68
Вектор инициализации — случайное число, которое используется в связке
с секретным ключом в процессе шифрования данных. Перед тем, как начнется
генерация ключевого потока, вектор инициализации связывается с ключом. Он
постоянно изменяется, так же, как и сам ключевой поток. На рисунке 7 показаны
два сценария. Первый показывает шифрование с использованием поточного
шифра без применения вектора инициализации. При этом открытый текст DATA
после смешения с ключевым потоком 12345 всегда преобразуется в
зашифрованный текст AHGHE. Во втором сценарии мы видим, как открытый
текст смешивается с ключевым потоком, дополненным вектором инициализации
для получения иного зашифрованного текста. Очевидно, что зашифрованный
текст по второму сценарию отличается от текста в первом. Стандарт 802.11
рекомендует менять вектор инициализации пофреймово (on a per-frame basis).
Если возникает ситуация, когда один и тот же фрейм будет передан дважды,
существует большая вероятность того, что зашифрованный текст будет разным.
Шифрование с использованием поточного шифра без применения вектора
инициализации
Шифрование с использованием поточного шифра и вектора инициализации
Рисунок 7 – Два сценария шифрования
69
Режимы с обратной связью - это различные модификации процесса
шифрования, выполняемые с той целью, чтобы один и тот же открытый текст не
преобразовывался в ходе шифрования в одинаковый зашифрованный текст.
Спецификации 802.11 предусматривают защиту данных с использованием
алгоритма шифрования WEP. Данный алгоритм использует симметричный
поточный шифр RC4. Симметричность такого шифра означает, что
согласованные ключи 40 или 104 бит длиной конфигурируются на клиентских
устройствах и в точках доступа статично. Выбор в пользу алгоритма WEP был
сделан в основном потому, что он не требует значительных ресурсов для
вычислений. Хотя рабочие станции с wi-fi картами сейчас широко
распространены, в 1997 году ситуация была другой. Большинством устройств,
подключаемых к беспроводным ЛВС являлись специализированные устройства
(application-specific devices, ASD). Например, сканеры штрих-кодов, планшетные
ПК (tablet PC) и телефоны стандарта 802.11. ПО, используемое этими
устройствами, обычно не нуждалось в большой вычислительной мощности,
поэтому ASD оснащались маломощными процессорами. WEP - достаточно
простой алгоритм, код которого состоит не более чем из 30 строк. Малые расходы,
необходимые при применении алгоритма, делают его оптимальным для
применения шифрования в специализированных устройствах.
Чтобы не использовать режим шифрования ЕСВ, в WEP используется 24-
разрядный вектор инициализации, добавляемый к ключу перед обработкой по
алгоритму RC4. На рисунке 8 показан фрейм, зашифрованный по WEP с
добавлением вектора инициализации.
Рисунок 8 - Фрейм, зашифрованный по алгоритму WEP
70
Вектор инициализации необходимо изменять пофреймово, чтобы избежать
IV-коллизий. Такие коллизии происходят, если используются одинаковый вектор
инициализации и одинаковый WEP-ключ, в результате чего фрейм шифруется
одним и тем же ключевым потоком. Это предоставляет атакующему большие
возможности по раскрытию данных открытого текста путем сравнения подобных
элементов. При использовании вектора инициализации необходимо исключить
подобный сценарий, для этого вектор инициализации часто меняют. Большинство
производителей в своих устройствах предлагают векторы инициализации для
каждого фрейма.
Спецификации стандартов 802.11 требуют одинаковые WEP-ключи как на
клиентах, так и на устройствах, связанных беспроводной сетью. Можно
конфигурировать до четырех ключей на устройство, но единовременно для
шифрования будет использоваться только один.
WEP-шифрование используется только по отношению к фреймам данных и
во время аутентификации с используемым совместно ключом. Алгоритмом WEP
шифруются следующие поля фрейма данных стандарта 802.11.
Данные или полезная нагрузка (payload).
Контрольный признак целостности (integrity check value, ICV).
Значения всех остальных полей передаются как есть. Вектор
инициализации должен быть незашифрованным внутри фрейма, чтобы
принимающая станция смогла использовать его для корректной расшифровки
данных и ICV. На рисунке 9 схематично представлен процесс шифрования,
передачи, приема и расшифровки фрейма данных в соответствии с алгоритмом
WEP.
71
Рисунок 9 - Процесс шифрования и дешифрования
Фрейм данных с открытым текстом
ФФраг
ментато
р
Фрагмент фрейма с
открытым текстом
ICV
Фрагмент фрейма с
открытым текстом и с
ICV
Ключ
IV
WE
P
Ключевой
проток
XO
R
Фрагмент фрейма с
зашифрованным
текстом и с ICV
Процесс шифрования
Фрагмент фрейма с
открытым текстом
ICV
Фрагмент фрейма с
открытым текстом и с
ICV
Ключ
IV
WEP
Ключевой
проток
XO
R
Фрагмент фрейма с
зашифрованным
текстом и с ICV
Процесс дешифрирования
Отброшенный плохой ICV-фрейм
72
Спецификация стандарта 802.11 предлагает использовать 32-разрядное
значение как дополнение к шифрованию данных. Функция этого значения -
осуществлять контроль целостности. Такой контрольный признак говорит
приемнику о том, что фрейм был получен без повреждения в процессе передачи.
Контрольный признак целостности вычисляется по всем полям фрейма с
использованием 32-разрядной полиномиальной функции контроля и с помощью
циклического избыточного кода (CRC-32). Станция-отправитель вычисляет это
значение и помещает результат в поле ICV. Значение этого поля включается в
часть фрейма, которая шифруется, поэтому просто так "увидеть" контрольный
признак злоумышленники не смогут. Получатель же фрейма расшифровывает его,
вычисляет контрольное значение и сравнивает результат со значением поля ICV
в полученном фрейме. Если значения совпадают, значит фрейм считается
подлинным. Если же они не совпадут, то фрейм будет отброшен. На рисунке 10
представлена диаграмма функционирования механизма ICV.
Рисунок 10 - Диаграмма функционирования механизма ICV
Механизмы аутентификации
Стандарт 802.11 предусматривает два механизма аутентификации
клиентов WLAN.
1) Открытая аутентификация (open authentication) представляет собой
алгоритм с так называемой нулевой аутентификацией (null authentication
algorithm). Точка доступа принимает любой запрос на аутентификацию. Это
может быть любой сигнал, используемый для указания на применение именно
такого алгоритма аутентификации. Но тем не менее, открытая аутентификация
Фрагмент
фрейма с
открытым
текстом
ICV
CRC32
Фрагмент фрейм c
открытым текстом
32-
разрядный
ICV
К механизму
шифрования WEP
73
все же играет определенную роль в сетях стандарта 802.11. Эти простые правила
аутентификации позволяют устройствам быстро получать доступ к сети.
При механизме открытой аутентификации доступ осуществляется с
помощью заранее записанного WEP-ключа в точке доступа и на клиенте. Эта
станция и точка доступа должны иметь одинаковые ключи, тогда они смогут
связываться между собой. Если ни станция, ни точка доступа не поддерживают
алгоритм WEP, в BSS невозможно обеспечить защиту. Любое устройство может
подключиться к такому BSS, и все данные передаются открыто.
После завершения открытой аутентификации и процесса ассоциирования
клиент готов для передачи и приема данных. Если ключ клиента отличается от
ключа точки доступа, он не сможет правильно зашифровывать и расшифровывать
фреймы, и они будут отброшены как точкой доступа, так и клиентской станцией.
Этот процесс предоставляет собой относительно эффективный способ контроля
доступа к BSS (рисунок 11).
Рисунок 11 - Процесс открытой аутентификации при различии WEP-
ключей
2) Аутентификация с совместно используемым ключом (shared key
authentication). В отличие от открытой аутентификации, здесь требуется, чтобы
клиентская станция и точка доступа были способны поддерживать WEP и имели
одинаковые WEP-ключи. Процесс аутентификации с совместно используемым
ключом осуществляется следующим образом:
1. Абонент посылает точке доступа запрос на аутентификацию с
совместно используемым ключом.
74
2. Точка доступа посылает подтверждение аутентификации
(challenge frame), содержащее открытый текст.
3. Абонент шифрует вызов своим статическим WEP-ключом и
посылает его обратно точке доступа.
4. Если точка доступа в состоянии правильно расшифровать этот
фрейм и получить свой исходный вызов, она посылает абоненту сообщение
об успешной аутентификации. Таким образом, абонент получает доступ к
сети.
Разница между этими двумя механизмами в том, что клиент не может
ассоциировать себя с точкой доступа при использовании механизма
аутентификации с совместно используемым ключом, если его ключ не
сконфигурирован должным образом. Процесс аутентификации с совместно
используемым ключом иллюстрирует рисунок 12.
Рисунок 12 - Процесс аутентификации с совместно используемым ключом
Метод аутентификации с использованием МАС-адресов не задается
стандартом 802.11, тем не менее многие производители оборудования добавляют
его в свои продукты. При использовании такого метода точка доступа сравнивает
МАС-адрес клиента с локально сконфигурированным списком разрешенных
адресов или списку, хранящемуся на сервере аутентификации (рисунок 13).
Аутентификация с использованием МАС-адресов усиливает действие открытой
аутентификации и аутентификации с совместно используемым ключом,
обеспечиваемыми стандартом 802.11, снижая тем самым вероятность
неавторизованного подключения к сети. К примеру, администратор может
ограничить доступ к одной из точек доступа для конкретных устройств. Если все
устройства используют одинаковые ключи, то при использовании открытой
аутентификации и аутентификации с совместно используемым ключом такой
75
сценарий реализовать трудно. Чтобы усилить действие механизма
аутентификации стандарта 802.11, он может применить аутентификацию с
использованием МАС-адресов.
Рисунок 13 - Процесс аутентификации с использованием МАС-адресов
Уязвимость системы защиты стандарта 802.11
В предыдущем разделе рассказывалось о том, как осуществляются
аутентификация и шифрование при использовании стандарта 802.11. Давно не
секрет, что такая система зашиты несовершенна и устарела. Вскоре после
внедрения 802.11 появились статьи, где указывались слабые места механизма
аутентификации и шифрования по алгоритму WEP.
Уязвимость открытой аутентификации
При использовании механизма открытой аутентификации точка доступа не
может проверить подлинность клиента. Это является недостатком системы
защиты, если в беспроводной сети не используется шифрование. Даже при
использовании и клиентом, и точкой доступа статичного WEP механизм открытой
аутентификации не предоставляет средств для определения того, кто использует
устройство WLAN. Авторизованное устройство в руках неавторизованного
пользователя — это угроза безопасности, по сути равная полному отсутствию
какой-либо защиты сети!
Уязвимость аутентификации с совместно используемым ключом
При аутентификации с совместно используемым ключом необходимо,
чтобы клиент использовал заранее заданный общий ключ и шифровал текст
вызова, полученного от точки доступа. Точка доступа аутентифицирует клиента
путем расшифровки зашифрованного с помощью общего ключа ответа и
проверки того, что полученный текст вызова полностью соответствует
отправленному.
76
Такой процесс обмена текстом вызова выполняется по беспроводному
каналу и является уязвимым для атаки, которая возможна, если знать открытый
текст. Такая уязвимость в случае аутентификации с совместно используемым
ключом обусловлена математическими методами, лежащими в основе
шифрования.
Ранее в этой главе говорилось, что процесс кодирования заключается в
перемешивании открытого текста с ключевым потоком и получении в результате
зашифрованного текста.
Процесс представляет собой выполнение двоичной математической
операции, которая называется "исключающее ИЛИ" (XOR). Если открытый текст
перемешать с зашифрованным текстом, то в результате выполнения такой
операции получится следующая пара: ключевой поток и вектор инициализации
(рисунок 14).
Рисунок 14 - Извлечение ключевого потока
Атакующий может захватить как открытый, так и зашифрованный текст
ответа. Выполняя над этими значениями операцию "исключающее ИЛИ", он
сможет получить действующий ключевой поток.
После этого злоумышленник сможет использовать полученный ключевой
поток для расшифровки фреймов, которые имеют такой же размер, как и сам
ключевой поток, потому как вектор инициализации, используемый для получения
77
ключевого потока, идентичен вектору расшифрованного фрейма. На рисунке 15
показано, как атакующий может проследить процесс аутентификации с совместно
используемым ключом и получить ключевой поток.
Рисунок 15 - Уязвимость механизма аутентификации с совместно
используемым ключом
Уязвимость аутентификации с использованием МАС-адресов
МАС-адреса передаются с помощью незашифрованных фреймов, как и
говорится в спецификации 802.11. Получается, что беспроводные LAN, в которых
используется аутентификация с использованием МАС-адресов, уязвимы для атак,
в ходе которых атакующий подстраивается под аутентификацию с
использованием МАС-адресов путем замены имеющегося MAC-адреса на
"законный".
Подмена МАС-адреса возможна для сетевых карт стандарта 802.11,
которые позволяют изменять универсально-назначаемый адрес (universally
administered address, UAA) на локально-назначенный (locally administered address,
LAA). Универсальный адрес — тот МАС-адрес, который жестко задается для
сетевой карты производителем. Злоумышленник может воспользоваться
анализатором трафика для определения разрешенного МАС-адреса и сетевую
карту, имеющую возможность локального назначения адреса, для имитации
разрешенного МАС-адреса.