Wi-Fi技术——网络安全

一、数据帧的安全

1、无线网络安全的发展

理论上无线电波范围内的任何一个站点都可以监听并登录无线网络，所有发送或接收的数据，都有可能被截取，因此无线网络安全十分重要。

原始802.11的安全策略为WEP，其存在根本性的漏洞：

静态密钥：所有用户共享一个长期不变的密钥。
弱加密算法：使用容易被破解的RC4流密码。
无消息完整性校验：数据包容易被篡改和重放。

因此，IEEE在2004年推出一个修正案802.11i，以解决上述的问题。

802.11i 定义了一个完整的、健壮的安全架构（Robust Security Network, RSN），为无线局域网（WLAN）提供强有力的安全保障。其安全体系建立于三个基础之上：

身份验证（Authentication） ：用户或设备是否有权接入网络
- 个人模式 (Personal Mode)：使用预共享密钥PSK，即WiFi密码，通过一个"四次握手"过程来相互认证并生成加密密钥
- 企业模式 (Enterprise Mode)：使用 IEEE 802.1X 端口访问控制框架和 EAP（可扩展认证协议）。需要第三方认证服务器（通常为RADIUS服务器）参与
秘钥管理（Key Management） ：如何生成、分发和更新用于加密数据的密钥。最大进步之一 。
- 使用四次握手 (4-Way Handshake)：协商生成加密单播的PTK（Pairwise Transient Key）和加密组播/广播的GTK（Group Temporal Key）
- 具备动态密钥和向前保密的优势
数据加密（Data Encryption） ：使用强加密算法对空中传输的数据进行编码，并确保数据在传输过程中未被篡改
- 核心为CCMP加密协议：基于AES (Advanced Encryption Standard) 块加密算法

当前的安全策略主要包括：WEP、WPA、WPA2、WAP3等，每个安全策略包括身份接入认证方式 和数据加密方式。

2、身份认证方式

用于验证设备是否被允许接入网络的机制

1.1 PSK预共享密钥

PSK（Pre-Shared Key）：预共享密钥

所有用户使用同一个密码。
通过"四次握手"过程，基于这个公共密码派生出用于加密数据的临时密钥（PTK）。

1.2 SAE对等同时认证

SAE（Simultaneous Authentication of Equals）：对等同时认证

通过一种密码学上的" Dragonfly 握手"协议，直接在客户端和接入点之间建立共享密钥，而无需传输密码本身
可以从根本上抵抗离线暴力破解（即使用户密码简单）并提供前向保密
在WPA3的个人模式中用于取代PSK

1.3 802.1X/EAP

EAP（Extensible Authentication Protocol）：可扩展认证协议

一个框架而非具体方法，允许使用多种不同的方法来进行身份验证，例如用户名/密码、数字证书、智能卡等
需要一台中央RADIUS认证服务器。
当设备（Supplicant）连接AP时，AP会将其认证信息（如用户名/密码、数字证书）转发给RADIUS服务器进行验证，由RADIUS服务器完成验证并返回结果
为每个用户提供独立身份凭证，支持像数字证书这样非常强壮的认证方式，安全性极高
管理性强，可以轻松地添加、删除用户或更改某个用户的权限

3、数据加密方式

在认证通过后，对空中传输的数据进行加密保护的方法

2.1 RC4

一种流密码。
主要是WEP使用，但因其初始向量（IV）太短且管理方式有误，导致极易被破解

2.2 TKIP

TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）：临时密钥完整性协议

WPA所使用的临时解决方案
于RC4，但增加了每包密钥、消息完整性检查（MIC）等机制来修补WEP的漏洞。
但后来自身也被攻破

2.3 CCMP

CCMP（Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol）：计数器模式密码块链消息认证码协议

WPA2的强制加密标准
基于AES（Advanced Encryption Standard）这一强壮的块加密算法，提供高度的机密性和完整性保护

2.4 GCMP

GCMP（Galois/Counter Mode Protocol）：伽罗瓦/计数器模式协议

WPA3使用的更高效、更安全的加密模式
基于AES，但比CCMP更高效
WPA3-Enterprise要求使用GCMP-256（密钥长度256位），比WPA2的CCMP-128（128位）更强

4、安全策略

将身份认证机制与数据加密算法结合起来，形成一个完整的安全方案。

分为Person模式和Enterprise模式，通过定义不同的"模式"来整合认证机制和加密算法

1.WEP

WEP（Wired Equivalent Privacy）：有线等效保密，1999年制定的第一个无线安全协议。

身份认证：使用共享密钥RC4加密算法，有64位和128位两种加密方式
- 密钥长度最初40位（5个字符），后来增加到104位（13个字符），有些设备可以支持152位加密，创建一个IV与密钥共同加密数据包
使用RC4 流密码进行数据加密
有多个安全弱点，使用静态密钥，非常容易受到攻击。现在只需几分钟就能用常见工具破解
与现代无线路由设备的技术标准不兼容，‌影响了传输速率

已在2003年被WPA淘汰。

2.WPA

WPA（WiFi Protected Access）：WiFi 访问保护，802.11i 的"预览版"或子集，一个过渡方案

身份认证：使用PSK或EAP进行身份认证
数据加密 ：引入了临时密钥完整性协议（TKIP）进行数据加密 ，在 WEP 的基础上增加了密钥混合功能、消息完整性检查（MIC）等机制
- TKIP仍用RC4加密算法，但是每个包的RC4 key不同

WPA-PSK

WPA-EAP

3.WPA2

802.11i 的完整官方认证

身份认证 ：使用PSK或EAP进行身份认证
- 个人版WPA2-PSK，企业版WPA2-EAP
数据加密 ：强制使用CCMP（基于AES）加密算法。
- 同时保留了TKIP以提供向后兼容性（但开启TKIP会降低安全性）
WPA2的主要弱点在于"KRACK"（Key Reinstallation Attacks）攻击，即针对四次握手过程的漏洞。

目前的主流安全策略，基本安全。

4.WPA3

802.11i 的增强演进

身份认证：使用SAE或EAP
- 个人版WPA3-SAE，企业版WPA3-EAP
数据加密：使用GCMP-256 (更强AES模式) 和 CCMP-128 (向后兼容)

当前最强的安全策略

5、总结

安全协议策略	推出时间	身份认证方式 (Authentication)	数据加密方式 (Encryption)	安全性评价
Open (无加密)	-	无	无	极不安全
WEP	1999	基于RC4算法的共享密钥认证	RC4 流密码	已淘汰，极不安全：设计存在根本性缺陷，可在几分钟内被破解
WPA	2003	PSK (预共享密钥) 或 802.1X/EAP (企业认证)	TKIP (基于RC4，带有修补机制)	已过时，不安全：TKIP已被破解
WPA2	2004	PSK (预共享密钥) 或 802.1X/EAP (企业认证)	CCMP (基于 AES 块密码的强加密模式)	目前主流，基本安全：AES加密非常强大。
WPA3	2018	SAE (对等同时认证，取代PSK) 或 802.1X/EAP (企业认证，更强)	GCMP-256 (更强AES模式) 和 CCMP-128 (向后兼容)	现代最强，推荐使用： forward secrecy，抗暴力破解。

二、管理帧的安全

1、必要性

管理帧负责维护基站（AP）和客户端（如手机、电脑）之间的连接关系，例如：

认证（Authentication） / 解除认证（Deauthentication）
关联（Association） / 解除关联（Disassociation）
信标（Beacon）

这些管理帧本身是未经加密和完整性校验的，即使你使用了WPA2。攻击者可以非常容易地伪造并发送这些帧

经典攻击------解除认证攻击（Deauth Attack）：

攻击者监听网络，获取你的AP和设备的MAC地址。
攻击者伪造一个看起来像是从AP发往你设备的 "解除认证帧" 。
你的设备收到这个伪造的帧后，信以为真，便会断开与WiFi的连接。
这种攻击可以持续进行，导致你的设备无法正常联网，或者被迫重新连接，从而为更复杂的攻击（如窃取WPA四次握手包进行暴力破解）创造机会。

2、802.11w

802.11w旨在为WiFi网络中的管理帧（Management Frames）提供安全保护，防止针对这些帧的常见攻击，如"解除认证攻击"和"解除关联攻击"。

WPA3 将 802.11w 的管理帧保护（MFP）作为一项强制性要求，而WPA2对于支持802.11w则是可选的。

两种运行模式

capable模式 ：AP和客户端都支持802.11w功能，但它们之间的连接可以不使用MFP。这是一种协商和兼容状态。
enabled模式 ：AP要求必须使用管理帧保护。不支持802.11w的旧客户端将无法连接**到该网络。这是最安全的模式

保护机制

借鉴了WPA2（802.11i）保护数据帧的思路来保护管理帧

单播管理帧保护：PTK->MIC
- 使用在"四次握手"过程中生成的PTK（Pairwise Transient Key）来为单播管理帧（如解除关联、解除认证）计算一个消息完整性校验码（MIC）
- 接收方（AP或客户端）会验证这个MIC。如果MIC校验失败，该帧会被直接丢弃
组播管理帧保护：序列号+MIC
- 使用**BIP（Broadcast/Multicast Integrity Protocol）**为广播/组播管理帧（如信标帧）提供保护和重放攻击防护
- AP使用一个GTK（Group Temporal Key）的衍生密钥来为这些帧添加序列号和MIC
- 客户端会检查序列号以确保没有收到过时的重复帧

优缺点

优点：

拒绝服务（DoS）攻击：极大地增加了发起解除认证攻击的难度，提升了网络稳定性
增强整体安全性：关闭了一个长期存在的安全漏洞，使攻击者更难将用户踢下线以窃听或进行中间人攻击
保护隐私：某些管理帧可能包含信息元素（如网络名称、支持的速率），保护它们可以避免信息泄露

缺点：

兼容性问题：非常古老的设备（2009年之前的设备可能普遍不支持）无法连接到要求强制启用MFP（ enabled模式）的网络
并非万能：802.11w主要保护的是管理帧。它不加密管理帧的内容（例如，信标帧中的SSID仍然是明文），它只是防止篡改和伪造。数据帧的安全仍然由WPA2/WPA3负责
不能完全杜绝所有DoS攻击：它主要防御基于管理帧的攻击，但还有其他方式的无线DoS攻击（如射频干扰）是它无法阻止的