【物联网无线通信技术】802.11无线安全认证

本文由简入繁介绍了IEEE802.11i无线局域网安全技术的前世今生，帮助路由器开发者对WLAN的加密安全策略有一个概念上的认知，能够更好地分析STA掉线以及漫游等问题。

WEP

WPA

WPA/WPA2-PSK认证过程

802.11i

WEP

WEP是Wired Equivalent Privacy的简称，有线等效保密（WEP）协议对在两台设备间无线传输的数据进行加密的方式，用以防止非法用户窃听或侵入无线网络,用来提供和有线lan同级的安全性。

WEP有2种认证方式：

开放式系统认证（open system authentication）和共有键认证（shared key authentication）。共有键认证系统包括以下几个步骤：

客户端向接入点发送认证请求。
接入点发回一个明文。
客户端利用预存的密钥对明文加密，再次向接入点发出认证请求。
接入点对数据包进行解密，比较明文，并决定是否接受请求。

WPA

WPA全名为Wi-Fi Protected Access，有WPA和WPA2两个标准，是一种保护无线电脑网络（Wi-Fi）安全的系统，它是应研究者在前一代的系统有线等效加密（WEP）中找到的几个严重的弱点而产生的。WPA实作了IEEE 802.11i标准的大部分，是在802.11i完备之前替代WEP的过渡方案.该标准的数据加密采用TKIP协议(Temporary Key Integrity Protocol)，认证有两种模式可供选择，一种是使用802.1x协议进行认证；一种是称为预先共享密钥PSK(Pre-Shared Key)模式.WPA 超越WEP 的主要改进就是在使用中可以动态改变钥匙的“临时钥匙完整性协定”（Temporal Key Integrity Protocol，TKIP），加上更长的初向量，这可以击败知名的针对 WEP 的金钥匙取攻击。WPA（Wi-Fi Protected Access）加密方式目前有四种认证方式：

WPA
WPA-PSK
WPA2
WPA2-PSK

采用的加密算法有二种：

AES（Advanced Encryption Standard高级加密算法）
TKIP（Temporal Key Integrity Protocol临时密钥完整性协议）

WPA/WPA2-PSK认证过程

首先是PSK的产生方法：PSK = PBKDF2(PassPhrase（HQKS2017）, ssid, 4096, 256)，在personal状态下：PMK=PSK。实际使用过程中用的是PTK。

四次握手：

AP广播SSID，AP_MAC(AA)→STATION，使用接收到的SSID，AP_MAC(AA)和passphares使用同样算法产生PSK。
STATION 发送一个随机数SNonce，STATION_MAC(SA)→AP接受到SNonce，STATION_MAC(SA)后产生一个随机数ANonce然后用PMK，AP_MAC(AA)，STATION_MAC(SA)，SNonce，ANonce 用以下算法产生PTK，PTK=SHA1_PRF(PMK， Len(PMK)，"Pairwise key expansion"，MIN(AA，SA) ||Max(AA，SA) || Min(ANonce，SNonce) || Max(ANonce，SNonce))MIC Key=PTK前16个字节。
AP发送上面产生的ANonce→STATION用接收到ANonce 和以前产生PMK，SNonce，AP_MAC(AA)，STATION_MAC(SA)用同样的算法产生PTK。提取这个PTK 前16 个字节组成一个MICKEY使用以下算法产生MIC值用这个MIC KEY 和一个802.1x data 数据帧使用以下算法得到MIC值，MIC = HMAC_MD5(MIC Key，16，802.1x data)。
用上面那个准备好的802.1x 数据帧在最后填充上MIC值和两个字节的0（十六进制）让后发送这个数据帧到AP。收到这个数据帧后提取这个MIC。并把这个数据帧的MIC部分都填上0（十六进制）这时用这个802.1xdata 数据帧，和用上面AP产生的MIC KEY 使用同样的算法得出MIC’。如果MIC’等于STATION发送过来的MIC。那么第四次握手成功。若不等说明则AP 和STATION 的密钥不相同，或STATION 发过来的数据帧受到过中间人攻击，原数据被篡改过。握手失败了。

MIC的派生过程：

PSK=PMK=pdkdf2_SHA1(passphrase， SSID， SSID length，4096)
PTK=SHA1_PRF(PMK， Len(PMK)，"Pairwise key expansion"，MIN(AA，SA) || Max(AA，SA) || Min(ANonce，SNonce) || Max(ANonce，SNonce))
MIC KEY=提取PTK 的前16 个字节
MIC = HMAC_MD5(MIC Key，16，802.1x data)

802.11i

无线安全标准，WPA是其子集。IEEE 802.11i是802.11工作组为新一代WLAN制定的安全标准，主要包括加密技术：TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）、AES（Advanced Encryption Standard）以及认证协议IEEE802.1x。

安全机制包括以下几个部分：

安全能力通告协商阶段
1. AP的安全能力通告
2. STA同AP之间的链路认证
3. TA同AP建立802.11关联
安全接入认证阶段，该阶段主要进行用户身份认证，并产生双方的成对主密钥PMK。PMK是所有密钥数据的最终来源，可由STA和认证服务器动态协商而成，或由配置的预共享密钥（PSK）直接提供。对于802.1X认证方式：PMK是在认证过程中STA和认证服务器动态协商生成（由认证方式协议中规定），这个过程对AP来说是透明的，AP主要完成用户认证信息的上传、下达工作，并根据认证结果打开或关闭端口。对于PSK认证：PSK认证没有STA和认证服务器协商PMK的过程，AP和STA把设置的预共享密钥直接当作是PMK，只有接入认证成功，STA和认证服务器（对于802.1X认证）才产生双方的PMK。对于802.1X接入认证，在认证成功后，服务器会将生成的PMK分发给AP。
会话秘钥协商阶段，该阶段主要是进行通信密钥协商，生成PTK和GTK，分别用来加密单播和组播报文。AP与STA在PMK的基础上计算出一个512位的PTK，并将该PTK分解成为以下几种不同用途的密钥：数据加密密钥、MIC Key（数据完整性密钥）、EAPOL-Key报文加密密钥、EAPOL-Key 报文完整性加密密钥等，用来为随后的单播数据帧和 EAPOLKey消息提供加密和消息完整性保护。在4次握手成功后，AP使用PTK的部分字段对GTK进行加密，并将加密后的GTK发送给STA，STA使用PTK解密出GTK。GTK是一组全局加密密钥，AP用GTK来加密广播、组播通信报文，所有与该AP建立关联的STA均使用相同的GTK来解密AP发出的广播，组播加密报文并检验其MIC。
加密数据通信阶段。该阶段主要进行数据的加密及通信。TKIP或AES加密算法并不直接使用由PTK/GTK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（Base Key），经过两个阶段的密钥混合过程，从而生成一个新密钥。每一次报文传输都会生成不一样的密钥。在随后的通信过程中，AP和STA都使用该密钥加密通信。