Файл: Обеспечение безопасности в беспроводных сетях («Введение в мобильные технологии и средства связи»).pdf

Методы защиты беспроводных сетей

Криптография является важным элементом для механизмов аутентификации, целостности и конфиденциальности.

Аутентификация служит средством подтверждения личности отправителя или получателя информации. Целостность означает, что данные не были изменены, а конфиденциальность обеспечивает ситуацию, при которой данные не может понять никто, кроме их отправителя и получателя. Обычно криптографические механизмы существуют в виде алгоритма -математической функции и секретной величины ключа.

Аутентификация, целостность данных и конфиденциальность данных поддерживаются тремя типами криптографических функций: симметричным шифрованием, асимметричным шифрованием и хэш-функциями.

Симметричное шифрование

Симметричное шифрование, которое часто называют шифрованием с помощью секретных ключей, в основном используется для обеспечения конфиденциальности данных. Для того чтобы обеспечить конфиденциальность данных, абоненты должны совместно выбрать единый математический алгоритм, который будет использоваться для шифрования и расшифровки данных. Кроме того, им нужно выбрать общий ключ (секретный ключ), который будет использоваться с принятым ими алгоритмом шифрования/расшифровки.

Сегодня широко используются такие алгоритмы секретных ключей, как Data Encryption Standard (DES), 3DES и International Data Encryption Algorithm (IDEA). Эти алгоритмы шифруют сообщения блоками по 64 бита. Если объем сообщения превышает 64 бита, необходимо разбить его на блоки по 64 бита в каждом, а затем каким-то образом свести их воедино. Такое объединение, как правило, осуществляется одним из четырех методов:

• электронной кодовой книги (Electronic Code Book - ECB);
• цепочки зашифрованных блоков (Cipher Block Changing - CBC);
• x-битовой зашифрованной обратной связи (Cipher FeedBack - CFB-x);
• выходной обратной связи (Output FeedBack - OFB).

Шифрование с помощью секретного ключа чаще всего используется для поддержки конфиденциальности данных и очень эффективно реализуется с помощью неизменяемых "вшитых" программ (firmware). Этот метод можно использовать для аутентификации и поддержания целостности данных, но метод цифровой подписи является более эффективным. С методом секретных ключей связаны следующие проблемы:

• необходимо часто менять секретные ключи, поскольку всегда существует риск их случайного раскрытия.
• трудно обеспечить безопасную генерацию и распространение секретных ключей.

---

Асимметричное шифрование

Асимметричное шифрование часто называют шифрованием с помощью общего ключа, при котором используются разные, но взаимно дополняющие друг друга ключи и алгоритмы шифрования и расшифровки. Для того чтобы установить связь с использованием шифрования через общий ключ, обеим сторонам нужно получить два ключа: общий и частный. Для шифрования и расшифровки данных стороны будут пользоваться разными ключами.

Механизмы генерирования пар общих/частных ключей являются достаточно сложными, но в результате получаются пары очень больших случайных чисел, одно из которых становится общим ключом, а другое - частным. Генерация таких чисел требует больших процессорных мощностей, поскольку эти числа, а также их произведения, должны отвечать строгим математическим критериям. Однако этот процесс абсолютно необходим для обеспечения уникальности каждой пары общих/частных ключей.

Алгоритмы шифрования с помощью общих ключей редко используются для поддержки конфиденциальности данных из-за ограничений производительности. Вместо этого их часто используют в приложениях, где аутентификация проводится с помощью цифровой подписи и управления ключами.

Из наиболее известных алгоритмов общих ключей можно назвать RSA (Rivest-Shamir-Adleman, Ривест-Шамир-Адельман) и ElGamal (Эль-Гамал).

Безопасная хэш-функция

Безопасной хэш-функцией называется та функция, которую легко рассчитать, но обратное восстановление практически невозможно, так как требует непропорционально больших усилий. Входящее сообщение пропускается через математическую функцию (хэш-функцию), и в результате на выходе мы получаем некую последовательность битов. Эта последовательность называется "хэш" (или "результат обработки сообщения"). Хэш-функция принимает сообщение любой длины и выдает на выходе хэш фиксированной длины.

Цифровая подпись

Цифровая подпись представляет собой зашифрованный хэш, который добавляется к документу. Она может использоваться для аутентификации отправителя и целостности документа. Цифровые подписи можно создавать с помощью сочетания хэш-функций и криптографии общих ключей.

Цифровой сертификат

Цифровым сертификатом называется сообщение с цифровой подписью, которое в настоящее время обычно используется для подтверждения действительности общего ключа. Общий формат широко распространенного сертификата X.509 включает следующие элементы:

• версии;
• серийный номер сертификата;
• эмитент информации об алгоритме;
• эмитент сертификата;
• даты начала и окончания действия сертификата;
• информацию об алгоритме общего ключа субъекта сертификата;
• подпись эмитирующей организации.

---

Эмитирующая организация, выдающая сертификат, или центр сертификации (Certification Authority - CA), является надежной третьей стороной, которой оказано полное доверие.

Передача ключа выполнена следующим образом:

1. отправитель создает сертификат, в который включает общий ключ;
2. получатель запрашивает у центра сертификации сертификат отправителя;
3. центр сертификации подписывает сертификат отправителя;
4. центр сертификации посылает подписанный сертификат получателю;
5. получатель проверяет подпись центра сертификации и извлекает общий ключ отправителя.

Для реализации этой схемы необходима надежная система распространения общего ключа CA среди пользователей. Для этого создана инфраструктура открытых ключей PKI (Public Key Infrastructure). Использование PKI позволяет упростить управление безопасностью путем автоматизации, усилить режим безопасности благодаря значительной сложности компрометации цифровых сертификатов, усовершенствовать и интегрировать управление защитой, усилить контроль защищенного доступа к бизнес-ресурсам.

Шифрование WEP (Wired Equivalent Privacy - секретность на уровне проводной связи) основано на алгоритме RC4 (Rivest's Cipher v.4 - код Ривеста), который представляет собой симметричное потоковое шифрование. Как было отмечено ранее, для нормального обмена пользовательскими данными ключи шифрования у абонента и точки радиодоступа должны быть идентичными.

Ядро алгоритма состоит из функции генерации ключевого потока. Эта функция генерирует последовательность битов, которая затем объединяется с открытым текстом посредством суммирования по модулю два. Дешифрация состоит из регенерации этого ключевого потока и суммирования его с шифрограммой по модулю два для восстановления исходного текста. Другая главная часть алгоритма - функция инициализации, которая использует ключ переменной длины для создания начального состояния генератора ключевого потока.

RC4 - фактически класс алгоритмов, определяемых размером его блока. Этот параметр n является размером слова для алгоритма. Обычно, n = 8, но в целях анализа можно уменьшить его. Однако для повышения уровня безопасности необходимо задать большее значение этой величины. Внутреннее состояние RC4 состоит из массива размером 2ⁿ слов и двух счетчиков, каждый размером в одно слово. Массив известен как S-бокс, и далее он будет обозначаться как S. Он всегда содержит перестановку 2ⁿ возможных значений слова. Два счетчика обозначены через i и j.

Этот алгоритм использует ключ, сохраненный в Key и имеющий длину l байт. Инициализация начинается с заполнения массива S, далее этот массив перемешивается путем перестановок, определяемых ключом. Так как над S выполняется только одно действие, должно выполняться утверждение, что S всегда содержит все значения кодового слова.

---

Начальное заполнение массива:

for i = 0 to 2n – 1 { S[i] = i }

Скрэмблирование:

j = 0; for i = 0 to 2n – 1 { j = (j + S[i] + Key[i mod l]) mod 2n Перестановка (S[i], S[j]) }

Особенности WEP-протокола:

• Достаточно устойчив к атакам, связанным с простым перебором ключей шифрования, что обеспечивается необходимой длиной ключа и частотой смены ключей и инициализирующего вектора;
• Самосинхронизация для каждого сообщения. Это свойство является ключевым для протоколов уровня доступа к среде передачи, где велико число искаженных и потерянных пакетов;
• Эффективность: WEP легко реализовать;
• Открытость;
• Использование WEP-шифрования не является обязательным в сетях стандарта IEEE 802.11.

В свою очередь для непрерывного шифрования потока данных используется потоковое и блочное шифрование.

Потоковое шифрование

При потоковом шифровании выполняется побитовое сложение по модулю 2 (функция "исключающее ИЛИ", XOR) ключевой последовательности, генерируемой алгоритмом шифрования на основе заранее заданного ключа, и исходного сообщения. Ключевая последовательность имеет длину, соответствующую длине исходного сообщения, подлежащего шифрованию.

Основными стандартами аутентификации в беспроводных сетях являются стандарты IEEЕ 802.11, WPA, WPA2 и 802.1x. Рассмотрим основы этих стандартов.

Стандарт IEEE 802.11 сети с традиционной безопасностью

Стандарт IEEE 802.11 с традиционной безопасностью (Tradition Security Network - TSN) предусматривает два механизма аутентификации беспроводных абонентов: открытую аутентификацию (Open Authentication) и аутентификацию с общим ключом (Shared Key Authentication). В аутентификации в беспроводных сетях также широко используются два других механизма, выходящих за рамки стандарта 802.11, а именно назначение идентификатора беспроводной локальной сети (Service Set Identifier - SSID) и аутентификация абонента по его MAC-адресу (MAC Address Authentication).

Идентификатор беспроводной локальной сети (SSID) представляет собой атрибут беспроводной сети, позволяющий логически отличать сети друг от друга. В общем случае абонент беспроводной сети должен задать у себя соответствующий SSID для того, чтобы получить доступ к требуемой беспроводной локальной сети. SSID ни в коей мере не обеспечивает конфиденциальность данных, равно как и не аутентифицирует абонента по отношению к точке радиодоступа беспроводной локальной сети. Существуют точки доступа, позволяющие разделить абонентов, подключаемых к точке на несколько сегментов, - это достигается тем, что точка доступа может иметь не один, а несколько SSID.

---

Принцип аутентификации абонента в IEEE 802.11

Аутентификация в стандарте IEEE 802.11 ориентирована на аутентификацию абонентского устройства радиодоступа, а не конкретного абонента как пользователя сетевых ресурсов. Процесс аутентификации абонента беспроводной локальной сети IEEE 802.11 состоит из следующих этапов:

1. Абонент (Client) посылает фрейм Probe Request во все радиоканалы.
2. Каждая точка радиодоступа (Access Point - AP), в зоне радиовидимости которой находится абонент, посылает в ответ фрейм Probe Response.
3. Абонент выбирает предпочтительную для него точку радиодоступа и посылает в обслуживаемый ею радиоканал запрос на аутентификацию (Authentication Request).
4. Точка радиодоступа посылает подтверждение аутентификации (Authentication Reply).
5. В случае успешной аутентификации абонент посылает точке радиодоступа фрейм ассоциации (Association Request).
6. Точка радиодоступа посылает в ответ фрейм подтверждения ассоциации (Association Response).
7. Абонент может теперь осуществлять обмен пользовательским трафиком с точкой радиодоступа и проводной сетью.

При активизации беспроводный абонент начинает поиск точек радиодоступа в своей зоне радиовидимости с помощью управляющих фреймов Probe Request. Фреймы Probe Request посылаются в каждый из радиоканалов, поддерживаемых абонентским радиоинтерфейсом, чтобы найти все точки радиодоступа с необходимыми клиенту идентификатором SSID и поддерживаемыми скоростями радиообмена. Каждая точка радиодоступа из находящихся в зоне радиовидимости абонента, удовлетворяющая запрашиваемым во фрейме Probe Request параметрам, отвечает фреймом Probe Response, содержащим синхронизирующую информацию и данные о текущей загрузке точки радиодоступа.

Абонент определяет, с какой точкой радиодоступа он будет работать, путем сопоставления поддерживаемых ими скоростей радиообмена и загрузки. После того как предпочтительная точка радиодоступа определена, абонент переходит в фазу аутентификации.

Открытая аутентификация

Открытая аутентификация по сути не является алгоритмом аутентификации в привычном понимании. Точка радиодоступа удовлетворит любой запрос открытой аутентификации. На первый взгляд использование этого алгоритма может показаться бессмысленным, однако следует учитывать, что разработанные в 1997 году методы аутентификации IEEE 802.11 ориентированы на быстрое логическое подключение к беспроводной локальной сети.

Вдобавок к этому многие IEEE 802.11-совместимые устройства представляют собой портативные блоки сбора информации (сканеры штрих-кодов и т. п.), не имеющие достаточной процессорной мощности, необходимой для реализации сложных алгоритмов аутентификации.

---