无线局域网安全（一）———WEP加密

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这篇文章是关于无线局域网加密的第一篇文章，所以先对无线局域网的加密做一个简单的概述。

其实我们平常在使用wifi的时候，往往会用到的加密方式主要有WEP（pre-RSNA）, WPA(TKIP), WPA2(CCMP-AES), 如果有个别对安全要求比较高的也会使用企业级加密（802.1x）. 在最新的802.11-2010标准中，有明确的支持新的无线设备应该抛弃WEP和WPA加密方式，而且必须支持WPA2加密方式，但是不得不接受的是，现在我们是有的大多数设备并没有更新的这么快，广泛的WEP和WPA仍然在使用者，而且新开发的设备也应该保持对他们的兼容，所以即使在最新开发的产品中也并没有完全按照802.11-2010的要求，直接放弃对WEP和WPA的支持。

个人觉得，即使刚开始了解无线加密，也有必要从WEP加密开始掌握WEP-WPA-WPA2-802.1x等相关知识，一是这些东西至少在当前阶段还用的上，二是后面那些更高级的加密方法其实根本上还是基于WEP加密思想改进而来的。

其实无线加密主要是对数据在链路层进行加密，如下图，802.11主要是对physical和Data-link层进行了定义，而数据链路层又分成两个部分，媒介访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC），无线数据的加密处理就是在MAC和LLC两个阶段中间做的事情，加密的对象就是MSDU。

所以对于没有MSDP的无线帧是不用加密的，比如管理帧只携带layer 2的信息，不需要加密；控制帧只有头部和尾部，不需要加密；空帧没有数据域（但有特定的功能），也不需要加密； 总之，需要加密的帧，往往是数据帧。

加密的分类主要包括共享秘钥认证和开放系统认证，WEP加密是共享秘钥式，而TKIP、CCMP和802.1x则是开放系统，这两种分类个人觉得主要区别是先完成秘钥认证再进行关联，还是先完成关联再进行秘钥认证。比如，它要求无线客户端发送的authentication报文中指定加密方式，如果是共享秘钥就会进行秘钥的确认，如果是开放系统，则会留到后面关联成功后进行秘钥的确认。

开放系统认证：这种认证方式不需要确认STA的任何信息，它只是和AP进行一个招呼式的交互，这个过程中并没有交互身份信息，所以也可以认为是一个空加密。这样做的目的是，双方都认为应该在后面使用更安全的加密方式，在这里只是先打个招呼，STA先进来，我们慢慢坐下核对信息。所以STA发送的第一个Authentication报文只要表面自己使用的开放系统认证就好了，AP自然会给予successful答复，接着后面顺利完成关联。

共享秘钥认证：这种认证方式使用WEP认证STA，所以这种认证的前提是STA和AP都有配置静态的WEP秘钥，因此认证的目的就是确认两者使用的秘钥是否一致。共享秘钥认证是通过4个认证帧的交互来完成的，STA首先发送一个Authentication request给AP，然后AP会给STA回复一个挑战明文，接着STA使用秘钥对这个明文进行加密并发送给ＡＰ，最后AP对其进行解密，如果能够解密成功并且明文一致则表示认证成功并回复。

虽然看起来，共享秘钥认证比开放系统认证会更安全，其实实际上并不是这样，因为对于共享秘钥认证，攻击者可以捕获明文内容，也可以捕获加密后的密文，那就很容易被破解，而且秘钥一旦被破解，那么后面交互的所有数据包都能轻易的decrypt。关于这部分我们在后面详细分析，了解后应该会对这点有更直观的判断。

根据加密算法的分类，可以分为同步加密算法和异步加密算法：

同步加密算法：这种算法不管是加密还是解密，都是使用同一个秘钥，为了确保数据的安全，就需要对这么秘钥进行保护，但问题是在进行认证的时候必须对这个秘钥进行确认，那么就需要提出一种安全的确认秘钥的方法，这些方法包括WEP, TKIP, and CCMP。

异步加密算法：这种算法包含了两个秘钥，分别是公钥和私钥，公钥用于消息的加密，私钥用于消息的解密，所以即使有好多人知道公钥，没有私钥也破解不了消息。（这种算法这里不详细介绍）

流加密和块加密： 流加密以一个bit为单位进行处理，块加密以一个块为单位进行处理，前者可以进行简单的异或操作，如：

下面开始介绍一下WEP加密

WEP是一个Layer 2的加密方法，它使用的是ARC4流加密。它有一个数据完整性校验操作，也就是Integrity Check Value (ICV)，这个值是通过计算为加密的数据域（MSDU）而来的。

802.11标准定义了两个WEP版本，分别是WEP-40和WEP-104支持64bit和128bit加密，其实40和104都是从64与128减24得来的，这24位叫初始化向量Initialization Vector (IV)，注意和ICV进行区分。

40和104则是指静态秘钥的bit长度，也就是说WEP-40支持输入10 hex characters or 5 ASCII characters
，WEP-104支持输入26 hex characters or 13 ASCII characters:

一般来说，WEP支持4个key，使用时从中选一个进行加密。

那么WEP加密过程是怎么实现的呢？下面根据流程图来分析一下

（1） IV是动态生成的24bit随机数，标准没有指定应该怎么生成，而且在数据帧中以明文的方式进行发送，它和key结合生成随机种子（seed），然后运用CR4算法生成秘钥流（keystream）。

（2）对需要加密的明文进行CRC-32运算，生成 ICV（32位），然后将这个 ICV 追加到 plaintext的后面

（3）将尾部有 ICV的plaintext 与密码流进行异或运算，得到加密数据

（4）将 IV 添加到加密数据的前面，进行传送。

下面是WEP加密后的一个数据帧MPDU 格式：

从上图可以看出，在帧体部分包括 IV + MSDU + ICV：

IV一共是4个字节，前3个字节是24bit的初始化向量，后面6bit暂时预留空白没用，最后两个bit用来指定使用哪个key，我们前面有提到过，WEP可以配置4个KEY。

MSDU和ICV是被加密的，在解密的时候，需要检验ICV是否一致

和加密相反，解密也需要这几个过程：

（1）IV和key结合生成随机种子（seed），然后运用CR4算法生成秘钥流（keystream）

（2）将keystream和加密数据进行异或，得到 plaintext 和 ICV

（3）根据解密后得到的 plaintext 再计算一个 ICV 和包中的 ICV进行比较，判断是否相等，这也算是一个可靠性的保证。

下面通过实际操作分析WEP加密的认证过程：

1. 将router设成WEP加密，并使用key1
   

2. 确认加密配置成功
   

3. 使用PC无线网卡和Router进行连接并抓包

（1）表明认证方式

（2）机密信息交互

4. 完成认证以后就进行关联

5. 关联完成，可以正常的加密数据传输

WEP加密比较简单，交互步骤也比较少，关于WEP破解这里不描述，介绍WEP主要是为了更好的理解后面更高级的加密方式，后面将继续介绍 TKIP加密