一、數據幀的安全

1、無線網絡安全的發展

理論上無線電波范圍內的任何一個站點都可以監聽并登錄無線網絡，所有發送或接收的數據，都有可能被截取，因此無線網絡安全十分重要。

原始802.11的安全策略為WEP，其存在根本性的漏洞：

• 靜態密鑰：所有用戶共享一個長期不變的密鑰。
• 弱加密算法：使用容易被破解的RC4流密碼。
• 無消息完整性校驗：數據包容易被篡改和重放。

因此，IEEE在2004年推出一個修正案802.11i，以解決上述的問題。

802.11i 定義了一個完整的、健壯的安全架構（Robust Security Network, RSN），為無線局域網（WLAN）提供強有力的安全保障。其安全體系建立于三個基礎之上：

• 身份驗證（Authentication）：用戶或設備是否有權接入網絡
  • 個人模式 (Personal Mode)：使用預共享密鑰PSK，即WiFi密碼，通過一個“四次握手”過程來相互認證并生成加密密鑰
  • 企業模式 (Enterprise Mode)：使用 IEEE 802.1X 端口訪問控制框架和 EAP（可擴展認證協議）。需要第三方認證服務器（通常為RADIUS服務器）參與
• 秘鑰管理（Key Management）：如何生成、分發和更新用于加密數據的密鑰。最大進步之一。
  • 使用 四次握手 (4-Way Handshake)：協商生成加密單播的PTK（Pairwise Transient Key）和加密組播/廣播的GTK（Group Temporal Key）
  • 具備動態密鑰和向前保密的優勢
• 數據加密（Data Encryption）：使用強加密算法對空中傳輸的數據進行編碼，并確保數據在傳輸過程中未被篡改
  • 核心為CCMP加密協議：基于AES (Advanced Encryption Standard) 塊加密算法

當前的安全策略主要包括：WEP、WPA、WPA2、WAP3等，每個安全策略包括身份接入認證方式和數據加密方式。

2、身份認證方式

用于驗證設備是否被允許接入網絡的機制

1.1 PSK預共享密鑰

PSK（Pre-Shared Key）：預共享密鑰

• 所有用戶使用同一個密碼。
• 通過“四次握手”過程，基于這個公共密碼派生出用于加密數據的臨時密鑰（PTK）。

1.2 SAE對等同時認證

SAE（Simultaneous Authentication of Equals）：對等同時認證

• 通過一種密碼學上的“ Dragonfly 握手”協議，直接在客戶端和接入點之間建立共享密鑰，而無需傳輸密碼本身
• 可以從根本上抵抗離線暴力破解（即使用戶密碼簡單）并提供前向保密
• 在WPA3的個人模式中用于取代PSK

1.3 802.1X/EAP

EAP（Extensible Authentication Protocol）：可擴展認證協議

• 一個框架而非具體方法，允許使用多種不同的方法來進行身份驗證，例如用戶名/密碼、數字證書、智能卡等
• 需要一臺中央RADIUS認證服務器。
• 當設備（Supplicant）連接AP時，AP會將其認證信息（如用戶名/密碼、數字證書）轉發給RADIUS服務器進行驗證，由RADIUS服務器完成驗證并返回結果
• 為每個用戶提供獨立身份憑證，支持像數字證書這樣非常強壯的認證方式，安全性極高
• 管理性強，可以輕松地添加、刪除用戶或更改某個用戶的權限

3、數據加密方式

在認證通過后，對空中傳輸的數據進行加密保護的方法

2.1 RC4

• 一種流密碼。
• 主要是WEP使用，但因其初始向量（IV）太短且管理方式有誤，導致極易被破解

2.2 TKIP

TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）：臨時密鑰完整性協議

• WPA所使用的臨時解決方案
• 于RC4，但增加了每包密鑰、消息完整性檢查（MIC）等機制來修補WEP的漏洞。
• 但后來自身也被攻破

2.3 CCMP

CCMP（Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol）：計數器模式密碼塊鏈消息認證碼協議

• WPA2的強制加密標準
• 基于AES（Advanced Encryption Standard）這一強壯的塊加密算法，提供高度的機密性和完整性保護

2.4 GCMP

GCMP（Galois/Counter Mode Protocol）：伽羅瓦/計數器模式協議

• 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（密鑰長度256位），比WPA2的CCMP-128（128位）更強

4、安全策略

將身份認證機制與數據加密算法結合起來，形成一個完整的安全方案。

分為Person模式和Enterprise模式，通過定義不同的“模式”來整合認證機制和加密算法

1.WEP

WEP（Wired Equivalent Privacy）：有線等效保密，1999年制定的第一個無線安全協議。

• 身份認證：使用共享密鑰RC4加密算法，有64位和128位兩種加密方式
  • 密鑰長度最初40位（5個字符），后來增加到104位（13個字符），有些設備可以支持152位加密，創建一個IV與密鑰共同加密數據包
• 使用RC4 流密碼進行數據加密
• 有多個安全弱點，使用靜態密鑰，非常容易受到攻擊。現在只需幾分鐘就能用常見工具破解
• 與現代無線路由設備的技術標準不兼容，?影響了傳輸速率

已在2003年被WPA淘汰。

2.WPA

WPA（WiFi Protected Access）：WiFi 訪問保護，802.11i 的“預覽版”或子集，一個過渡方案

• 身份認證：使用PSK或EAP進行身份認證
• 數據加密：引入了臨時密鑰完整性協議（TKIP）進行數據加密，在 WEP 的基礎上增加了密鑰混合功能、消息完整性檢查（MIC）等機制
  • TKIP仍用RC4加密算法，但是每個包的RC4 key不同

WPA-PSK
WPA-EAP

3.WPA2

802.11i 的完整官方認證

• 身份認證：使用PSK或EAP進行身份認證
  • 個人版WPA2-PSK，企業版WPA2-EAP
• 數據加密：強制使用CCMP（基于AES）加密算法。
  • 同時保留了TKIP以提供向后兼容性（但開啟TKIP會降低安全性）
• WPA2的主要弱點在于“KRACK”（Key Reinstallation Attacks）攻擊，即針對四次握手過程的漏洞。

目前的主流安全策略，基本安全。

4.WPA3

802.11i 的增強演進

• 身份認證：使用SAE或EAP
  • 個人版WPA3-SAE，企業版WPA3-EAP
• 數據加密：使用GCMP-256 (更強AES模式) 和 CCMP-128 (向后兼容)

當前最強的安全策略

5、總結

安全協議策略	推出時間	身份認證方式 (Authentication)	數據加密方式 (Encryption)	安全性評價
Open (無加密)	-	無	無	極不安全
WEP	1999	基于RC4算法的共享密鑰認證	RC4 流密碼	已淘汰，極不安全：設計存在根本性缺陷，可在幾分鐘內被破解
WPA	2003	PSK (預共享密鑰) 或 802.1X/EAP (企業認證)	TKIP (基于RC4，帶有修補機制)	已過時，不安全：TKIP已被破解
WPA2	2004	PSK (預共享密鑰) 或 802.1X/EAP (企業認證)	CCMP (基于 AES 塊密碼的強加密模式)	目前主流，基本安全：AES加密非常強大。
WPA3	2018	SAE (對等同時認證，取代PSK) 或 802.1X/EAP (企業認證，更強)	GCMP-256 (更強AES模式) 和 CCMP-128 (向后兼容)	現代最強，推薦使用： forward secrecy，抗暴力破解。

二、管理幀的安全

1、必要性

管理幀負責維護基站（AP）和客戶端（如手機、電腦）之間的連接關系，例如：

• 認證（Authentication） / 解除認證（Deauthentication）
• 關聯（Association） / 解除關聯（Disassociation）
• 信標（Beacon）

這些管理幀本身是未經加密和完整性校驗的，即使你使用了WPA2。攻擊者可以非常容易地偽造并發送這些幀

經典攻擊——解除認證攻擊（Deauth Attack）：

• 攻擊者監聽網絡，獲取你的AP和設備的MAC地址。
• 攻擊者偽造一個看起來像是從AP發往你設備的 “解除認證幀” 。
• 你的設備收到這個偽造的幀后，信以為真，便會斷開與WiFi的連接。
• 這種攻擊可以持續進行，導致你的設備無法正常聯網，或者被迫重新連接，從而為更復雜的攻擊（如竊取WPA四次握手包進行暴力破解）創造機會。

2、802.11w

802.11w旨在為WiFi網絡中的管理幀（Management Frames）提供安全保護，防止針對這些幀的常見攻擊，如“解除認證攻擊”和“解除關聯攻擊”。

WPA3 將 802.11w 的管理幀保護（MFP）作為一項強制性要求，而WPA2對于支持802.11w則是可選的。

兩種運行模式

• capable模式：AP和客戶端都支持802.11w功能，但它們之間的連接可以不使用MFP。這是一種協商和兼容狀態。
• enabled模式：AP要求必須使用管理幀保護。不支持802.11w的舊客戶端將無法連接**到該網絡。這是最安全的模式

保護機制

借鑒了WPA2（802.11i）保護數據幀的思路來保護管理幀

• 單播管理幀保護：PTK->MIC
  • 使用在“四次握手”過程中生成的PTK（Pairwise Transient Key）來為單播管理幀（如解除關聯、解除認證）計算一個消息完整性校驗碼（MIC）
  • 接收方（AP或客戶端）會驗證這個MIC。如果MIC校驗失敗，該幀會被直接丟棄
• 組播管理幀保護：序列號+MIC
  • 使用**BIP（Broadcast/Multicast Integrity Protocol）**為廣播/組播管理幀（如信標幀）提供保護和重放攻擊防護
  • AP使用一個GTK（Group Temporal Key）的衍生密鑰來為這些幀添加序列號和MIC
  • 客戶端會檢查序列號以確保沒有收到過時的重復幀

優缺點

優點：

• 拒絕服務（DoS）攻擊：極大地增加了發起解除認證攻擊的難度，提升了網絡穩定性
• 增強整體安全性：關閉了一個長期存在的安全漏洞，使攻擊者更難將用戶踢下線以竊聽或進行中間人攻擊
• 保護隱私：某些管理幀可能包含信息元素（如網絡名稱、支持的速率），保護它們可以避免信息泄露

缺點：

• 兼容性問題：非常古老的設備（2009年之前的設備可能普遍不支持）無法連接到要求強制啟用MFP（ enabled模式）的網絡
• 并非萬能：802.11w主要保護的是管理幀。它不加密管理幀的內容（例如，信標幀中的SSID仍然是明文），它只是防止篡改和偽造。數據幀的安全仍然由WPA2/WPA3負責
• 不能完全杜絕所有DoS攻擊：它主要防御基于管理幀的攻擊，但還有其他方式的無線DoS攻擊（如射頻干擾）是它無法阻止的