WLAN中802.1x協(xié)議的安全和應(yīng)用研究

qianyuqianxun

　　1 802.11無線局域網(wǎng)的安全機(jī)制

    802.11無線局域網(wǎng)運(yùn)作模式基本分為兩種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Ad Hoc）模式和基本（Infrastructure）模式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式指無線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡之間的直接通信方式。只要PC插上無線網(wǎng)卡即可與另一具有無線網(wǎng)卡的PC連接，這是一種便捷的連接方式，最多可連接256個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。基本模式指無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)充或無線和有線網(wǎng)絡(luò)并存的通信方式，這也是802.11最常用的方式。此時(shí)，插上無線網(wǎng)卡的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需通過接入點(diǎn)AP（Access Point）與另一臺(tái)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接。接入點(diǎn)負(fù)責(zé)頻段管理及漫游管理等工作，一個(gè)接入點(diǎn)最多可連接1024個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)增時(shí)，網(wǎng)絡(luò)存取速度會(huì)隨著范圍擴(kuò)大和節(jié)點(diǎn)的增加而變慢，此時(shí)添加接入點(diǎn)可以有效控制和管理頻寬與頻段。

    與有線網(wǎng)絡(luò)相比較，無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題具有以下特點(diǎn)：（1）信道開放，無法阻止攻擊者竊聽，惡意修改并轉(zhuǎn)發(fā)；（2）傳輸媒質(zhì)―無線電波在空氣中的傳播會(huì)因多種原因（例如障礙物）發(fā)生信號(hào)衰減，導(dǎo)致信息的不穩(wěn)定，甚至?xí)�丟失；（3）需要常常移動(dòng)設(shè)備（尤其是移動(dòng)用戶），設(shè)備容易丟失或失竊；（4）用戶不必與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)際連接，使得攻擊者偽裝合法用戶更容易。由于上述特點(diǎn)，利用WLAN進(jìn)行通信必須具有較高的通信保密能力。

    802.11無線局域網(wǎng)本身提供了一些基本的安全機(jī)制。802.11接入點(diǎn)AP可以用一個(gè)服務(wù)集標(biāo)識(shí)SSID（Service Set Identifier）或ESSID（Extensible Service Set Identifier）來配置。與接入點(diǎn)有關(guān)的網(wǎng)卡必須知道SSID以便在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。但這是一個(gè)非常脆弱的安全手段。因?yàn)镾SID通過明文在大氣中傳送，甚至被接入點(diǎn)廣播，所有的網(wǎng)卡和接入點(diǎn)都知道SSID.

    802.11的安全性主要包括以有線同等保密WEP（Wired Equivalent Privacy）算法為基礎(chǔ)的身份驗(yàn)證服務(wù)和加密技術(shù)。WEP 是一套安全服務(wù)，用來防止 802.11 網(wǎng)絡(luò)受到未授權(quán)用戶的訪問。啟用 WEP 時(shí)，可以指定用于加密的網(wǎng)絡(luò)密鑰，也可自動(dòng)提供網(wǎng)絡(luò)密鑰。如果親自指定密鑰，還可以指定密鑰長度（64 位或 128 位）、密鑰格式（ASCII 字符或十六進(jìn)制數(shù)字）和密鑰索引（存儲(chǔ)特定密鑰的位置）。原理上密鑰長度越長，密鑰應(yīng)該越安全。思科公司的Scott Fluhrer與Weizmann研究院的Itsik Mantin和Adi hamir合作并發(fā)表了題為《RC4秘鑰時(shí)序算法缺點(diǎn)》的論文，講述了關(guān)于WEP標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重攻擊問題。

    另外，這一安全機(jī)制的一個(gè)主要限制是標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定一個(gè)分配密鑰的管理協(xié)議。這就假定了共享密鑰是通過獨(dú)立于802.11的秘密渠道提供給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)這種移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量龐大時(shí)，將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

    2 802.1x協(xié)議的體系


    IEEE 802.1x協(xié)議起源于802.11， 其主要目的是為了解決無線局域網(wǎng)用戶的接入認(rèn)證問題。802.1x 協(xié)議又稱為基于端口的訪問控制協(xié)議，可提供對(duì)802.11無線局域網(wǎng)和對(duì)有線以太網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證的網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限。802.1x協(xié)議僅僅關(guān)注端口的打開與關(guān)閉，對(duì)于合法用戶接入時(shí)，打開端口；對(duì)于非法用戶接入或沒有用戶接入時(shí)，則端口處于關(guān)閉狀態(tài)。

    IEEE 802.1x協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)主要包括三部分實(shí)體：客戶端Supplicant System、認(rèn)證系統(tǒng)Authenticator System、認(rèn)證服務(wù)器Authentication Server System.

    （1）客戶端：一般為一個(gè)用戶終端系統(tǒng)，該終端系統(tǒng)通常要安裝一個(gè)客戶端軟件，用戶通過啟動(dòng)這個(gè)客戶端軟件發(fā)起IEEE 802.1x協(xié)議的認(rèn)證過程。

    （2）認(rèn)證系統(tǒng)：通常為支持IEEE 802.1x協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。該設(shè)備對(duì)應(yīng)于不同用戶的端口有兩個(gè)邏輯端口：受控（controlled Port）端口和非受控端口（uncontrolled Port）。第一個(gè)邏輯接入點(diǎn)（非受控端口），允許驗(yàn)證者和 LAN 上其它計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)，而無需考慮計(jì)算機(jī)的身份驗(yàn)證狀態(tài)如何。非受控端口始終處于雙向連通狀態(tài)（開放狀態(tài)），主要用來傳遞EAPOL協(xié)議幀，可保證客戶端始終可以發(fā)出或接受認(rèn)證。第二個(gè)邏輯接入點(diǎn)（受控端口），允許經(jīng)驗(yàn)證的 LAN 用戶和驗(yàn)證者之間交換數(shù)據(jù)。受控端口平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在客戶端認(rèn)證通過時(shí)才打開，用于傳遞數(shù)據(jù)和提供服務(wù)。受控端口可配置為雙向受控、僅輸入受控兩種方式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用程序。如果用戶未通過認(rèn)證，則受控端口處于未認(rèn)證（關(guān)閉）狀態(tài)，則用戶無法訪問認(rèn)證系統(tǒng)提供的服務(wù)。

    （3）認(rèn)證服務(wù)器：通常為RADIUS服務(wù)器，該服務(wù)器可以存儲(chǔ)有關(guān)用戶的信息，比如用戶名和口令、用戶所屬的VLAN、優(yōu)先級(jí)、用戶的訪問控制列表等。當(dāng)用戶通過認(rèn)證后，認(rèn)證服務(wù)器會(huì)把用戶的相關(guān)信息傳遞給認(rèn)證系統(tǒng)，由認(rèn)證系統(tǒng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)的訪問控制列表，用戶的后續(xù)數(shù)據(jù)流就將接受上述參數(shù)的監(jiān)管。

　　3 802.1x協(xié)議的認(rèn)證過程

    利用IEEE 802.1x可以進(jìn)行身份驗(yàn)證，如果計(jì)算機(jī)要求在不管用戶是否登錄網(wǎng)絡(luò)的情況下都訪問網(wǎng)絡(luò)資源，可以指定計(jì)算機(jī)是否嘗試訪問該網(wǎng)絡(luò)的身份驗(yàn)證。以下步驟描述了利用接入點(diǎn)AP和RADIUS服務(wù)器對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份驗(yàn)證的基本方法。如果沒有有效的身份驗(yàn)證密鑰，AP會(huì)禁止所有的網(wǎng)絡(luò)流量通過。

    （1）當(dāng)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（申請(qǐng)者）進(jìn)入一個(gè)無線AP認(rèn)證者的覆蓋范圍時(shí)，無線AP會(huì)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)問詢。

    （2）在受到來自AP的問詢之后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)，告知自己的身份。

    （3）AP將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的身份轉(zhuǎn)發(fā)給RADIUS身份驗(yàn)證服務(wù)器，以便啟動(dòng)身份驗(yàn)證服務(wù)。

    （4）RADIUS服務(wù)器請(qǐng)求移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送它的憑據(jù)，并且指定確認(rèn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)身份所需憑據(jù)的類型。

    （5）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將它的憑據(jù)發(fā)送給RADIUS.

    （6）在對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)憑據(jù)的有效性進(jìn)行了確認(rèn)之后，RADIUS服務(wù)器將身份驗(yàn)證密鑰發(fā)送給AP.該身份驗(yàn)證密鑰將被加密，只有AP能夠讀出該密鑰。（在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和RADIUS服務(wù)器之間傳遞的請(qǐng)求通過AP的“非控制”端口進(jìn)行傳遞，因?yàn)橐苿?dòng)節(jié)點(diǎn)不能直接與RADIUS服務(wù)器建立聯(lián)系。AP不允許STA移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過“受控制”端口傳送數(shù)據(jù)，因?yàn)樗�還沒有經(jīng)過身份驗(yàn)證。）

    （7）AP使用從RADIUS服務(wù)器處獲得的身份驗(yàn)證密鑰保護(hù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的安全傳輸——特定于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的單播會(huì)話密鑰以及多播/全局身份驗(yàn)證密鑰。

    全局身份驗(yàn)證密鑰必須被加密。這要求所使用的EAP方法必須能夠生成一個(gè)加密密鑰，這也是身份驗(yàn)證過程的一個(gè)組成部分。傳輸層安全TLS（Transport Level Security）協(xié)議提供了兩點(diǎn)間的相互身份驗(yàn)證、完整性保護(hù)、密鑰對(duì)協(xié)商以及密鑰交換。我們可以使用EAP-TLS在EAP內(nèi)部提供TLS機(jī)制。

    移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可被要求周期性地重新認(rèn)證以保持一定的安全級(jí)。

    4 802.1x協(xié)議的特點(diǎn)

    IEEE 802.1x具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

    （1）實(shí)現(xiàn)簡單。IEEE 802.1x協(xié)議為二層協(xié)議，不需要到達(dá)三層，對(duì)設(shè)備的整體性能要求不高，可以有效降低建網(wǎng)成本。

    （2）認(rèn)證和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離。IEEE 802.1x的認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)中采用了“受控端口”和“非受控端口”的邏輯功能，從而可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與認(rèn)證的分離。用戶通過認(rèn)證后，業(yè)務(wù)流和認(rèn)證流實(shí)現(xiàn)分離，對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)包處理沒有特殊要求，業(yè)務(wù)可以很靈活，尤其在開展寬帶組播等方面的業(yè)務(wù)有很大的優(yōu)勢，所有業(yè)務(wù)都不受認(rèn)證方式限制。

    IEEE 802.1x同時(shí)具有以下不足

    802.1x認(rèn)證是需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)之間的會(huì)話，這一會(huì)話使用IETF的EAP（Extensible Authentication Protocol）認(rèn)證協(xié)議。協(xié)議描述了認(rèn)證機(jī)制的體系結(jié)構(gòu)框架使得能夠在802.11實(shí)體之間發(fā)送EAP包，并為在AP和工作站間的高層認(rèn)證協(xié)議建立了必要條件。對(duì)MAC地址的認(rèn)證對(duì)802.1x來說是最基本的，如果沒有高層的每包認(rèn)證機(jī)制，認(rèn)證端口沒有辦法標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)者或其包。而且實(shí)驗(yàn)證明802.1x由于其設(shè)計(jì)缺陷其安全性已經(jīng)受到威脅，常見的攻擊有中間人MIM攻擊和會(huì)話攻擊。

    所以802.11與802.1x的簡單結(jié)合并不能提供健壯的安全無線環(huán)境，必須有高層的清晰的交互認(rèn)證協(xié)議來加強(qiáng)。幸運(yùn)的是，802.1x為實(shí)現(xiàn)高層認(rèn)證提供了基本架構(gòu)。

　　5 802.1x認(rèn)證協(xié)議的應(yīng)用

    IEEE 802.1x 使用標(biāo)準(zhǔn)安全協(xié)議（如RADIUS）提供集中的用戶標(biāo)識(shí)、身份驗(yàn)證、動(dòng)態(tài)密鑰管理和記帳。802.1x身份驗(yàn)證可以增強(qiáng)安全性。IEEE 802.1x身份驗(yàn)證提供對(duì)802.11無線網(wǎng)絡(luò)和對(duì)有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)證的訪問權(quán)限。IEEE 802.1x 通過提供用戶和計(jì)算機(jī)標(biāo)識(shí)、集中的身份驗(yàn)證以及動(dòng)態(tài)密鑰管理，可將無線網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)減小到最低程度。在此執(zhí)行下，作為 RADIUS 客戶端配置的無線接入點(diǎn)將連接請(qǐng)求和記帳郵件發(fā)送到中央 RADIUS 服務(wù)器。中央 RADIUS 服務(wù)器處理此請(qǐng)求并準(zhǔn)予或拒絕連接請(qǐng)求。如果準(zhǔn)予請(qǐng)求，根據(jù)所選身份驗(yàn)證方法，該客戶端獲得身份驗(yàn)證，并且為會(huì)話生成唯一密鑰。IEEE 802.1x為可擴(kuò)展的身份驗(yàn)證協(xié)議 EAP 安全類型提供的支持使您能夠使用諸如智能卡、證書以及 Message Digest 5 （MD5） 算法這樣的身份驗(yàn)證方法。

    擴(kuò)展身份驗(yàn)證協(xié)議EAP是一個(gè)支持身份驗(yàn)證信息通過多種機(jī)制進(jìn)行通信的協(xié)議。利用802.1x，EAP可以用來在申請(qǐng)者和身份驗(yàn)證服務(wù)器之間傳遞驗(yàn)證信息。這意味著EAP消息需要通過LAN介質(zhì)直接進(jìn)行封裝。認(rèn)證者負(fù)責(zé)在申請(qǐng)者和身份驗(yàn)證服務(wù)器之間轉(zhuǎn)遞消息。身份驗(yàn)證服務(wù)器可以是一臺(tái)遠(yuǎn)程身份驗(yàn)證撥入用戶服務(wù)（RADIUS）服務(wù)器。

    以下舉一個(gè)例子，說明對(duì)申請(qǐng)者進(jìn)行身份驗(yàn)證所需經(jīng)過的步驟：

    （1）認(rèn)證者發(fā)送一個(gè)EAP - Request/Identity（請(qǐng)求/身份）消息給申請(qǐng)者。

    （2）申請(qǐng)者發(fā)送一個(gè)EAP - Response/Identity（響應(yīng)/身份）以及它的身份給認(rèn)證者。認(rèn)證者將收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)給身份驗(yàn)證服務(wù)器。

    （3）身份驗(yàn)證服務(wù)器利用一個(gè)包含口令問詢的EAP - Request消息通過認(rèn)證者對(duì)申請(qǐng)者做出響應(yīng)。

    （4）申請(qǐng)者通過認(rèn)證者將它對(duì)口令問詢的響應(yīng)發(fā)送給身份驗(yàn)證服務(wù)器。

    （5）如果身份驗(yàn)證通過，授權(quán)服務(wù)器將通過認(rèn)證者發(fā)送一個(gè)EAP - Success響應(yīng)給申請(qǐng)者。認(rèn)證者可以使用“Success”（成功）響應(yīng)將受控制端口的狀態(tài)設(shè)置為“已授權(quán)”。

    6 802.1x與智能卡

    智能卡通常用在安全性要求比較高的場合，并與認(rèn)證協(xié)議的應(yīng)用相結(jié)合。這首先是由于智能卡能夠保護(hù)并安全的處理敏感數(shù)據(jù)；而智能卡能保護(hù)密鑰也是相當(dāng)重要的，一切秘密寓于密鑰之中，為了能達(dá)到密碼所提供的安全服務(wù)，密鑰絕對(duì)不能被泄密，但為安全原因所增加的成本卻不能太多。

    智能卡自身硬件的資源極為有限。用其實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)面臨著存儲(chǔ)器容量和計(jì)算能力方面受到的限制。目前市場上的大多數(shù)智能卡有128到1024字節(jié)的RAM，1 k到16 k字節(jié)的EEPROM，6 k到16 k字節(jié)的ROM，CPU通常為8比特的，典型的時(shí)鐘頻率為3.57 MHz.任何存儲(chǔ)或者是處理能力的增強(qiáng)都意味著智能卡成本的大幅度提高。

    另外智能卡的數(shù)據(jù)傳送是相對(duì)慢的，為提高應(yīng)用的效率，基本的數(shù)據(jù)單元必須要小，這樣可以減少智能卡與卡終端之間的數(shù)據(jù)流量，其傳送時(shí)間的減少則意味著實(shí)用性的增強(qiáng)。

    將802.1x與智能卡的應(yīng)用相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是：認(rèn)證更加安全；生成和管理密鑰方便；節(jié)省內(nèi)存空間；節(jié)省帶寬，提高實(shí)用性；節(jié)省處理時(shí)間，而不需要增加硬件的處理等方面。802.1x安全認(rèn)證協(xié)議所帶來的各優(yōu)點(diǎn)恰好彌補(bǔ)了智能卡硬件的各種局限，不僅能有效地降低智能卡的生產(chǎn)成本，也能提高智能卡的實(shí)用性。

    7 發(fā)展方向和趨勢

    802.11無線局域網(wǎng)目前的安全標(biāo)準(zhǔn)主要有兩大發(fā)展主流：

    （1）WPA.802.1x協(xié)議僅僅提供了一種用戶接入認(rèn)證的手段，并簡單地通過控制接入端口的開/關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，這種簡化適用于無線局域網(wǎng)的接入認(rèn)證、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理或邏輯端口的接入認(rèn)證。WPA（Wi-Fi 受保護(hù)訪問）是一種新的基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的安全解決方法。Wi-Fi 聯(lián)盟經(jīng)過努力，于 2002 年 10 月下旬宣布了基于此標(biāo)準(zhǔn)的解決方法，以便開發(fā)更加穩(wěn)定的無線 LAN 安全解決方法來滿足 802.11的要求。WPA 包括 802.1x 驗(yàn)證和 TKIP 加密（一種更高級(jí)和安全的 WEP 加密形式），以進(jìn)一步形成和完善IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)。

    （2）WAPI.我國已于2003年12月1日起強(qiáng)制執(zhí)行了新的無線局域網(wǎng)安全國家標(biāo)準(zhǔn)―無線局域網(wǎng)鑒別和保密基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)WAPI（WLAN Authentication and Privacy Infrastructure）。WAPI由無線局域網(wǎng)鑒別基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)WAI（WLAN Authentication Infrastructure）和無線局域網(wǎng)保密基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)WPI（WLAN Privacy Infrastructure）組成。WAPI與已有安全機(jī)制相比具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了國家標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性。WAPI與已有安全機(jī)制相比在很多方面都進(jìn)行了改進(jìn)。它已由ISO/IEC授權(quán)的IEEE Registration Authority審查獲得認(rèn)可，分配了用于WAPI協(xié)議的以太網(wǎng)類型字段，這也是我國目前在該領(lǐng)域惟一獲得批準(zhǔn)的協(xié)議。WAPI采用國家密碼管理委員會(huì)辦公室批準(zhǔn)的公開密鑰體制的橢圓曲線密碼算法和秘密密鑰體制的分組密碼算法，分別用于WLAN設(shè)備的數(shù)字證書、密鑰協(xié)商和傳輸數(shù)據(jù)的加解密，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的身份鑒別、鏈路驗(yàn)證、訪問控制和用戶信息在無線傳輸狀態(tài)下的加密保護(hù)。