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【智能家居篇】wifi网络接入原理（中）——认证Authentication

2023-05-16

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        还是用手机来举例，扫描完成后，我们会选择想要加入的WIFI热点。此时，大部分都会弹出一个输入密码的窗口，当然也有不用输入密码的。这个过程叫做：认证（Authentication）。

        有时觉得搞技术的真累，当我们辛辛苦苦地在网上找资料学习新技术时，当我们渐渐掌握这门技术之后，才发现该技术对自己来说是新的，但是对现时来说，已经过时并且被遗弃了！所以说……Shit!

        由于网上大量讲解WIFI技术的资料在认证方面都是侧重讲WEP加密方式。但是，时至今日，WEP已经属于石器时代的技术了，而且破解方法满天飞。虽然现在无线路由器都保留WEP加密方式，但是当你进行设置时，它会用红字提醒你：

        注意：您选择的WEP加密经常在老的无线网卡上使用，新的802.11n不支持此加密方式。所以，如果您选择了此加密方式，路由器可能工作在较低的传输速率上。建议使用WPA2-PSK等级的AES加密。

        看到没？现在的802.11n协议已经不支持WEP加密方式了，更何况最新的802.11ac。所以本文侧重讲解现当代正在使用的WPA/WPA2加密方式，特别是倾向于家庭网络的WPA-PSK/WPA2-PSK。

        无线网络所使用的媒介是经过特殊编码与调制过的无线电波链路。它是众所周知的开放标准，只要对无线传输有所研究和了解的人，都可以在无线覆盖范围内发送和接收信号。因此对数据的拦劫和非法灌注是多么的简单！

        由于无线网络的最大缺陷就是安全性，进行身份认证是必须的，同时认证的连接工作也必须予以加密，以防未经授权的使用者访问。

        早期的IEEE802.11定义了两种认证方式：

        （1）开放系统认证（OpenSystem authentication）；

        （2）共享密钥认证（SharedKey authentication）。

        开放系统认证是IEEE802.11默认的认证方式，实质上并没有做认证。连接无线网络时，基站并没有验证工作站的真实身份。认证过程由以下两个步骤组成：第一，工作站发送身份声明和认证请求；第二，基站应答认证结果，如果返回的结果是“successful”，表示两者已相互认证成功。

        共享密钥认证依赖于WEP（Wired Equivalent Privacy，有线等效加密）机制，而上文已经提到WEP渐渐被淘汰，我们就不讲解了，接下来侧重讲解与我们家庭无线网络息息相关的WPA-PSK/WPA2-PSK认证机制。当我们进入无线路由器设置界面，打开无线安全设置，就会看到以下信息，如图1。WPA（Wi-Fi Protected Access）是WIFI联盟制定的安全性标准，WPA2是第二个版本。PSK（PreShared Key）叫做预共享密钥。WPA-PSK/WPA2-PSK主要是针对个人或家庭网络等，对安全性要求不是很高的用户。而WPA /WPA2是针对企业的，对安全性要求很高的用户，在WPA/WPA2选项中，大家可以看到它比WPA-PSK/WPA2-PSK多了一个Radius服务器，这个就是认证服务器。而对我们家庭网络来说，适合选择WPA-PSK/WPA2-PSK选项，因为我们不需要认证服务器。现有我们来详细分析WPA-PSK/WPA2-PSK认证机制。


图1 WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2

        1、WPA-PSK

        WPA-PSK（Wi-Fi ProtectedAccess，Wi-Fi保护访问）是WiFi联盟推出的标准，它是为兼容原有的WEP硬件产品，所以它采用的模式是：

WPA-PSK = PSK + TKIP + MIC

        PSK：PreShared Key，预共享密钥。

        TKIP：Temporal KeyIntegrity Protocol，临时密钥完整性协议。

        MIC：Message IntegrityCode，消息完整性校验码。

        TKIP的开发目的是为了提高原有的基于WEP硬件的安全性，因此它和WEP一样都是采RC4加密算法，同时保留了WEP的基本结构和操作方式。TKIP是一种过渡的加密协议，现已被证明安全性不高。因此，我们就不去详细的讲解了。

        2、WPA2-PSK

        WPA2是在802.11i颁布之后，WIFI联盟随即推出的最新无线安全标准，它遵循802.11i标准，以下是它采用的模式：

WPA2-PSK= PSK + AES + CCMP

        PSK：PreShared Key，预共享密钥，它是一种802.11身份验证方式，以预先设定好的静态密钥进行身份验证，此密钥必须手动进行传递，即是我们的手机连接WIFI热点时需要输入的密码。

        AES：Advanced EncryptionStandard，高级加密标准。AES是美国NIST制定的替代DES的分组加密算法。AES具有优秀的密钥扩展方案，灵活的密钥生成算法。算法对内存要求极低，即使在限制较大的环境中也能获得很好的性能。分组和密钥被设计成可以在三种长度中自由选择的形式，AES具有128、192、256位的密钥。802.11规定CCMP中的AES使用的是128位密钥，它的加密块大小也是128位。

        CCMP：Counter modewith Cipher-block chaining Message authentication code Protocol，计数器模式及密码块链消息认证码协议。它是基于高级加密标准（AES）的CCM（CTR with CBC-MAC）模式。CCM是一种通用的模式，它可以使用在任何成块的加密算法中。CCM模式使用CTR（Counter Mode）提供数据保密，并采用密码块链信息认证码（Cipher-Block Chaining with Message Authentication Code，CBC-MAC）来提供数据认证和完整性服务。

        CCMP加密时由以下四个输入项组成：

        （1）明文（Plaintext MPDU）；

        （2）临时密钥（TK）；

        （3）封包编号（PN）；

        （4）密钥标识符（KeyId）；

        CCMP的加密和解密过程如图2、图3。


图2  CCMP加密过程


图3  CCMP解密过程

        下面让我们来看看CCMP帧封装格式，如图4。MAC Header是明文（Plaintext MPDU）原封不动传递过来的，该MAC Header符合802.11MAC标准帧格式。CCMP扩展了原始的MPDU长度到16个octet（注：在网络术语中，用octet表示8 bits），包括8 octets的CCMP头部和8 octets的MIC。CCMP头部由PN、ExtIV、KeyID组成。PN是48位的代表6个octets的数组，在PN中，PN5是最重要的的，PN0是重要性最低的。Data（PDU）是我们需要传输的数据。MIC（Message Integrity Code）是消息完整性检验码，它是针对一组欲保护数据计算出来的散列值，用以防止数据遭人篡改。FCS（Frame Check Sequence）是帧检验序列，处于802.11网络帧的尾部，用来侦测数据是否损坏，若接收端所计算出的FCS与帧中记载的FCS值不同，则可推断出该帧已经损坏并将其丢弃。


图4  CCMP帧封装格式



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