無線區(qū)域網(wǎng)絡架構中有線等效保密算法安全性分析

◆馬天午 李建宇 竇浩

（河北蘭科網(wǎng)絡工程集團有限公司 河北 065000）

隨著信息科技的發(fā)展日新月異，再加上信息設備的價格大幅降低，不論是在辦公室或一般家庭，計算機已成為非常重要的工具。而網(wǎng)絡的發(fā)展更使信息的傳遞更加便捷與迅速，在政府機關或企業(yè)內(nèi)部，區(qū)域網(wǎng)絡的建立不只使訊息的傳遞更加方便，也達到了檔案交換和資源共享的目的，使生產(chǎn)力大幅提升。在無線區(qū)域網(wǎng)絡的發(fā)展過程中，雖然有不同的組織或廠商提出不同的通信協(xié)定標準，但IEEE 802.11 系列的無線區(qū)域網(wǎng)絡標準，可說受到最多生產(chǎn)廠商的支持，各廠商也預測大部分的無線區(qū)域網(wǎng)絡將采用 802.11 為通信協(xié)議，提供客戶穩(wěn)定而廉價的無線區(qū)域網(wǎng)絡傳輸服務。

1 IEEE 802.11 的認證與保密

認證（Authentication）的目的是確認對方身份的合法性，以免與身份不明的對象溝通，泄漏了重要的機密。也就是雙方進行通訊的前，必須先經(jīng)過認證的程序。IEEE 802.11 提供兩種認證的服務－開放系統(tǒng)式（Open System）及共享鑰匙式（Shared Key）。前者是IEEE 802.11內(nèi)定的認證方法，不過工作站提出認證要求時可指定要采用哪種方式進行雙向認證。

2 有線等效保密算法

2.1 WEP 運作原理

所謂加密即是將原來傳送的資料，經(jīng)過一特定的運算過程，將原來的訊息隱藏起來，必須再經(jīng)過相對的運算稱作解密，才能還原。在這里尚未經(jīng)過加密演算的資料，稱為明文（Plaintext，簡稱P），經(jīng)過加密演算的資料稱作密文（Ciphertext,簡稱 C）。在密碼算法（cryptographicalgorithm）定義了一組相對的加密函數(shù)（Encryption function，簡稱E）和解密函數(shù)（Decryption function，簡稱D），加密函數(shù)和解密函數(shù)的算法可以是相同也可以完全不同，在近代的密碼學中，加解密多采用鑰匙（Key）的方式來運算，即是加密函數(shù)和解密函數(shù)都在算法中加入Key，函數(shù)的算法則是公開的，只有將Key 保留，換言之，竊聽者如果能得到Key，就能將密文完全破解。

2.2 WEP 的架構

一個經(jīng)WEP 加密的訊框在資料（Frame Body）部份，是由初始矢量（IV）4 個位元組、密文大于1 個位元組和完整性檢查碼（ICV）4 個位元組組合而成。

初始矢量（IV）事實上包3 個位元組（24 bits）的初始矢量和1個位元組鑰匙選擇字節(jié)合。

IV 的產(chǎn)生方式可由工作站或擷取點在傳送時隨機產(chǎn)生或采用計數(shù)器循序產(chǎn)生，802.11 標準并沒有定義，可由設計者自行設計。WEP中最多可以定義四組KEY，在傳送時再由鑰匙選擇位元指定由第幾組KEY 來負責加密或解密的工作。加密的過程首先將明文經(jīng)過在3.2 介紹的完整性算法產(chǎn)生一個4 個位元組的完整性檢查碼。

再經(jīng)由WEP 加密，在802.11 中定義WEP 是采用共享式鑰匙的方式，所有的用戶包含擷取點（AP）都采用同一個KEY 來完成加密和解密，鑰匙長度有40bits 和128bits 兩種。

WEP 40bits 的格式中共享鑰匙長度為40 個位元和IV 的24 個位元，組成長度為64 個位元的KEY。WEP 128 bits 的格式中共享鑰匙長度并非128 個位元而只有104 個位元和IV 的24 個位元，組成長度為128 個位元的KEY。組合成完整的KEY 再經(jīng)由RC4 算法產(chǎn)生不定長度的串流位元值和原文作互斥或運算：

C = P⊕RC4（IV,KEY）

當接收端收到資料時，取出封包中的IV 加上工作站本身擁有的共享鑰匙組成完整的KEY經(jīng)由同樣的RC4 算法產(chǎn)生相同的位元串流值和密文作互斥或運算即可得到原文。

3 WEP 加密算法可能面對的威脅

3.1 IV 重復使用的問題

因為IV 的長度只有24 個位元，所以只要網(wǎng)絡中所有工作站傳送山的封包的總數(shù)超過224 時，就會有IV 重復使用的問題產(chǎn)生，例如黑客擷取到兩個使用相同IV 加密的封包C1 和C2 時：

C1= P1⊕RC4（IV,KEY）,

C2= P2⊕RC4（IV,KEY）,

因為C1 和C2 都是分別由P1、P2 和RC4（IV,KEY）作互斥或運算，所以將C1 和C2 兩個再作一次互斥或運算可以得到：

C1⊕C2 =[P1⊕RC4（IV,KEY）]⊕[P2⊕RC4（IV,KEY）]

=P1⊕RC4（IV,KEY）⊕P2⊕RC4（IV,KEY）

=P1⊕P2⊕RC4（IV,KEY）⊕RC4（IV,KEY）

=P1⊕P2⊕1

=P1⊕P2

可看出將兩個密文作互斥或運算后所得的結果只和原來的明文有關，和原來的共享鑰匙無關，若收集使用相同IV 值的封包數(shù)愈多，泄漏出的訊息將足以利用統(tǒng)計或其他破密的方法分析出原文。而這樣的情形在一個平均流量達5 百萬位元（Mbit）的無線區(qū)域網(wǎng)絡內(nèi)，若假設平均封包長度為1400 字節(jié)時，大約每10 小時就會出現(xiàn)IV 重復使用的問題，而竊聽者并不需要連續(xù)監(jiān)聽10 小時，可以每次監(jiān)聽數(shù)小時，連續(xù)監(jiān)聽幾天，累計監(jiān)聽時間超過十小時可得到同樣的效果。再加上部分無線區(qū)域網(wǎng)絡傳輸設備在設計時，并未考慮周全，例如在使用計數(shù)器來產(chǎn)生IV 的設備中，許多設備是在每次開機時會將計數(shù)器是歸零，也就是更容易產(chǎn)生使用相同IV 來加密封包的情形。

3.2 已知明文的破解

在WEP 中若竊聽者已知明文P 時，將密文和明文作互斥或運算，可得到某一組IV 和KEY 經(jīng)RC4 運算后產(chǎn)生的串流鍵值的部分結果（因明文長度而異）：

C⊕P =[P⊕RC4（IV,KEY）]⊕P

= P⊕RC4（IV,KEY）⊕P

= RC4（IV,KEY）⊕P⊕P

= RC4（IV,KEY）]⊕1

= RC4（IV,KEY）]

雖然無法破解共享鑰匙，但可利用來對使用相同的IV 加密的封包破解而得到原文。黑客可以使用這種方法對位于無線區(qū)域網(wǎng)絡中的某一工作站發(fā)出訊息，例如一封電子郵件等，當擷取點將資料加密傳送時再加以監(jiān)聽，便很容易可以得到泄露的訊息。

3.3 位址的變造

若變造的部分是屬于封包的位址部分，則可能使擷取點和埠接器無法辨別封包真?zhèn)危J為是一個正確的封包且目的位址屬于無線網(wǎng)絡的外部的有線網(wǎng)絡上的工作站，而將封包先解密后再傳送出去，而泄漏出重要的信息。

3.4 鑰匙選擇的問題

在管理者安裝無線區(qū)域網(wǎng)絡時，有時為了容易記住鑰匙，而采用了英文單詞或某些較為簡單的組合，黑客可以有機會采用字典的方式暴力破解WEP 的密碼,例如Wepcrack 即是一種采用字典為基礎的暴力破解工具。

3.5 鑰匙保管的問題

在無線區(qū)域網(wǎng)絡中采用了共享鑰匙的策略，除了鑰匙傳遞的問題外，另外所有的工作站和擷取點都擁有鑰匙，而且記錄在機器內(nèi)部，使得管理上容易產(chǎn)生缺失，讓入侵者很容易就獲得鑰匙。

4 提高破解鑰匙的可能性

共同的模式是當已知初始矢量（IV,3 個位元組）和n 個位元組的鑰匙（0≦n≦L）時，我們即可模擬鑰匙安排法則（KSA）的前n+3個循環(huán)數(shù)列運算，求出S1 至Sn+3 數(shù)列和Sn+4 數(shù)列的Sn+4[0]至Sn+4[n+2]項，找出所有符合Sn+4[1]＜n+3且Sn+4[1]+ Sn+4[Sn+4[1]]=n+3 的封包，皆可用來分析K[n]，事實上當已知的共享鑰匙愈多時，有更多的不同初始矢量符合條件可用來分析。

同時在設計程序?qū)嶋H分析鑰匙的過程中，可適度地提高搜尋的廣度，即原先分析封包的第一個位元組來計算：

K[n]=（S-1[z]- jn+3 - Sn+3[n+3]）mod 256（0≦n≦L）

并計算不同K[n]值的出現(xiàn)的次數(shù)，最后以出現(xiàn)次數(shù)最高者為預測結果，如果預測的結果最后經(jīng)實際驗證并不符合，可再以出現(xiàn)次數(shù)次高或第3 高K[n]值的依序往下分析，采用這樣提高搜尋廣度的方式 ,即使擷取到的封包數(shù)目不多，但仍有極高的概率可以分析出正確的鑰匙。

而以FLUHRER,S.等人在他們的論文中提到每個KEY 必須收集60 個以上有效的封包為例，在大部分的無線區(qū)域網(wǎng)絡設備里，產(chǎn)生初始矢量時多數(shù)采用了計數(shù)器和隨機產(chǎn)生兩種方式。

在采用計數(shù)器的環(huán)境下，在計數(shù)器是先改變初始矢量的最低位元值（IV[0]）時，需收集4 百萬個封包，在計數(shù)器是先改變初始矢量的最高位元值（IV[2]）時，只需收集不到2 百萬個封包即有足夠的有效封包用來分析。在采用隨機產(chǎn)生初始矢量的環(huán)境下，更只需約1.3 百萬個封包就足夠。在一個平均流量達5 百萬位元（Mb）的無線區(qū)域網(wǎng)絡下，若假設平均封包長度為1400 字節(jié)時，每秒鐘約有450個以上的封包可供擷取，每小時約有1.68 百萬個封包可供擷取，也就是最少只要一小時，最多不到三小時的時間就可收集足夠的有效封包數(shù)來破解WEP 的鑰匙。

5 總結

根據(jù)本文的討論，可以看出在無線區(qū)域網(wǎng)絡中即使采用有線等效加密算法（WEP）并采用了較長的共享鑰匙（WEP-128），要保證信息在傳遞時不受黑客的竊取是不可能的，當使用者在建置無線區(qū)域網(wǎng)絡時希望資料在傳遞時能有足夠的安全防護，必須采用相應方法來提高安全性。