WPA 4次握手

時間 2021-01-22 標籤抓包

一、why EALOP 4-way handshake
爲了解決無線傳輸不安全，需要對無線連接的接入進行控制，並實現幀傳播的加解密。WPA 4-way handshake有點相當於一個「安全」地協商「交換」祕鑰的過程。這個祕鑰就是PTK（PairwiseTransient Key）,成對傳輸祕鑰。

二、WPA 4-way handshake過程

1. 一個簡單的4-way handshake圖

以WPA/WPA2-PSK爲例，AP/STA在4-wayshake前各自都知道密碼（也就是用戶連接某SSID輸入的密碼）
1)AP(Authenticator)在1/4的時候把自己的隨機數(ANonce)傳給STA，STA在收到ANonce後，已經可以生成PTK

2)2/4的時候把自己的隨機數(SNonce)傳給AP，同時加了MIC(對應於PTK中的KCK，也就是祕鑰確認祕鑰)。AP收到SNonce以後，就可以生成PTK了，將收到的MIC和自己生成的MIC比較進行完整性校驗，如果校驗失敗，握手失敗。校驗成功，AP生成PTK和GTK(GroupTransient Key，用來加密組播和廣播)

3)3/4中將GTK和MIC一起發給STA，因爲此時雙方都已經知道PTK，所以會對GTK進行KEK加密。
4)STA發送ACK進行確認

4次握手完成以後，之後的幀傳播就都會以加密的方式進行。

2 . 4-way shake在AP/STA通訊中的位置
1) open方式下的connect

圖2 open方式的connect過程

a. Open System AuthencicationProcess ,就好比把網線插入AP的有線口

b. Association:完成802.11layer-2的negotiation，建鏈，成功後AP會分配給STA一個AssociationID

c. 開始真正的數據傳輸

2) wpa/wpa2-psk方式下的connect

圖3wpa/wpa2-psk方式下的connect

a.Authenciation,同上

b. Association，同上

c EAPOL 4-way shake

d.真正的數據傳輸

3）wpa/wpa2-eap方式下的connect

圖4wpa/wpa2-eap方式下的connect

在2）的基礎上，wpa/wpa2-eap有個802.1x的auth過程，用於在認證服務器上認證，以獲取MSK

三、具體

1. PTK的生成

生成PTK，需要5個必要元素，PMK，ANonce（Nonce 1，AP生成的隨機數），SNonce(Nonce2,STA生成的隨機數)，AuthenticateMAC(MAC1,如AP的MAC),SupplicantMAC(MAC2，如STA的MAC)。

圖5 PTK的生成

圖的四個輸出裏面，DataEncr和DataMIC合起來就是前面提到的TK，EAPOLEncr/MIC分別對應KEK和KCK。

2. PTK的組成

圖4的輸出就是PTK的組成。主要產生兩種祕鑰，一種在EAPOL4-way shake的時候用，一種在數據傳輸的時候用。每種又分成加密用和計算完整性用。PTK共64位，具體可以分成如下4個部分

1） EAPOLKCK(key confirmation key),16位，對應於圖5中的EAPOLMIC,以及圖1中的MIC，用來在EAPOL4-way shake時校驗完整性

2） EAPOLKEK(key encryption key),16位，對應於圖5中的EAPOLEncr，用於在EAPOL4-way shake的3/4的時候來加密GTK等數據

3） TK(TemporaryKey),16位，對應於圖5中的DataEncr，用於加密單播數據

4） Data Mic，16位，對應於圖5中的DataMIC，具體又可分爲8位的Tx key和8位的Rx key，用於數據傳輸的時候TKIP方式的Michael完整性校驗。CCMP不用。

3. PMK的生成

PMK，PairwiseMaster Key。在WPA-PSK中，PMK=pdkdf2_SHA1(passphrase,SSID, SSID length, 4096)；而在802.1x+EAP中，PMK=L(MSK,0,256)，其中MSK(Mastersession key)由802.1x交換獲得。在4-wayhandshake前，AP/STA已經知道了PMK。

4. GTK

GTK，GroupTransient Key，用於對組播和廣播加解密。在圖5中，AP在3/4的時候會生成GTK，傳給STA

GTK由GMK(Groupmaster key)和成對祕鑰擴展獲得。GTK=PRF-X(GMK,」Group key expanision」,AA|GN)，其中GN是Authenticator生成的Nonce，AA是Authenticator的MAC

GMK=MMK?

GTK只包含數據傳輸部分的Key，也就是GroupEncryption Key（加解密）和Michael Authenticator MIC Key（完整性校驗）,沒有包含EAP-Key部分，所以只有32位。

參考

1. https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11i-2004

2. https://supportforums.cisco.com/document/9879826/80211-wlan-roaming-and-fast-secure-roaming-cuwn#WPAWPA2-PSK