下一代无线局域网安全性研究

文章编号：１００２－８６９２（２００７）０１－００６２－０３

下一代无线局域网安全性研究＊

张斌，汤红波，张汝云，刘民

（国家数字交换系统工程技术研究中心，河南郑州４５０００２）

【摘要】介绍了两种新型无线网络安全协议ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ和ＷＡＰＩ，并对两种协议的安全性进行了分析，指出了ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ存在一定的安全隐患，而ＷＡＰＩ可更好地保护网络安全。

【关键词】无线局域网；动态密钥完整性协议；安全；ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ协议；ＷＡＰＩ协议

【中图分类号】ＴＰ３９３．１７【文献标识码】Ｂ

ＲｅｓｅａｒｃｈａｂｏｕｔＮｅｗＳｔａｎｄａｒｄｏｆＷＬＡＮ

ＺＨＡＮＧＢｉｎ，ＴＡＮＧＨｏｎｇ－ｂｏ，ＺＨＡＮＧＲｕ－ｙｕｎ，ＬＩＵＭｉｎ

（ＮａｔｉｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＳｗｉｔｃｈｉｎｇＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００２，Ｃｈｉｎａ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＴｈｅａｒｔｉｃｌｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｗｏｎｅｗｓｔａｎｄａｒｄｓｏｆＷＬＡＮ：ＩＥＥＥ８０２．１１ｉａｎｄＷＡＰＩ，ａｎｄｔｈｅｎａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｔｈｅｍ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｖｅｓｔｈａｔＩＥＥＥ８０２．１１ｉｈａｓｓｏｍｅｏｆｓｅｃｕｒｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓｂｕｔＷＡＰＩｉｓｂｅｔｔｅｒ．

【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ＷＬＡＮ；ＴＫＩＰ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ；ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ；ＷＡＰＩ０

・技术分析・

１引言

随着网络的飞速发展，人们对无线局域网络（Ｗｉｒｅ－ｌｅｓｓＬＡＮ，ＷＬＡＮ）的需求越来越大，而现行的ＷＬＡＮ存在大量的安全漏洞，成为制约ＷＬＡＮ发展的瓶颈，为此，ＩＥＥＥ正式发布了新一代ＷＬＡＮ安全协议：ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ协议，我国也曾颁布了无线局域网国家标准——

—ＷＡＰＩ协议。本文对这两个标准的安全性进行了比较和分析。２ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ协议

ＩＥＥＥ在２００４年６月２４日正式发布ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ，为增强ＷＬＡＮ的数据加密和认证性能，其中定义了ＲＳＮ（ＲｏｂｕｓｔＳｅｃｕｒｉｔｙＮｅｔｗｏｒｋ）的概念，并针对ＷＥＰ加密机制的各种缺陷作了多方面的改进。

２．１新认证机制

ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ重新规定了基于８０２．１ｘ的认证机制，主要包括ＴＫＩＰ（ＴｅｍｐｏｒａｌＫｅｙＩｎｔｅｇｒｉｔｙＰｒｏｔｏｃｏｌ），ＣＣＭＰ（ＣｏｕｎｔｅｒＣＢＣ－ＭＡＣＰｒｏｔｏｃｏｌ）和ＷＲＡＰ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＲｏｂｕｓｔＡｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｅｄＰｒｏｔｏｃｏｌ）等３种加密机制，同时引人了新的密钥管理机制，也提供了密钥缓存、预认证机制来支持用户的漫游功能，从而大幅度提升了网络的安全性。

８０２．ｌｘ认证是一个独立于８０２．１１ｉ规范的标准［１］，它与扩展认证协议（ＥｘｔｅｎｓｉｂｌｅＡｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌ，ＥＡＰ）协同工作，并通过ＲＡＤＩＵＳ验证服务器实施，其主要任务是提供认证、授权和密钥管理功能。ＩＥＥＥ８０２．１ｘ是一种基于端口的网络接入控制技术，它提供了一个可靠的用户认证和密钥分发框架，可控制用户只在认证通过后才能连接网络。

ＴＫＩＰ是８０２．１１ｉ的可选方案，它虽然仍使用ＲＣ４加密算法，但使用了动态会话密钥，提高了系统的安全性。ＴＫＩＰ引入了４个新算法：４８位初始化向量（ＩＶ）和ＩＶ顺序规则（ＩＶＳｅｑｕｅｎｃｉｎｇＲｕｌｅｓ）、每包密钥构建（Ｐｅｒ－ＰａｃｋｅｔＫｅｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）、Ｍｉｃｈａｅｌ消息完整性代码（Ｍｅｓ－ｓａｇｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙＣｏｄｅ，ＭＩＣ）以及密钥重获／分发。

ＣＣＭＰ机制基于１２８ｂｉｔ的记数模式、ＡＥＳ加密算法和ＣＣＭ（ＣＢＣ－ＭＡＣ）认证方式，使得ＷＬＡＮ的安全程度得到极大提高，是实现ＲＳＮ的强制性要求。由于ＡＥＳ对硬件要求比较高，因此ＣＣＭＰ无法在现有设备上实现升级。ＷＲＡＰ机制则是基于ＡＥＳ加密算法和ＯＣＢ（ＯｆｆｓｅｔＣｏｄｅＢｏｏｋ），是一种可选的加密机制。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ为现行的无线局域网络提供了多个可选的安全方案，用户可选择在原有的网络设备基础上通过简单的软件升级来提高网络的安全性，也可通过购买新的网络设备采用更为安全的安全策略来获得更好的安全性。在原有设备上，８０２．１１ｉ协议中的ＴＫＩＰ可选方案可很好地运行，因为它仍采用了ＷＥＰ中的ＲＣ４算法，为现行设备提供了良好的兼容性，同时由于它引入了新的算法，使得ＷＥＰ的安全性得到了极大提高，可基本满足无线网络安全通信要求，但ＲＣ４算法本身的局限性成为制约ＷＬＡＮ系统进一步改善安全性的瓶颈，而对于协议中所引入的ＣＣＭＰ及ＷＲＡＰ机制而言，由于其采用了公认的安全加密算法（ＡＥＳ）以及更为先进的验证机制，从根本上克服了这一缺陷，所以其安全性必然也有了质的飞

＊河南省杰出人才创新基金项目（０４２１０００１００）宽带网络与传输

ＡＳＵ返回证书认证请求

ＡＰ发送证书认证请求ＡＳＵ认证服务单元

其它网络设备访问网络资源

密钥协商

ＡＰ向ＳＴＡ应答接入认证请求ＳＴＡ发送认证请求ＡＰ激活ＳＴＡ认证ＡＰ通信过程

身份认证及密钥协商ＳＴＡ

图１ＷＡＩ工作流程示意图

跃，因此，ＣＣＭＰ是８０２．１１ｉ满足ＲＳＮ的强制性加密标准，而ＷＲＡＰ机制是为了满足兼容性而设计的同等级可选加密方案。从某种程度上来说，８０２．１１ｉ解决了现行无线网络中的安全问题，为无线网络提供了安全的通信环境，对无线网络的发展具有重要意义，但仍存在一定的安全问题和缺陷。

２．２ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ协议的安全隐患

１）ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ的接入认证体系存在漏洞［２］

首先，在８０２．１ｘ认证体系中只有ＥＡＰ－ＴＬＳ能满足双向认证需求，而其他可选方案都不是双向认证，存在中间人攻击缺陷；其次，由于客户端的身份凭证是用户名和密码，易被盗用，对于某些安全性要求较高的网络不能胜任；此外，在８０２．１ｘ中ＡＰ与ＲＡＤＩＵＳ服务器间在认证过程中协商出的会话密钥会在信道上进行传递，且该共享密钥是静态的，因此也会产生一定的安全隐患。

２）可选的加密方案ＴＫＩＰ仍存在算法缺陷

ＴＫＩＰ为兼容现行ＷＬＡＮ硬件设备，其核心算法仍为ＲＣ４，仍存在固有的安全缺陷，如弱密钥缺陷等。

３）ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ在兼容性方面需要进行进一步完善和改进否则将会产生十分严重的安全隐患

ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ协议体系在设计时考虑了诸多方面的因素，提供了大量的可选方案，增加了协议的复杂度，将给设备使用和制造商带来不便，使用商在购买设备时必须了解ＡＰ和ＳＴＡ间的兼容性问题；

４）ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ各可选方案的相互兼容易遭攻击由于协议本身设计的原因，

不论如何完善

ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ的兼容性也不能够杜绝此方面的安全威胁，因为协议的本身包含大量的可选方案，且这些方案中的一些安全性较弱，只要存在兼容就可被利用弱安全性方案攻击整个体系。例如Ａ无线网络采用的是ＥＡＰ－ＴＬＳ认证体系和ＣＣＭＰ加密机制，此网络本身并不存在安全威胁。但由于ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ协议体系的兼容性使其产生了严重的安全隐患。假设此刻有一攻击者Ｂ，其先冒充

ＡＰ对Ａ的一个无线客户端（ＳＴＡ）发送认证请求，且指出只接受挑战报文认证方式（即ＭＤ５方式），再冒充Ａ的

ＳＴＡ向Ａ的ＡＰ发送认证请求，同样指出只接受挑战报文认证方式，此刻由于系统的兼容性而使得Ｂ的攻击能成功。

５）漫游认证问题为其提出了重大挑战

［３］

当用户在ＷＬＡＮ蜂窝之间漫游时，对他们需要重建安全证书，使整个ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ验证过程需８００ｍｓ，这对

ＶＯＩＰ等对时间敏感的应用来说实在是太长了，尽管ＩＥＥＥ为此增加了客户端缓冲机制，但这种机制只对验证过的接入点有效，对于新连接的接入点毫无用处。

６）ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ在其他细节上也需要进一步完善

例如，数字证书的管理问题，ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ与其他安全方案（如ＩＰＳｅｃ）的协作性和兼容性问题，对于ＱｏＳ和防止ＤＯＳ攻击的问题等等。

概括来说，ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ协议总体上是安全的，然而在一些细节方面仍存在一些隐患，特别是兼容性方面，因此，ＩＥＥＥ工作组在发布标准时也承诺今后会对协议作进一步改进以使其更加完善，而时至今日，ＩＥＥＥ８０２．１１ｉ标准已发布两年之久，并未见到有任何改进之处，由此不得不让人们对其设计存在缺陷而深信不疑。

３ＷＡＰＩ协议

为解决现行无线网络中存在的安全问题和隐患：我国于２００３年１２月１日起强制执行无线局域网国家标准

ＧＢ１５６２９．１１－２００３；２００４年３月组织起草了无线认证和保密基础设施（ＷＡＰＩ）实施指南［４］，对原国家标准中

ＷＡＰＩ相关的技术实现，进行了必要的改进，修正了前标准中存在的安全漏洞和隐患（下文中所涉及的ＷＡＰＩ均指实施指南修正后的ＷＡＰＩ协议）。

３．１ＷＡＰＩ协议简介

ＷＡＰＩ由ＷＡＩ（ＷＬＡＮＡｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）和ＷＰＩ（ＷＬＡＮＰｒｉｖａｃｙＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）两部分组成。其中：

ＷＡＩ采用基于椭圆曲线的公钥证书体制，无线客户端ＳＴＡ和接入点ＡＰ通过认证服务器ＡＳＵ进行双向身份认证；而在对传输数据的保密方面，ＷＰＩ采用了国家商用密码管理委员会办公室提供的对称密码算法进行加密和解密，充分保障了数据传输的安全。

ＷＡＩ的使命是实现ＡＰ，ＳＴＡ，ＡＳＵ之间的相互双向身份认证和完成ＳＴＡ与ＡＰ间的密钥协商［５］，其工作流程如图１所示（具体流程不再赘述）。整个系统由无线客户端ＳＴＡ，ＡＰ和认证服务单元（ＡｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅＵ－

ｎｉｔ，ＡＳＵ）组成，ＡＳＵ用于管理参与信息交换各方所需要的证书（包括证书的产生、颁发、吊销和更新）。证书里面包含有证书颁发者和证书持有者的公钥和签名（采用

ＷＡＰＩ特有的椭圆曲线数字签名算法），是网络设备的数字身份凭证。

Ｗｉｄｅｂａｎｄｎｅｔｗｏｒｋ＆ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ