WEP协议的安全性改进设计研究

（ 提供ＷＥ 协议 中未曾涉及 的密钥管理机制 ； ７） Ｐ
（ ）增加其它认证 方式 ，例如生物特征认证 ，证 ８
Ｏ，相应的重复使用低值 的 的概率同样会增加 。 （ ）消息更改攻击 ４
消息更 改用到 了ＷＥ 校 验和 的性质 ：ＷＥ 校验和 Ｐ Ｐ
书认证和一次性 口令认证 。 下面给 出体系结构 的框图 ：
（ ） １ 密钥流重用攻击
在Ｒ ４ Ｃ 算法中 ，流密码是通过将 密钥（ 共享密钥 Ｊ 『 Ｅ 的组 合） 扩展成为一个 任意长 的伪 随机密钥流 ，并 与明
文异或实现 。流密码 的一个显著的缺陷是如果用相 同的 初始 向量， 密钥加密两个消息 ，会导致 两条 消息 的同 卿
时泄 露 。
需要 注意 的是篡改消息使用与原始消息相同的 ，
因此在实施攻击 时 ，用到了ＷＥ 的如下性质 ：接收方对 Ｐ
原始初始 向量 复使用无告警机制 瑁匡
当确知 一个， 和对应 的密钥 流序￣ ＲＣ （Ｖ ） 瞄 Ｊ ｉ ４Ｉ ，后 时 ，攻击者就可以利用该性质重复使用 己知密钥流以避 开ＷＥ 的访问控制 。 Ｐ
以建立对应于所 有 勺 密钥 流表 ，一个完整的包 含所有
证（ 单向认证作为可选设置） ；
（ 认证密钥与加密密钥应 当分开 ； ２）
（） ３ 加密算法不能使用流密码算法 ；
（ ４）为 了保 护 数 据 完 整 性 、 防 止 恶意 篡 改 ，采 用
的表大约需要 ２ Ｇ ４ Ｂ。只要付 出足够 的时间和精力 ，
典 ，攻击 者可 以做到即时对无线传输数据进行解密 。 （ ）密钥管理较弱 ３
多个用户使用单一共享密钥增加 了发生 碰撞 的概 率 ，使得密钥 流重用攻击变的更加简单 ：首先 ，使用相 同共享密钥的无线用户 的数量增加会引起碰撞概率 的递 增。其次 ，无线 网卡在每次重新初始４ ／ ￣将其值设为 Ｌ Ｖ￣
图１ Ｌ Ｎ 全体 系框 图 Ｗ Ａ 安
３１身份 认证模块 ．
在确 知明文和密文的情况下 ，攻击者即能够恢复密 钥 流并利用其生成一个新的数据包 ：
Ｐ＋Ｃ＝Ｐ＋（ ＲｅＲ （Ｖ， ） Ｃ４Ｉ ）：ＲＣ４Ｉ ） （Ｖ，
在 身份认 证模块 中采用 基 于公 钥数 字证 书机制 的 双 向认证 。在身份认证模块 中使用一个 比较具体的用于 ＷＬ Ｎ的协商和身 份认证方案 ，在该方案 中使用数字证 Ａ 书来对用户 身份进行认证 ，这就要求通信双方（ 和用 ＡＰ 户） 必须能 够支持数字证 书技术 。整个身 份认证系统有
ＡＣ ＡＤＥＭＩ ￣Ｓ ＡＲＣ Ｃ ＲＥ Ｅ Ｈ 学 术 研 究
和接 收站点未建立 固定联系时用作加 密和解密密钥 。密 钥 映射密钥 Ｋ ＭＫ Ｋ ｙＭａｐｎ ｙ用于两个 已经建立 （ ｅ ｐ ｉｇＫｅ） 联系的站点 ，它 比缺省 密钥有着更大的灵活性 。 为 了实现密钥管理 ，需要对密钥 实现再加密 ，对基 本密钥进行保护生成加 密密钥 。密钥再加密过程如下 ： （ ）用户和Ａ 建立基本密钥 ，即已完成认证 以及 １ Ｐ 基本密钥 的分配 ； （ 用户和 ＇ ３） 采取某种策略同时完成密钥的安装 ； （ 进行 由临时密钥保护保密通信 ； ４） （ ）在接近 临时密钥生命期 时 ，双方传送 随机数 ５ 以更新 临时密钥 ，并使用密钥 指针或其他方式来指示所 使用 的临时密钥 ；
用户 、Ａ 和认 证服务器ＡＳ Ｐ 组成 ；其 中，认证 服务器ＡＳ
也就是说 ，攻击者可以用恢复得到的密钥流加密消
息 ， 到相应 的密文 ： 并得
Ｃ ： Ｂ： ｖ Ｃ ） ’Ａ （ ，’ １
其 中 Ｃ＝ ’（ ） Ｒ ４ Ｖ． 。 ’（ ，Ｍ’＋ Ｃ （ ， ｃ ） Ｉ ｊ ｝ ）
校 验 和 ：首 先 计 算 消 息 Ｍ 的 校 验 和 ｃ ，将 和 （
一
、
引言
ｃ 衔接得到明文ｐ Ｍｏ Ｍ） （ 和Ｊ （ ＝ ｃ （ Ｍ） Ｐ （ ｃ 不依赖于幻，该明 文将用作下一步的输入 。
加 密 ：在 这 一 阶段 ，使 用 Ｒ ４ 法 Ｘ Ｐ 行 加 密 ． Ｃ算 Ｃ进
（ ５）消 息注 入 攻 击
身认 ｝Ｉ加 和据 验 ｌ 密 管 份 证 密 数枝 Ｊ 钥 理 ｉ ｌ 基 公体的 ｌＡ—ｃ 式 ｛ｌ 密二船 于钥剖 Ｅ ｏ 模 锅次密 双认 向证 ｓ Ｂ
，
ｉ
，
ｊ
获得 消息的攻击者 可以利用ＷＥ 协议校验和性质计 Ｐ 算 出校验 和并绕过访问控制机制 。如果攻击者确知某个 数据帧的明文 ，他就能够 向网络注入任意的数据包。
传输 ：最后通过无线电波传输 密文和初始向量Ｊ ｒ ，
整个 过 程 如 下 所示 ：
Ａ Ｂ：Ｖ ０Ｒ ４１ ，） （ 中 ，Ｊ ・（ ） Ｉ， Ｃ （ 七） 其 Ｖ ｐ ＝ ｃ＾
本 文讨论 了ＷＥ 协议存在 的主要安全问题 ，并提 出 Ｐ ｒ一个无线局域 网安全问题的解决方 案。该方案基于有 中心 的无线局域 网拓扑结构 ，包含了数据加密和数据校 验 、密钥管理和身份认证等三个基本模块 。在方案设计
Ｐ ＝Ｃ０Ｒ （Ｖ． ’ Ｃ４ Ｉ
：
（ Ｒ （Ｖ， ） Ｒ （Ｖ，） Ｐ０ Ｃ４ Ｉ ０ Ｃ４Ｉ 七
Ｐ
＝
随后 ，接 收方 需 要 验 证 解 密 明文 Ｐ的校 验 和 ，通 过 ・
分 离＜ ， ） ，重新 计算 ’ Ｍ’ （ ＞ 的校 验和 （ ，当ｃ ） ） ’ （ ： （ 时表 明接收的数据帧有效 。 ｃ 针对上述加解密过程 ，ＷＥ 协议 的安全隐患主要表 Ｐ
以臌
示需要保 护的数据 帧 ，而 以Ｐ 表示消息 和校
也就是说 ，将两 条密文进行异或运算 ，会 导致在不 知道密钥序列 的情况下 ，得到两条明文 的异或 。
验和 的衔接 ，ｃ 为加密后 的密文 。 作
１ ８ 信 息系 统 工程 ２ １． ０ ２ ０ １ ２ ９
Ａ Ａ Ｅ ＣＲ Ｓ Ａ Ｃ 学术研究 Ｃ Ｄ ＭＩ Ｅ Ｅ Ｒ Ｈ （ ）解密字典攻击 ２
是消息的线性 函数 。这条性 质表示校验是通过异 或运算 进行的 ，对任意的消息 ， 租） ，有ｃｘ ）ｃ ＋ ∽ 。利用 （ ＝ ）ｃ
该性质 ，能够做 到在不改变校 验和的前提下对密文进行
ｌＷＡ： Ｌ￣ Ｎ
！
修改 。攻击者 只需 要截获密 文ｃ 和修改值 △ 就能 够计算
得到新密文Ｃ＝ ＋△ｃ ）。 ’Ｃ （，△） （
提 出了一个新的Ｗ Ｌ Ｎ安 全 系统的改进 方案 ，修 改 了原有的ｗＥ 机制 中的数据 Ａ ｐ 加 密 、信 息认 证 和 身份 认 证 机 制 ，增 加 了 系统 的 密 钥 管 理 功 能 。通 过 对 比 ，新 方 案 能 够很 好 地 解 决Ｗ Ｅ 协议 的安 全 缺 陷 ，并 且具 备 了较 高的执 行 效 率 。 Ｐ 关键词 ：无线局域 网；ｗＥ 协议 ；Ｒ ４ Ｐ Ｃ 算法；公 开密钥基础设施 ；Ａ Ｓ 法 Ｅ算
的主要功能是负责证书的发放 、验证 与吊销等。用 户与 ＡＰ 都安装有ＡＳ 上 发放 的公钥 证书（ 证书包含ＡＳ 的公钥 以及证 书持有者 的身份 和公钥１ 为 自己的数字身份凭 作
证 。当用 户登 录至无 线接人点ＡＰ ，在使用 或访 问网 时 络之前 必须通过ＡＳ 进行双 向身 份验证 。根据 验证 的结 果 ，只有持有合法证书的用户才能接入持有合法证 书的 无线接人点Ａ 【 Ｐ】 ４ 。 ３２密钥管理模块 ． 在ＷＥ ￣ 密算法 中有两种密钥 ：缺省密钥（ｅａ ｌ Ｐ［ Ｊ ｄ ｆｕｔ
攻击 者就 能够建立 一个完 整 的解 密字典 ，有 了解 密字
消息杂凑 函数 而非ｃ ｃ ２ Ｒ ３校验算法 ；
（ ）应该尽可能地对ＷＥ 协议兼容 ，因为采用该 ５ Ｐ 协议 的产品 已经大量面世 ； （ ）应具备一定 的灵 活性 ，可 以采用 现有 的各种 ６ 认证 和加密技术并能为采用以后 出现 的技术 留有余地 ；
初始 向量 问太小 ，导致ＷＥ 协议存在致命 的缺陷 。 腔 Ｐ ＷＥ 协议 在８ ２Ｉ 中用来保护链 路层数据安全 ，依 Ｐ ０ ．Ｉ
靠 一个共享 的密钥 护通信双方 间的传输数据 帧。为 保
了便 于 对 ＷＥ 协议 安 全 隐患 的分 析 ，首先 对 数 据 帧 的加 Ｐ
密 过 程 进 行 描述 ：
设 Ｃ ＝ １ Ｃ （Ｖ ） ｃ ＝尸 ０Ｒ ４Ｉ ，） Ｉ Ｐ ０Ｒ ４Ｉ ， ， ２ ２ Ｃ （Ｖｋ 于 是 ：Ｃ ＋ ２ （１ Ｃ （ ，） （２ Ｃ （ ，）＝ Ｉ Ｐ １ Ｃ ＝ Ｐ ＠Ｒ ４ Ｖ ） Ｐ ＠Ｒ ４Ｉ ） Ｐ ＋ ２ Ｉ ＋ Ｖ
据包 ，算法本身是安全的 ，但 这一算法在无线应用 中的
Ａ ＡＤ ＭＩ Ｓ Ａ Ｃ ｛ 学 术 研 究 Ｃ Ｅ ＣＲ Ｅ Ｒ Ｉ Ｅ
Ｗ Ｅ 协 议硇 安呈性 改进设计酮究 Ｐ
◆ 申义 彩 郝珊珊 杨 枫
摘要 ：无线局域 网Ｗ Ｌ Ｎ所使 用的ＷＥ 协议存在严 重的安 全隐患，主要表 Ａ Ｐ
现为数据机 静 ｝ 生、访 问控 制 、数 据 完整 性 的 处 理 缺 陷 。根 据Ｗ Ｅ 协 议 的特 点 ， Ｐ
现在 对 机 密性 、访 问控 制 、数 据 完 整 性 的攻 击 上 。
二 、Ｗ Ｅ 协 议 安全缺 陷 Ｐ
ＷＥ 集成为８ ２１协议 的一部分 ，虽然该标准只建 Ｐ ０ ．ｌ 议使 用６ 位 密钥 ，但几乎所有厂商都 支持 １ ８ 密钥 。 ４ 位 ２
ＷＥ 使 用Ｒ ４ Ｐ Ｃ 算法加 密从Ａ 或无 线用户 发送 出去 的数 Ｐ
一
＞
全需要 的基础上 ，本文提出了一个新的ＷＬ Ｎ安全 系统 Ａ 的改进方案 。方案 的基本思想是 ： （ ）访 问点Ａ 与移动站 Ｓ Ａ之间应该使用双 向认 １ Ｐ Ｔ
旦某个被截获 的传输数据包对应 的明文被破译 ，
攻击者可以通ｖ Ｉ 撞 分析法或其它方法获得加 密所使 ＂ ｔ
用的密钥流 ，在拥有该密钥流后 ，攻击者可 以解 密所有 使用 同一 行处理的消息。通过这种方法 ，攻击者可 跪生
随着无 线局 域 网ＷＬ Ｎ的迅速发 展 ，对 网络 的安 Ａ 全性也提 出了更高 的要求 。ＷＬ Ｎ的安全性 主要表现在 Ａ
０ ／模 型的物理层 、链路层和 网络层上 。物理层 的信息 Ｓ２
安全包括 防止物理通路的损坏 、窃听和对物理通路 的攻
选 择一 个 随机 初 始 向量 ， 。ＲＣ 算 法 产 牛 一 个 密钥 Ｖ ４
三 、基 于Ｗ Ｅ 协 议 的 安 全 缺 陷 提 出 改 Ｐ 进 方 案
根据ＷＥ 中存在的缺陷 ，在充分考虑ＷＬ Ｎ中的安 Ｐ Ａ
ｋｙ 和映射密钥（ｅ ｐ ｉｇｋ ｙ。缺省密钥有 四个 ， ｅ） ｋｙｍａｐｎ ｅ ）
在ＷＥ 扩展加密帧的域 中作为Ｋｅｌ Ｐ ｙＤ，缺省密钥在 发送
信 息系 统工 程 ｌ２ １．．０ １ ９ ０ １９ ２ ２
流（ 随机字 节序 列） 伪 ，该 密钥流 用Ｒ ４Ｉ ，庀表示 Ｃ （Ｖ ）
接 下 来 对 明 文 Ｐ 密 钥 流 进 行 异 或 运 算 得 到密 文 ： 和
Ｃ＝（ ・ （ ）０Ｒ （Ｖ， Ｍ ｃ ） Ｃ４Ｉ ）。
山。链路层 的Ｉ络安全主要通过加 密通信等 手段来保证 斓
通过 网络链路传送 的数据不被窃听。网络层 的安全需要 保证 网络只给授权 的用户使用授权的服 务 ，保证 网络路 由正确 ，避免被拦截或监 听。
中 ，使用 ＴＲｊｄｅ ｉ ａｌ ｎ 算法［ ２ Ｃ 执行模式来 实现认证加 １ 的０ Ｂ 密 、提出了双层动态密钥管理机制、采用 了基于公钥体 系的双 向身份认证机制 。
解 密 ：接 收方首先重新生成密钥流Ｒ ４Ｉ ， 并 与 Ｃ （Ｖ 密文 Ｃ 行异或运算得到初始 明文 ： 进