WiFi基礎(八)：WiFi安全、認證與加密

liwen01 2024.11.17

前言

計算機網路在給人們帶來便利的同時，也引入了安全風險，對於無線WiFi網路而言，風險更高。無線 WiFi 網路安全主要包括兩大部分：接入認證和資料加密。

雖然現在網路安全事件遠少於網路詐騙，網路認證與資料加密的方法及原理仍值得學習和借鑑。

(一) WiFi 安全威脅

我們看上面這個簡單的網路結構圖，一個路由器上連線著4臺電腦、一臺伺服器，一臺手機。

如果路由器的熱點是開放未加密的，那連線到路由器上的所有裝置的網路都會是不安全的。

(1) 資料安全

筆記本1、筆記本2、手機都是透過 WiFi 連線到路由器上，透過無線電波以空口包的形式進行資料互動。

如果非法攻擊者位於路由器比較近的距離，它是可以直接使用空口包抓包工具將網路包抓取出來。然後對資料進行解密、分析，他就能找到他想要的資料資訊。

資料的加密方式，決定了攻擊者對資料解密的難易程度。WiFi中常用的加密方式有：RC4、TKIP、AES、CCMP、GCMP。

(2) 認證安全

最上面圖中，路由器的有線與無線網路處於同一網段，如果非法攻擊者連線上了路由器，它不但可以攻擊無線裝置，還能攻擊處於同一個網路中的有線裝置(臺式電腦、伺服器等)。

要解決鏈路安全問題，需要在連線無線網路時進行裝置認證。

• 適用於個人和家庭版本的是：WEP、WPA-PSK、WPA2-PSK、WPA3-PSK；
• 適用於企業的是：WPA-802.1X、WPA2-802.1X、WPA3-802.1X

(3) 非法AP問題

有些非法AP，它將 SSID 設定成與合法 AP 一致，假裝成合法的無線網路，誘使使用者連線。一旦連線，攻擊者可以攔截流量、進行資料竊取或傳播惡意軟體。

要解決非法 AP 問題，可以在網路中佈置 WIDS(Wireless Intrusion Detection System)無線入侵檢測系統。

(4) 認證與加密

(二) WEP 認證與加密

WEP (Wired Equivalent Privacy) 有線等效加密是 1997 年批准的原始802.11標準的一部分，可用於802.11a和802.11b裝置的加密協議，旨在為 WiFi 提供與有線網路類似的安全性。

儘管 WEP 現在已經過時且存在多個安全漏洞，但其認證過程仍然值得學習，因為它是無線網路安全歷史上的重要一步。

WEP 認證過程中主要有兩種模式：開放系統認證和共享金鑰認證。

(1) 開放系統認證(Open System Authentication)

這是 WEP 最簡單的一種認證方式，實際上它並不涉及加密認證。在開放系統認證中，任何客戶端都可以請求連線接入點 (AP)，無論客戶端是否知道 WEP 金鑰。

儘管它被稱為認證，但實際上它幾乎沒有安全性。

開放系統認證的步驟：

1. 請求認證：客戶端向 AP 傳送一個認證請求幀。這一幀只是表明客戶端希望加入網路，不包含任何加密資訊。
2. 認證回應：AP 接收到請求後，通常會直接回應一個認證應答幀，表示認證成功。由於開放系統認證並不涉及身份驗證，即使客戶端不知道正確的 WEP 金鑰，AP 也會允許它進入網路。
3. 傳送關聯請求：認證完成後，客戶端傳送關聯請求，表明它想加入網路。
4. AP回應關聯請求：AP 會回應一個關聯應答，表示客戶端已成功加入網路。

(2) 共享金鑰認證(Shared Key Authentication)

共享金鑰認證使用 WEP 金鑰進行身份驗證，確保只有知道正確 WEP 金鑰的客戶端可以透過認證。

共享金鑰認證的步驟：

1. 請求認證：客戶端傳送一個認證請求幀，表明它希望透過共享金鑰認證加入網路。請求幀中包含客戶端的 MAC 地址等資訊，但不包含任何加密資料。
2. 挑戰幀(Challenge Frame)：AP 接收到請求後，會生成一個隨機數，稱為挑戰文字(Challenge Text)。AP 將挑戰文字以明文的形式傳送給客戶端，同時要求客戶端使用 WEP 金鑰對該挑戰文字加密後再返回。
3. 加密挑戰並響應：客戶端使用其本地配置的 WEP 金鑰對挑戰文字進行 RC4 加密，然後將加密後的資料返回給 AP。
4. AP驗證：AP 接收到加密後的挑戰響應後，使用相同的 WEP 金鑰對挑戰文字加密，並將結果與客戶端的響應進行對比。如果兩者匹配，則說明客戶端知道正確的 WEP 金鑰，認證成功。否則，認證失敗。
5. 關聯過程：如果認證成功，客戶端會傳送關聯請求幀，AP 則回覆關聯應答幀，表明客戶端成功加入網路。

共享金鑰認證的特點：

• 加密認證：使用 WEP 金鑰對挑戰文字加密，表面上看起來比開放系統認證安全得多。
• 漏洞：共享金鑰認證本身存在嚴重的設計缺陷。由於挑戰文字是明文傳送的，而加密後的響應可被攔截，這意味著攻擊者可以透過分析多個認證過程，逆向推算出 WEP 金鑰。這種攻擊被稱為加密文字選擇攻擊。

(3) WEP工作原理與加密過程

1.資料載荷和 CRC 生成(無線裝置)

• 資料載荷(Payload)是準備要傳輸的資料。
• 計算資料載荷的 CRC(迴圈冗餘校驗)。CRC 用於確保資料的完整性，接收端可以透過 CRC 驗證資料在傳輸過程中沒有被篡改。
• 資料載荷 + CRC 被組合成一個資料包，它作為加密過程中的明文輸入。

2. IV(初始化向量)和共享金鑰

• 透過 IV 生成演算法生成一個 初始化向量(IV)。IV 是一個 24 位的值，用於確保即使重用相同的共享金鑰，不同資料包的加密結果也會不同。
• 這個 IV 和共享金鑰的組合作為 RC4 演算法 的輸入。

3.RC4 加密

• RC4 演算法 使用連線後的 IV 和共享金鑰生成 金鑰流。
• 生成的金鑰流與 明文輸入(資料載荷 + CRC)進行 異或運算(XOR)，生成 密文。
• IV 作為資料包的一部分與密文一起傳輸，因為接收端需要它來解密資料。

4.接收端(AP)

• 接入點(AP)接收到包含 IV 和 密文 的資料包。
• AP 將接收到的 IV 與 共享金鑰(與裝置預先共享)連線，並輸入 RC4 演算法 以生成與加密時相同的 金鑰流。
• AP 將 密文 與生成的金鑰流進行異或運算，得到原始的 明文輸出(資料載荷 + CRC)。
• 最後，AP 使用 CRC 驗證資料的完整性，並提取 資料載荷 以供進一步處理。

關鍵點介紹：

• RC4 流密碼：該演算法生成一個金鑰流，與資料進行異或運算以生成密文。同樣的金鑰流用於解密資料。
• IV：一個 24 位的值，用於防止在不同的資料包中重複使用相同的金鑰流。
• 共享金鑰：裝置與 AP 預先共享的金鑰，是 RC4 加密的基礎。
• 資料載荷保護：CRC 用於確保資料完整性，而金鑰流透過加密確保資料的機密性。

(4) WEP 加密的缺陷

• IV 碰撞：IV 長度僅為 24 位，容易導致 IV 重複使用，使得 WEP 易受到分析攻擊。
• RC4 的弱點：RC4 自身存在已知的漏洞，因此與現代加密標準如 WPA 和 WPA2 相比，WEP 的安全性較低。

(三) WPA1/WPA2 的 PSK 認證

WEP 協議是最早的無線網路加密標準，但其設計存在嚴重缺陷，如容易被攻擊者透過捕獲足夠多的資料包進行金鑰還原。

因此，WiFi 聯盟開發了 WPA(WPA1) 標準，作為 WEP 的過渡性替代方案，其中引入了 TKIP 來提高資料傳輸的安全性，同時也引入了PSK 認證方法。

Pre-Shared Key (PSK) 認證方法常用在 WPA-Personal 和 WPA2-Personal 模式下，它不需要企業級的認證伺服器(如RADIUS)，而是依賴於所有使用者共享的同一個密碼來進行認證。也就是我們現在連線家用路由器的方式。

(2) PSK 認證的整體流程

1. 預共享金鑰配置：網路管理員在無線接入點(AP)上配置一個密碼(即預共享金鑰，PSK)。連線到此網路的裝置也需要輸入相同的密碼。
2. 連線請求：當客戶端裝置(如手機或膝上型電腦)嘗試連線到 WiFi 網路時，首先輸入預共享金鑰(即WiFi密碼)，然後發起連線請求。
3. PSK 驗證：無線接入點接收到客戶端的連線請求後，會檢查客戶端提供的 PSK 是否與其自身配置的 PSK 相匹配。如果 PSK 匹配，認證透過；如果 PSK 不匹配，則連線被拒絕。
4. 四次握手協議(Four-Way Handshake)：為了防止 PSK 匹配時資料被竊聽，雙方需要透過握手協議生成獨立的加密金鑰(即 會話金鑰)，用於加密無線資料傳輸。

四次握手過程：

1. 第一步：AP 生成一個隨機數，稱為 AP Nonce (ANonce)，並將其傳送給客戶端。這個隨機數是用於生成最終加密金鑰的關鍵材料之一。
2. 第二步：客戶端收到 ANonce 後，結合預共享金鑰(PSK)和客戶端自身生成的隨機數 SNonce 來計算出 PTK(Pairwise Transient Key，成對瞬時金鑰)，這個金鑰用於加密客戶端和 AP 之間的通訊。客戶端隨後將它的 SNonce 傳送給 AP。
3. 第三步：AP 收到 SNonce 後，使用 AP 的 ANonce、客戶端的 SNonce、雙方的 MAC 地址，以及 PSK，生成與客戶端相同的 PTK。同時，AP 還生成一個 GTK(Group Temporal Key，組臨時金鑰)，用於加密網路中的廣播和組播通訊。AP 接著將加密後的 GTK 和訊息完整性程式碼(MIC)傳送給客戶端，以確認握手資料的完整性。
4. 第四步：客戶端收到加密的 GTK 和 MIC 後，使用之前生成的 PTK 進行解密和驗證。如果驗證透過，客戶端會向 AP 傳送一個確認訊息，表示握手成功。此時，客戶端和 AP 都擁有相同的 PTK 和 GTK，從而可以開始加密的通訊

透過這個握手過程，客戶端和AP最終擁有了相同的 會話金鑰(Session Key)，而 PSK 只是參與了會話金鑰的生成，並不會直接用於加密傳輸資料。

PSK 認證的關鍵元素:

1. 預共享金鑰(PSK)：由網路管理員設定的一個密碼，必須在所有裝置和AP上配置相同的 PSK。它參與了會話金鑰的生成，但不會用於直接加密資料。
2. 四次握手協議：在驗證 PSK 之後，客戶端和 AP 透過四次握手協商出一個新的 臨時金鑰(TK)，即會話金鑰，用來加密和保護無線通訊資料。
3. 會話金鑰(Session Key / PTK)：握手協議生成的動態金鑰，它是基於 PSK、AP 和客戶端的 MAC 地址、以及生成的隨機數計算而得的。這使得即便PSK相同，客戶端和AP之間的通訊也是獨一無二的。
4. Group Temporal Key (GTK)：用於加密在網路中所有裝置之間的廣播和組播訊息。GTK 由 AP 生成併傳送給每個已認證的客戶端。

(4) PSK 認證的優點

• 簡便易用：PSK模式不需要複雜的基礎設施(如認證伺服器)，只需在接入點和客戶端之間共享密碼，因此特別適合家庭和小型網路。
• 靈活性：任何擁有正確PSK的裝置都可以連線到WiFi網路，適合需要簡單設定的場景。
• 加密資料傳輸：在 PSK 驗證透過後，四次握手協議生成的會話金鑰(Session Key)確保每個資料包的加密是獨一無二的，這有效地防止了竊聽和篡改。

(5) PSK 認證的隱患

儘管 PSK 是一種簡單且有效的認證方式，但它也存在一定的安全隱患：

1. 密碼強度：如果 PSK 密碼過於簡單或常見，攻擊者可以透過暴力破解或字典攻擊來猜測密碼。一旦PSK被破解，攻擊者可以完全訪問網路。
2. 金鑰共享風險：所有使用者共享相同的 PSK，這意味著如果 PSK 被洩露，網路的所有安全性都將被破壞。
3. 裝置移除的複雜性：在 PSK 模式下，無法輕易從網路中移除單個裝置。要取消某個裝置的訪問許可權，必須更改網路密碼，並在所有其他合法裝置上重新輸入新的密碼。

(四) WAP 的 TKIP 加密

TKIP(Temporal Key Integrity Protocol) 是為了解決 WEP 中的靜態金鑰和容易被破解的問題而設計的，它主要的目標是在不更改硬體的情況下，提高現有裝置的安全性。

(1) TKIP的主要功能與特性

TKIP 的工作原理與 WEP 類似，但它透過增強的金鑰管理和資料包完整性檢查來解決 WEP 的安全漏洞。其工作流程大致如下：

1. 初始化：TKIP 在開始時使用共享金鑰和初始化向量(IV)來生成初始金鑰。
2. 金鑰混合：TKIP透過混合函式將共享金鑰、IV以及資料包的序列號等資訊組合在一起，生成一個唯一的加密金鑰，用於該資料包的加密。
3. 加密資料包：資料包在傳輸之前使用RC4流加密演算法加密，加密的金鑰是動態生成的每個資料包的唯一金鑰。
4. MIC校驗：加密前，TKIP還會計算訊息完整性校驗(MIC)值並附加在資料包中，確保資料包未被篡改。
5. 重放保護：接收方透過檢查資料包的序列號來防止重放攻擊。

(2) TKIP 的侷限性

雖然 TKIP 在設計上比 WEP 更安全，但它並不是完美的，主要侷限性包括：

• 計算效能較低：TKIP為了相容現有的硬體裝置，其設計不得不做出一些妥協，這導致其在處理加密時效率較低。尤其是在較高頻寬的網路環境下，效能問題尤為明顯。
• 安全性已過時：隨著計算能力的提升，TKIP本身也逐漸被證明不再足夠安全。例如，Michael演算法中的某些弱點已經被發現並利用。因此，WiFi聯盟已經建議在WPA2標準中棄用TKIP，改用更安全的AES(高階加密標準)。
• 不支援現代的WiFi標準：隨著WiFi標準的進步(如WPA2、WPA3)，TKIP不再能滿足現代無線通訊的安全需求，這使得它在新標準中被逐步淘汰

TKIP 作為 WEP 到 WPA 過渡期間的一項重要技術，為提升無線網路安全性做出了貢獻。隨著時間的推移和計算能力的提升，TKIP 逐漸暴露出其安全性和效能上的侷限性。在 802.11 標準的 2012 年修訂版中已被棄用。

(五) WAP2 的 AES 加密

AES(Advanced Encryption Standard) 被引入是為了替代 WEP(Wired Equivalent Privacy)和 WPA(Wi-Fi Protected Access) 初始版本中的 RC4 加密演算法，它在WPA2中被廣泛使用。

(1) AES 的優點

AES 是一種分組加密演算法，它具備下面特點：

• 安全性強：AES 是一種對稱加密演算法，通常支援 128 位、192 位和 256 位金鑰，且已被全球安全專家評估為高效且難以破解的演算法。
• 效率高：AES 採用 Rijndael 演算法，不僅安全性高，而且在硬體加速和計算效率上表現優異，適用於無線網路環境。
• 受支援廣泛：AES 是美國政府採納的加密標準，廣泛用於商業和政府機構，適用於幾乎所有現代裝置。

(2) AES 在的應用

AES 主要用於 Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol (CCMP) 模式，即計數器模式+密碼塊連結訊息驗證碼協議。這種模式提供資料加密和完整性驗證。

• 計數器模式 (Counter Mode)：透過一個唯一的計數器(nonce)將每個資料包的內容進行加密，從而確保資料的唯一性和機密性。
• 訊息驗證碼協議 (MAC)：使用 Cipher Block Chaining Message Authentication Code (CBC-MAC) 來確保資料的完整性，防止資料篡改。

(3) AES-CCMP 的工作流程

• 金鑰生成：使用者設定的預共享金鑰(PSK)經過一系列運算生成 Pairwise Transient Key (PTK) 和 Group Transient Key (GTK)，用於加密各自的資料包。
• 計數器加密：每次傳送的資料包會攜帶一個新的計數器值 (nonce)，AES 使用該計數器加密分組資料塊，透過分組加密生成偽隨機流，最終與明文資料按位異或得到密文。
• 完整性檢查：AES-CCMP 在傳送資料前會使用 CBC-MAC 生成一個訊息認證程式碼(MIC)，並將其附加到資料包尾部，接收端再進行 MIC 計算並對比，以確保資料的完整性。

(4) AES-CCMP 的缺點

• 高計算資源需求：AES 計算複雜度較高，對低效能裝置或電池供電裝置有一定的能耗影響。
• 相容性：部分早期裝置不支援 AES，可能需更換裝置才能使用 WPA2。

(六) WAP3 的 SAE 認證

2018年推出的 Wi-Fi Protected Access 3 (WPA3) 引入了一種新的認證協議SAE (Simultaneous Authentication of Equals)，用於替代 WPA2 中的 Pre-Shared Key (PSK) 機制。

SAE 被稱為同時認證的對等方，在 WPA3 中提供更強的安全性，尤其是抵禦離線字典攻擊。

(1) SAE 認證的工作原理

SAE 是基於密碼學的零知識證明協議，具體基於離散對數難題和橢圓曲線密碼學 (ECC)，可以在不直接傳輸密碼的情況下驗證使用者身份。

它是一個抗離線攻擊的安全協議，使得攻擊者即使截獲了 Wi-Fi 握手資料，也無法透過離線嘗試密碼。

• Diffie-Hellman 金鑰交換：SAE 認證使用修改版的 Diffie-Hellman 金鑰交換協議，透過每次握手生成一個唯一的會話金鑰，即使知道之前的金鑰也無法破解新的金鑰。
• 抗離線字典攻擊：在 SAE 中，即使攻擊者獲取到 Wi-Fi 握手資料，也無法在離線環境中暴力破解密碼，因為 SAE 每次握手生成的金鑰是唯一的，且需要線上驗證。

(2) SAE 的認證過程

• Commit Message 初始化並交換 Diffie-Hellman 公鑰，雙方開始計算共享金鑰。
• Confirm Message 驗證金鑰的一致性並確認對方身份，確保握手安全。
• Authentication Success 雙方信任彼此生成的共享金鑰，認證完成。
• Association Request/Response 確認裝置加入網路，準備加密通訊。

SAE 的認證過程涉及兩大主要步驟：金鑰生成和確認：

第 1 步：初始化階段

• 每個客戶端和接入點 (AP) 在認證之前會生成一個唯一的隨機數，並將其稱為私有金鑰。
• 雙方使用 Diffie-Hellman 金鑰交換來生成各自的公鑰，並透過廣播公鑰與對方交換。

第 2 步：金鑰交換和生成共享金鑰

• 雙方各自用自己的私有金鑰和接收到的對方公鑰計算一個共享金鑰。
• 由於每次握手都會生成不同的隨機數，因此即便同樣的密碼也會產生不同的共享金鑰。

第 3 步：零知識證明

• 零知識證明用於驗證使用者身份而不直接傳輸密碼。使用者需要向 AP 證明自己知道密碼，而無需實際洩露密碼資訊。
• 透過計算出的共享金鑰，雙方生成會話金鑰，並進行相互認證。
• 如果認證透過，雙方確認共享金鑰有效，即認證成功，允許接入網路。

(3) SAE 的安全特性

• 前向安全性 (Forward Secrecy)：SAE 使用的每次獨立金鑰生成機制，即使歷史會話金鑰洩露，也不會影響未來會話的安全性。
• 零知識證明：零知識證明在認證過程中不會傳輸實際密碼或金鑰，防止了密碼洩露。
• 抗離線字典攻擊：攻擊者無法透過離線分析握手資料來猜測密碼，避免了離線暴力破解。

(4) SAE 與 WPA2-PSK 的差異

• 安全性更強：SAE 相比 WPA2 的 PSK 模式，提供更高的安全性，特別是在抵禦離線攻擊和暴力破解方面。
• 握手機制：WPA2-PSK 透過靜態共享金鑰認證，容易遭受重放攻擊；SAE 採用動態金鑰交換機制，每次認證生成不同金鑰。
• 相容性：SAE 使用了橢圓曲線密碼學，這要求裝置支援較高的計算能力，部分舊裝置可能不支援 WPA3-SAE。

(5) SAE 的侷限性

• 計算資源需求高：SAE 的零知識證明和金鑰交換演算法對裝置計算能力有一定要求，可能會影響低功耗裝置的使用體驗。
• 不支援 WPA2 裝置：許多 WPA2 裝置不相容 WPA3 的 SAE 認證機制，因此需要 WPA3 支援裝置的環境下才能發揮其全部優勢。

(七) WAP3 的 AES-GCMP 加密

在 WPA3 中，為了增強資料傳輸的安全性，採用了 AES-GCMP(AES-Galois/Counter Mode Protocol) 加密模式，這種加密模式在 WPA3 的 Enterprise 和 Personal 網路中廣泛應用。

AES-GCMP 結合了加密和訊息認證功能的演算法，確保資料的機密性、完整性和認證。

(1) AES-GCMP 的基本概念

AES-GCMP 是一種基於 AES(Advanced Encryption Standard)的認證加密模式，結合了 Galois/Counter Mode (GCM) 的分組加密和認證功能，用於保護無線網路的資料通訊。

AES-GCMP 比 WPA2 中的 AES-CCMP 更安全和高效，支援更高的資料速率和更強的安全性。

• AES-GCM：AES-GCM 是一種分組加密模式，透過計數器模式 (Counter Mode) 實現加密，透過 Galois Message Authentication Code (GMAC) 實現資料的認證。
• GMAC 認證：GMAC 是一種基於 Galois 欄位運算的訊息認證碼，確保資料包在傳輸過程中沒有被篡改。

(2) AES-GCMP 的工作流程

AES-GCMP 結合了加密和認證的流程，其資料處理過程分為以下幾步：

• 計數器模式加密：每個資料包會生成一個唯一的計數器 (nonce) 來確保隨機性和不可重用性，然後使用 AES 加密每個分組資料塊。
• 資料認證：加密後，AES-GCMP 使用 GMAC 生成一個訊息認證碼 (MAC)，用於驗證資料的完整性。此 MAC 被附加到資料包的尾部。
• 資料包傳送與驗證：接收方解密資料包時會驗證 GMAC，確保資料包未被篡改。如果驗證透過，則解密資料包並還原資料。

(3) AES-GCMP 與 AES-CCMP 的區別

AES-GCMP 與 WPA2 中的 AES-CCMP 有幾個重要區別：

• 效能：AES-GCMP 比 AES-CCMP 更快，因為它在認證過程中減少了計算負擔，適合更高的吞吐量。
• 認證方式：AES-GCMP 使用 GMAC(而不是 CBC-MAC)來完成認證，效率更高且加密流程更簡化。
• 加密強度：AES-GCMP 支援更長的金鑰長度，如 256 位，相比 WPA2 中 AES-CCMP 常見的 128 位金鑰更安全。

(4) AES-GCMP 的優點

• 更強的安全性：AES-GCMP 支援 256 位金鑰，進一步增強了 WPA3 網路的安全性。
• 抗篡改保護：AES-GCMP 的 GMAC 認證模式可以檢測資料包中的篡改行為，從而保護資料的完整性。
• 高效性：AES-GCMP 在較高頻寬下也能高效執行，因此特別適合於需要較高傳輸速率和低延遲的網路環境，如 Wi-Fi 6。

(5) AES-GCMP 的侷限性

• 硬體支援：AES-GCMP 的加密和認證過程對計算效能要求較高，需要裝置硬體支援 AES 硬體加速，才能達到較好的效能。
• 不向下相容 WPA2：AES-GCMP 僅適用於 WPA3，不向下相容 WPA2 網路，因此對某些老舊裝置不支援。

結尾

上面內容主要介紹了WiFi個人版本中WIFI認證與加密相關的一些知識，日常生活中，比較多的無線裝置還是使用WPA2協議，不少廠家也在逐漸更新為WPA3。

日常家庭使用WPA2/3已可以滿足需求。對於公司企業，還是使用企業版本認證加密可能會更為穩妥。

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