ИФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В СЕТЯХ Wi - Fi

Стр 1 из 6Следующая ⇒

ИФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В СЕТЯХ Wi - Fi

Выполнил: студент группы 6097

Хохлов А. С.

Санкт – Петербург

2005

Оглавление

Оглавление

Безопасность беспроводных сетей

Обзор систем шифрования

Векторы инициализации

Режимы с обратной связью

Кодирование по стандарту 802.11

Механизмы аутентификации стандарта 802.11

Аутентификация с использованием МАС-адресов

Уязвимость системы защиты стандарта 802.11

Уязвимость открытой аутентификации

Уязвимость аутентификации с совместно используемым ключом

Уязвимость аутентификации с использованием МАС-адресов

Уязвимость WEP-шифрования

Проблемы управления статическими WEP-ключами

Защищенные LAN стандарта 802.11

Первая составляющая: базовая аутентификация

Вторая составляющая: алгоритм аутентификации

Третья составляющая: алгоритм защиты данных

Четвертая составляющая: целостность данных

Усовершенствованный механизм управления ключами

Шифрование по алгоритму AES

Резюме

Безопасность беспроводных сетей

Устройства стандарта 802.11 связываются друг с другом, используя в качестве переносчика данных сигналы, передаваемые в диапазоне радиочастот. Данные передаются по радио отправителем, полагающим, что приемник также работает в выбранном радиодиапазоне. Недостатком такого механизма является то, что любая другая станция, использующая этот диапазон, тоже способна принять эти данные.

Если не использовать какой-либо механизм защиты, любая станция стандарта 802.11 сможет обработать данные, посланные по беспроводной локальной сети, если только ее приемник работает в том же радиодиапазоне. Для обеспечения хотя бы минимального уровня безопасности необходимы следующие компоненты.

· Средства для принятия решения относительно того, кто или что может использовать беспроводную LAN. Это требование удовлетворяется за счет механизма аутентификации, обеспечивающего контроль доступа к LAN.

· Средства защиты информации, передаваемой через беспроводную среду. Это требование удовлетворяется за счет использования алгоритмов шифрования.

На рис.1 показано, что защита в беспроводных сетях обеспечивается как за счет аутентификации, так и благодаря шифрованию. Ни один из названных механизмов в отдельности не способен обеспечить защиту беспроводной сети.

Рис. 1. Защита в беспроводных сетях обеспечивается за счет аутентификации и шифрования

В спецификации стандарта 802.11 регламентировано применение механизма аутентификации устройств с открытым и с совместно используемым ключом и механизма WEP, обеспечивающего защищенность данных на уровне проводных сетей. Оба алгоритма аутентификации, с открытым и с совместно используемым ключом, основаны на WEP-шифровании и применении WEP-ключей для контроля доступа. Поскольку алгоритм WEP играет важную роль в обеспечении безопасности сетей стандарта 802.11, в следующем разделе будут рассмотрены основы шифрования и шифры.

Обзор систем шифрования

Механизмы шифрования основаны на алгоритмах, которые рандомизируют данные. Используются два вида шифров.

· Поточный (групповой) шифр.

· Блочный шифр.

Шифры обоих типов работают, генерируя ключевой поток (key stream), получаемый на основе значения секретного ключа. Ключевой поток смешивается с данными, или открытым текстом, в результате чего получается закодированный выходной сигнал, или зашифрованный текст. Названные два вида шифров отличаются по объему данных, с которыми они могут работать одновременно.

Поточный шифр генерирует непрерывный ключевой поток, основываясь на значении ключа. Например, поточный шифр может генерировать 15-разрядный ключевой поток для шифрования одного фрейма и 200-разрядный ключевой поток для шифрования другого. На рис. 2 проиллюстрирована работа поточного шифра. Поточные шифры — это небольшие и эффективные алгоритмы шифрования, благодаря которым нагрузка на центральный процессор оказывается небольшой. Наиболее распространенным является поточный шифр RC4, который и лежит в основе алгоритма WEP.

Блочный шифр, наоборот, генерирует единственный ключевой поток шифрования фиксированного размера. Открытый текст делится на блоки, и каждый блок смешивается с ключевым потоком независимо. Если блок открытого текста меньше, чем блок ключевого потока, первый дополняется с целью получения блока нужного размера. На рис. 3 проиллюстрирована работа блочного шифра. Процесс фрагментации, а также другие особенности шифрования с использованием блочного шифра вызывают повышенную, по сравнению с поточным шифрованием, нагрузку на центральный процессор. В результате производительность устройств, применяющих блочное шифрование, снижается.

Рис. 2. Так осуществляется поточное шифрование

Рис. 3. Так осуществляется блочное шифрование

Процесс шифрования, описанный нами для поточных и блочных шифров, называется режим шифрования с помощью книги электронных кодов (Electronic Code Book, ЕСВ). Режим шифрования ЕСВ характеризуется тем, что один и тот же открытый текст после шифрования преобразуется в один и тот же зашифрованный текст. Этот фактор потенциально представляет собой угрозу для безопасности, поскольку злоумышленники могут получать образцы зашифрованного текста и выдвигать какие-то предположения об исходном тексте.

Некоторые методы шифрования позволяют решить эту проблему.

· Векторы инициализации (initialization vectors, IV).

· Режимы с обратной связью (feedback modes).

Векторы инициализации

Вектор инициализации — это номер, добавляемый к ключу, конечным результатом этого является изменение информации ключевого потока. Вектор инициализации связывается с ключом до того, как начнется генерация ключевого потока. Вектор инициализации все время изменяется, то же самое происходит с ключевым потоком. На рис. 4 показаны два сценария. Первый относится к шифрованию с использованием поточного шифра без применения вектора инициализации. В этом случае открытый текст DATA после смешения с ключевым потоком 12345 всегда преобразуется в зашифрованный текст AHGHE. Второй сценарий показывает, как тот же открытый текст смешивается с ключевым потоком, дополненным вектором инициализации для получения другого зашифрованного текста. Обратите внимание на то, что зашифрованный текст во втором случае отличается от такового в первом. Стандарт 802.11 рекомендует изменять вектор инициализации пофреймово (on a per-frame basis). Это означает, что если один и тот же фрейм будет передан дважды, весьма высокой окажется вероятность того, что зашифрованный текст будет разным.

1. Шифрование с использованием поточного шифра без применения вектора инициализации

2. Шифрование с использованием поточного шифра и вектора инициализации

Рис. 4. Шифрование и векторы инициализации

Режимы с обратной связью

Режимы с обратной связью представляют собой модификации процесса шифрования, выполненные во избежание того, чтобы один и тот же открытый текст преобразовывался в ходе шифрования в одинаковый зашифрованный текст.

Уязвимость WEP-шифрования

Наиболее серьезные и непреодолимые проблемы защиты сетей стандарта 802.11 были выявлены криптоаналитиками Флурером (Fluhrer), Мантином (Mantin) и Шамиром (Shamir). В своей статье они показали, что WEP-ключ может быть получен путем пассивного накопления отдельных фреймов, распространяющихся в беспроводной LAN.

Уязвимость обусловлена как раз тем, как механизм WEP применяет алгоритм составления ключа (key scheduling algorithm, KSA) на основе поточного шифра RC4. Часть векторов инициализации (их называют слабые IV — weak IV) могут раскрыть биты ключа в результате проведения статистического анализа. Исследователи компании AT& T и университета Rice воспользовались этой уязвимостью и выяснили, что можно заполучить WEP-ключи длиной 40 или 104 бит после обработки 4 миллионов фреймов. Для первых беспроводных LAN стандарта 802.11b это означает, что они должны передавать фреймы примерно один час, после чего можно вывести 104-разрядный WEP-ключ. Подобная уязвимость делает WEP неэффективным механизмом обеспечения защиты информации.

Атака считается пассивной, если атакующий просто прослушивает BSS и накапливает переданные фреймы. В отличие от уязвимости аутентификации с совместно используемым ключом, атакующий, как показали Флурер, Мантин и Шамир, может заполучить действующий WEP-ключ, а не только ключевой поток. Эта информация позволит атакующему получить доступ к BSS в качестве аутентифицированного устройства без ведома администратора сети.

Если атаки такого типа окажется недостаточно, можно, как показывает теория, провести на механизм WEP и другую (правда, на практике атаки такого рода не проводились). Эта логически возможная атака может быть основана на методах, применяемых для преодоления защиты, обеспечиваемой механизмом аутентификации с совместно используемым ключом: для получения ключевого потока используются открытый текст и соответствующий ему зашифрованный текст.

Как уже говорилось, выведенный ключевой поток можно использовать для дешифровки фреймов для пары " вектор инициализации —WEP-ключ" и для определенной длины. Умозрительно можно предположить, что атакующий будет прослушивать сеть с целью накопления как можно большего числа таких ключевых потоков, чтобы создать базу данных ключ поток, взломать сеть и получить возможность расшифровывать фреймы. В беспроводной LAN, в которой не используется аутентификация с совместно используемым ключом, атака с применением побитовой обработки фрейма позволяет злоумышленнику вывести большое количество ключевых потоков за короткое время.

Атаки с использованием побитовой обработки (или " жонглирования битами", bit flipping) основаны на уязвимости контрольного признака целостности (ICV). Данный механизм базируется на полиномиальной функции CRC-32. Но эта функция неэффективна как средство контроля целостности сообщения. Математические свойства функции CRC-32 позволяют подделать фрейм и модифицировать значение ICV, даже если исходное содержимое фрейма неизвестно.

Хотя размер полезных данных может быть разным для различных фреймов, многие элементы фреймов данных стандарта 802.11 остаются одними и теми же и на одних и тех же позициях. Атакующий может использовать этот факт и подделать часть фрейма с полезной информацией, чтобы модифицировать пакет более высокого уровня. Сценарий проведения атаки с использованием побитовой обработки может быть следующим (рис. 13).

1. Атакующий захватывает фрейм беспроводной LAN.

2. Атакующий изменяет случайные биты (flips random bits) полезной нагрузки фрейма.

3. Атакующий модифицирует ICV (подробнее об этом — ниже).

4. Атакующий передает модифицированный фрейм.

5. Приемник (клиент или точка доступа) получает фрейм и вычисляет ICV по содержимому фрейма.

6. Приемник сравнивает вычисленный ICV со значением, хранящимся в поле ICV фрейма.

7. Приемник принимает модифицированный фрейм.

8. Приемник передает модифицированный фрейм на устройство более высокого уровня (повторитель или хост-компьютер).

9. Поскольку в пакете уровня 3 биты изменены, контрольная сумма для уровня 3 оказывается неправильной.

10. Протокол IP приемника выдаст сообщение об ошибке.

11. Атакующий получает сведения о беспроводной LAN, анализируя незашифрованное сообщение об ошибке.

12. Получая сообщение об ошибке, атакующий выводит ключевой поток, как в случае атаки с повторением IV.

Основой такой атаки является несоответствие ICV требуемому значению. Значение ICV находится в зашифрованной с помощью WEP части фрейма; как атакующий может изменить ее, чтобы согласовать изменения, вызванные жонглированием битами, с фреймом? На рис. 14 проиллюстрирован процесс " жонглирования битами" и изменения ICV.

1. Пусть фрейм (F1) имеет ICV, значение которого равно С1.

2. Генерируется новый фрейм (F2) той же длины, какую имеет набор битов фрейма F1.

Рис. 13. Атака с использованием побитовой обработки

3. С помощью операции " исключающее ИЛИ" над F1 и F2 создается фрейм F3.

4. Вычисляется ICV для F3 (С2).

5. Посредством операции " исключающее ИЛИ" над С1 и С2 генерируется ICV СЗ.

Рис. 14. Модифицирование ICV за счет побитовой обработки

Шифрование по алгоритму AES

Известно, что шифрование и аутентификация, проводимые в соответствии со стандартом 802.11, имеют слабые стороны. IEEE и WPA усилили алгоритм WEP протоколом TKIP и предлагают сильный механизм аутентификации по стандарту 802.11i, обеспечивающий защиту беспроводных LAN стандарта 802.11. В то же время IEEE рассматривает возможность усиления механизма шифрования. С этой целью IEEE адаптировал алгоритм AES для применения его по отношению к разделу, касающемуся защищаемых данных предлагаемого стандарта 802.11i. Компоненты WPA не обеспечивают поддержку шифрования по алгоритму AES. Однако последние версии WPA, возможно, будут реализованы в соответствии со стандартом 802.11i и для обеспечения взаимодействия будут поддерживать шифрование по алгоритму AES.

Алгоритм AES представляет собой следующее поколение средств шифрования, одобренное Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) США. IEEE разработал режим AES, предназначенный специально для применения в беспроводных LAN. Этот режим называется режим счета сцеплений блоков шифра (Cipher Block Chaining Counter Mode, CBC-CTR) с контролем аутентичности сообщений о сцеплениях блоков шифра (Cipher Block Chaining Message Authenticity Check, CBC-MAC), все вместе это обозначается аббревиатурой AES-CCM. Режим ССМ представляет собой комбинацию режима шифрования CBC-CTR и алгоритма контроля аутентичности сообщений СВС-МАС. Эти функции скомбинированы для обеспечения шифрования и проверки целостности сообщений в одном решении.

Алгоритм шифрования CBC-CTR работает с использованием счетчика для пополнения ключевого потока. Значение этого счетчика увеличивается на единицу после шифрования каждого блока. Такой процесс обеспечивает получение уникального ключевого потока для каждого блока. Фрейм с открытым текстом делится на 16-байтовые блоки. После шифрования каждого блока значение счетчика увеличивается на единицу, и так до тех пор, пока не будут зашифрованы все блоки. Для каждого нового фрейма счетчик переустанавливается.

Алгоритм шифрования СВС-МАС выполняется с использованием результата шифрования СВС по отношению ко всему фрейму, к адресу назначения, адресу источника и данным. Результирующий 128-разрядный выход усекается до 64 бит для использования в передаваемом фрейме.

СВС-МАС работает с известными криптографическими функциями, но имеет издержки, связанные с выполнением двух операций для шифрования и целостности сообщений. Этот процесс требует серьезных вычислительных затрат и значительно увеличивает " накладные расходы" шифрования.

Резюме

Алгоритмы аутентификации и шифрования, определенные в стандарте 802.11 разработки 1997 года, имеют множество недостатков. Система аутентификации, так же как алгоритм WEP-шифрования, могут быть взломаны за короткое время. Протокол TKIP обещает ликвидировать недостатки WEP-шифрования и системы аутентификации в краткосрочной перспективе, а стандарт 802.1X и AES предоставят долговременное решение проблемы безопасности беспроводных сетей.