其中使用RC4算法密鑰生成密鑰流，然后將生成的結果與MSDU相異或生成密文MSDU并將IV附加尾部形成MPDU。

WPATKIP加密過程如圖2所示。

1.3 WEP、WPA、WPA2兩種協(xié)議的對比

WPAlVJ協(xié)議在WEP協(xié)議的基礎上做了眾多改進，本文主要從數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、身份認證等方面對兩個協(xié)議進行對比介紹。

1.3.1數(shù)據(jù)加密方面

在WEP協(xié)議中，使用的加密算法是RC4加密算法，在該算法中存在部分弱密鑰，使得子密鑰序列在不到100萬字節(jié)內(nèi)就發(fā)生了完全的重復，如果是部分重復，則可能在不到10萬字節(jié)內(nèi)就能發(fā)生重復。大量弱密鑰的存在，這將導致生成的密鑰序列中有相當數(shù)量的序列位僅由弱密鑰的部分比特位所決定，這個規(guī)律使得該算法被破解的難度大大降低。再加上RC4算法中以明文進行通信，這使得密文很容易被攻擊者破解。另外，在WEP協(xié)議中，算法需要使用手動方式將密鑰寫入WLAN的設備中，因此在同一個WLAN中，沒有自動密鑰管理機制，客戶和接入點使用同一個單一密鑰。

在WPA協(xié)議中，采用的臨時密鑰完整性協(xié)議TPIK（Temporal Key Integrity Protocol）、802.1x和可擴展認證協(xié)議（EAP）。其中TPIK協(xié)議使用的密鑰序列的保密性大大增強，雖然在WPA協(xié)議中依然使用RC4算法，但是在RC4算法的基礎上進行了改進，使得數(shù)據(jù)封裝的形式更為復雜，密鑰長度也由40位增長至128位，在分發(fā)時也由密鑰認證服務器動態(tài)的進行認證與分發(fā)。同時，TPIK協(xié)議還使用了密鑰分級技術以及先進的密鑰管理方法，從而大大增強了密鑰的保密性。除此之外，TPIK還使用了802.1X和EAP認證機制增強加密的安全性。在用戶完成認證服務器中的認證后，服務器使用802.1x生成一個唯一的主密鑰，TPIK將主密鑰分別發(fā)送到客戶機和AP，在會話期間，每個被傳遞的數(shù)據(jù)包都采用一個唯一的密鑰來完成加密工作，從而建立起密鑰分級及管理系統(tǒng)。TKIP的應用，使得每個數(shù)據(jù)包在加密時可以使用的密鑰數(shù)量達到數(shù)千萬個，有效的解決了WEP協(xié)議中加密算法密鑰過短、靜態(tài)密鑰和密鑰缺乏管理等問題。

1.3.2數(shù)據(jù)完整性

在WEP協(xié)議中，使用了32位循環(huán)冗余校驗（CRC），但是CRC的計算復雜度是線性的，這個特點很容易被攻擊者應用。在修改數(shù)據(jù)幀的同時，修改相應的CRC位，很容易通過算法的完整性校驗。

而在WPA協(xié)議中，使用的是信息完整性代碼MIC（Message Integrity Code）來防止入侵者對數(shù)據(jù)幀的修改，該機制中，發(fā)送端和接收端都會對MIC值進行計算并比較，如果算法發(fā)現(xiàn)計算值與獲得值不相等，則認為數(shù)據(jù)幀被惡意篡改，然后將當前的數(shù)據(jù)包丟棄并重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣使得數(shù)據(jù)包被篡改的概率大大降低。

1.3.3身份認證方面

在WEP協(xié)議中，沒有對用戶的身份認證進行明確定義，在實際應用中，一般將WEP的共享密鑰作為用戶身份驗證的密碼，但是這種認證是基于硬件的單向認證，有可能受到硬件的威脅，同時也有被拒絕服務攻擊的風險。

在WPA協(xié)議中，有效的避免了上述問題，在該協(xié)議中使用了兩種認證方式。第一種是802.1x+EAP的認證方式，用戶向服務器提供認證所需憑證，例如可以使用用戶密碼并通過特定的認證服務器來實現(xiàn)，這種方式需要使用一臺特定的服務器，價格較為昂貴。另外一種方式是WPA-PSK，這種方式是對802.1x+EAP的簡化，在802.1x+EAP中，802.1x是基于端口的網(wǎng)絡訪問控制協(xié)議，要求用戶必須在完成身份認證后才能對網(wǎng)絡進行訪問，802.1x協(xié)議除了需要進行端口訪問控制和身份認證以外，還需要動態(tài)的進行密鑰管理。在802.1x協(xié)議中，使用EAP作為認證協(xié)議，EAP定義了認證過程中的消息傳遞機制，802.1x認證過程主要分為以下幾個步驟：

在AP偵測到一個客戶端后，AP將向客戶端發(fā)送一個EAPOL格式的EAP Request-ID信息。

在客戶端收到該信息后，向AP返回一個含有用戶ID的EAPOI，該信息將被封裝成RADIUS請求數(shù)據(jù)包，傳送至骨干網(wǎng)上的RADIUS服務器。

然后進行EAP認證，在服務器支持下，消息在客戶端和RADIUS之間進行中繼，在客戶端使用EAPOL協(xié)議，而在服務器端使用RADIUS協(xié)議。

在完成EAP認證后，RADIUS服務器發(fā)出一個包含有EAP標志的RADIUS數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包將被傳送到客戶端。如果RADIUS服務器通過了客戶端的認證，所請求的端口將被開放給客戶端。

在WPA-PSK方式中，實現(xiàn)方式將被大大簡化，僅僅要求在每個WLAN節(jié)點預置共享密鑰即可。只要客戶端的密鑰與服務器端的相吻合，客戶端就可以獲得網(wǎng)絡的訪問權。同時這個密鑰僅僅使用于認證過程，并不會在預共享認證過程中產(chǎn)生嚴重的安全問題。

綜上，WPA協(xié)議綜合使用了802.1X、EAP、TKIP和MIC安全協(xié)議。負責接入認證的802.1x和EAP協(xié)議與負責數(shù)據(jù)加密及完整性校驗的TPIK和MIC協(xié)議一起，實現(xiàn)了WPA協(xié)議在應用中極強的可靠性。

事實證明，WPA/WPA2具有很高的安全性，算法方面沒有明顯漏洞，只要用戶不采用非常簡單的弱密碼，想要通過遍歷密碼表進行暴力破解是非常困難的。目前的主要攻擊手段是通過遍歷密碼表進行暴力破解，這種方法在用戶密碼比較復雜的情況下非常耗時，而且，通常會達到天文數(shù)字般的時間長度，攻擊者的破解成本過于高昂，使得WPA/WPA2的破解實際上不可行，有效地保證了安全性。

2 破解

在現(xiàn)實中，黑客仍然可以利用WAP/WAP2的一些弱點，對其進行攻擊，破解WIFI的密碼。要破解WPA/WPA2，需要獲得預共享密鑰模式下的預共享密鑰PSK或認證模式下的主會話密鑰MSK，在各種攻擊中暴力破解攻擊可以獲得PSK或MSK。在實際應用中，很多無線局域網(wǎng)都采用預共享密鑰模式，因此，在暴力破解中WPA/WPA2-PSK暴力破解尤為重要。WPA/WPA2-PSK暴力破解器作為一種自動化的暴力破解，使WPA/WPA2-PSK的黑客軟件應運而生，如Aircrack-ng和Cowpatty，但傳統(tǒng)的WPA/WPA2-PSK暴力破解器僅采用單機單核進行破解，破解速度有限，提高WPA/WPA2-PSK的破解速度，成為破解密碼需要解決的重點問題。俄羅斯軟件公司ElcomSoft推出一款單機軟件Wireless Security Auditor，利用GPU的運算性能提升WPA/WPA2-PSK的暴力破解速度，由于是商業(yè)軟件，因此實現(xiàn)細節(jié)未公開。該WPA/WPA2-PSK暴力破解器僅利用了單機的計算資源。開源Pyrit是專門的WPA/WPA2-PSK破解工具，支持多核心CPU和GPU，基于Python語言開發(fā)。該暴力破解器的最新版本引入了網(wǎng)絡核心概念，將網(wǎng)絡上的協(xié)作破解機器作為本機外的另一個計算核心，但用于分布式破解時要在破解的同時傳輸PSK List，網(wǎng)絡開銷較大。ZerOne安全團隊使用分布式來建立大型WPA Hash Table，使用分布式計算結合WPA Hash Table來進行WPA/WPA2加密數(shù)據(jù)包的破解，破解速度可以輕易地超過80萬key/秒。

在WPA/WPA2-PSK模式中，通信雙方采用PSK。首先通信雙方通過PBKDF2函數(shù)和基于哈希的消息認證碼——安全哈希算法，將PSK轉化為成對主密鑰PMK。接著通信雙方借助4次握手和PRF-X函數(shù)將PMK轉化為成對臨時密鑰PTK，進而將PTK映射為EAPOL（EAP Over LAN）密鑰確認密鑰KCK，EAPOL密鑰加密密鑰KEK和臨時密鑰TK，對于TKIP協(xié)議，TK還進一步映射為TK、AP到STA的M1C密鑰和STA到AP的MIC密鑰。

4次握手通過EAPOL一密鑰幀完成。

破解步驟如下：

攻擊者被動偵聽AP與STA之間的通信，獲得4次握手包和AP的ssid，也可用deauthentication攻擊加速此過程。

捕獲握手包后進行離線攻擊。窮舉每個可能的密鑰，利用ssid，計算PMK。

分析握手包1和2，得到ANonee、SNonee、AA、SPA，與上一步得到的PMK計算出PTK的前128 bit KCK即可。

根據(jù)EAPOL-密鑰幀中的密鑰描述符類型字段決定消息認證算法，使用上一步得到的KCK，計算消息2的MIC值，與捕獲的消息2的MIC值比較，相同則表明密鑰猜測正確，否則，繼續(xù)嘗試下一個可能密鑰。

3 總結

數(shù)據(jù)加密是增加無線網(wǎng)絡安全的一種有效方法，WPA的出現(xiàn)為現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品提供了一個簡便的升級途徑，可以通過對軟件和硬件的升級來加強信息的安全加密和網(wǎng)絡接入控制。與WEP協(xié)議相比，對WPA/WPA2協(xié)議破解的難度有了很大提升，WPA目前沒有加密體質(zhì)的缺陷可以被利用，但是仍可以通過常規(guī)的字典攻擊法破解WPA的密碼。包括了高級加密標準AES（Advaneed EncryptionStandard）等安全特性的802.11i無線網(wǎng)絡安全協(xié)議將在未來成為WLAN的規(guī)范，為Wlan提供更加安全的協(xié)議。