你的Wi-Fi 还安全吗？全球重大漏洞WPA2 KRACK 详细分析报告

近日，Wi-Fi加密协议被曝光存在重大安全漏洞，用于保护Wi-Fi网络安全的WPA2 安全加密协议已被黑客破解。这种被称作“Krack”(密钥重装攻击)攻击意味着用户连接的绝大多数Wi-Fi已经不安全了，包括家中的路由器Wi-Fi，都存在被盗号的风险。攻击者可通过此漏洞获取万能密钥来访问WPA2网络，从而窃听用户的通讯信息。

究竟这个漏洞是由哪些缺陷引起的？会对用户造成什么影响？作为技术人的我们，又该如何完美防御？今天我们邀请到了阿里安全部的高级安全专家东帆，来回答以上问题。

漏洞概述

比利时安全研究员Mathy Vanhoef发现的WPA2协议的KRA（Key Reinstallation Attacks）漏洞，利用WPA2协议标准加密密钥生成机制上的设计缺陷，四次握手协商加密密钥过程中第三个消息报文可被篡改重放，导致在用密钥被重新安装。

Wi-Fi网络通过WPA2 handshake四次握手消息协商用于后续数据通信的加密密钥，其中交互的第三个消息报文被篡改重放，可导致中间人攻击重置重放计数器(replay counter)及随机数值(nonce)，重放给client端，使client安装上不安全的加密密钥。

此漏洞攻击方式被命名为Key reinstallation attacks密钥重装攻击，除了影响已经在用的数据加密密钥，同时也影响PeerKey, group key, Fast BSS 切换FT握手等，会导致Wi-Fi通信数据加密通道不安全，存在被嗅探、篡改和重放等风险，攻击者可获取Wi-Fi网络中的数据信息。

几乎所有支持Wi-Fi的设备（Android, Linux, Apple, Windows, OpenBSD, MediaTek, Linksys等）都面临安全威胁，危害较大。

该漏洞相关影响取决于被攻击的握手过程和数据加密协议，例如AES-CCMP可被重放和解密，TCP流量存在被劫持和注入恶意流量的可能，WPATKIP和 GCMP可被重放、篡改及解密，影响会更大，因为GCMP两端使用的相同的认证密钥。

相关CVE如下，其中每个CVE代表一种特定场景下的密钥重装攻击。

CVE-2017-13077:四次握手过程中重装PTK-TK加密密钥对
CVE-2017-13078:四次握手过程中重装GTK
CVE-2017-13079:四次握手过程中重装IGTK
CVE-2017-13080:Group key 握手过程中重装GTK
CVE-2017-13081:握手过程中重装IGTK
CVE-2017-13082:接收重传的快速BSS切换重关联请求，在处理过程中重安装PTK-TK加密密钥对
CVE-2017-13084:在PeerKey握手过程中重安装STK KEY
CVE-2017-13086:在DTLS握手过程中重安装TDLS PeerKey
CVE-2017-13087:在处理WNM睡眠模式响应帧过程中重安装GTK
CVE-2017-13088:在处理WNM睡眠模式响应帧过程中重安装IGTK

WPA2协议介绍

WPA全名为Wi-FiProtected Access，有WPA和WPA2两个标准, WPA（Wi-Fi Protected Access）加密方式目前有四种认证方式：WPA、WPA-PSK、WPA2、WPA2-PSK，采用的加密算法有两种：AES（Advanced Encryption Standard高级加密算法）和TKIP（Temporal Key Integrity Protocol临时密钥完整性协议）。

由于WEP已被证明为不安全的协议，在802.11i协议完善前，采用WPA为用户提供一个临时性的解决方案。该标准的数据加密采用TKIP协议(Temporary Key Integrity Protocol)，TKIP的两个主要功能是：逐包密钥及消息完整性检查（MIC），与WEP相同的加密算法RC4来实现这一点，虽然TKIP解决了所有已知的WEP问题，但WPA2的AES加密更安全，适应更广泛的工业标准并在实践中广泛使用。

WPA2是WPA的增强型版本，与WPA相比，WPA2新增了支持AES的加密方式，采用AES加密机制。

Key reinstallation attacks密钥重装攻击

四次握手协商密钥过程中消息报文见图1 EAPOL格式，其中重放计数replay counter字段用于检测重复报文，每次发送一个报文，重放计数加一，nonce字段为加密密钥生成所需要的随机数。

图1 EAPOL帧简化报文格式

以groupkey为例，首先Client 进入PTK-INIT状态，初始化(PMK)，当接收到消息1进入PTK_START状态，client会生成随机数SNonce，计算临时TPTK，发送消息2（带SNonce）到AP，当Client接收到消息3， replay counter重放计数等有效的条件下，进入PTK-NEGOTIATING协商状态，同时标记TPTK为有效，发送消息4到AP，然后直接进入PTK-DONE 状态, 使用MLME-SETKEYS安装KEY。特别注意的是，此状态机过程来自于802.11标准，清晰的考虑了未收到消息2或者4的情况，消息1或者3会继续重传。具体如下：

图2 四次握手状态机，KEY用MLME-SETKEYS.request 命令字进行安装

当client作为Supplicant加入Wi-Fi网络，client与AP认证端Authenticator进行四次握手协商新的加密密钥，见下图3，在接收到四次握手中的第3个消息报文时会安装新生成的加密密钥，后续数据通信使用该密钥进行数据加密。

因为报文可能丢失，如果AP未接收到client的响应会重发第三个消息报文，所以client可能重复接收到第3个消息报文多次。每次当client接收到此消息，都会重新安装相同的加密密钥，然后重置协议加密使用到的nonce值及重放计数。

攻击者可通过嗅探、重放四次握手过程中的第3个消息报文，强制重置协议加密使用到的nonce值及重放计数，重安装加密密钥，从而攻击协议的加密机制，数据报文可被重放、解密及篡改。

该攻击方法同时可用于攻击已在使用的加密密钥、group key、PeerKey, TDLS及快速BSS切换握手等。

图3 GroupKey 场景四次握手

漏洞根因分析及影响

802.11协议标准仅提供粗粒度的伪码描述四次握手的状态机，但并未清晰描述特定的握手消息应该在什么时候处理。

密钥重装漏洞滥用了消息3重传的流程，首先在Client和AP之间确定MitM中间人攻击的点，在AP接收到消息4之前不断重传篡改后的消息3，导致Client 重新安装已用的加密密钥，同时重置nonce值。

实际情况，实施此攻击的时候，并非所有的Wi-Fi客户端client都正确实现了此状态机，Windows和iOS未接收处理消息3的重传，这违背了802.11标准，所以密钥重装漏洞攻击的时候并未生效产生漏洞，但在group key 握手的场景下仍然存在安全漏洞，此外在FT 握手情况下仍可能被间接攻击。

对于Android 6.0影响更大，在此攻击的情况下，强制使用了可预测全零的加密密钥。

密钥重装漏洞攻击实际影响如下图4，第一列代表不同类型的Client客户端，第2列表示不同Client类型是否接受消息3，第三列表示如果PTK配置，EAPOL消息明文是否接收，第4列表示首个消息3报文快速发送后是否接收明文EAPOL报文，最后两列表示是否受到此漏洞攻击的影响。

特别需要注意的，研究者当前并没有破解Wi-Fi网络的密码，也并没有通过四次握手协商过程的攻击破解新生成的加密密钥。

图4 不同Clients的实际漏洞效果

漏洞影响范围

此漏洞存在于协议标准设计缺陷，所有支持WPA2的客户端都受到影响。
攻击主要面向WPA2客户端设备。

漏洞安全加固建议

1、漏洞攻击需要实施MitM中间人攻击，条件许可建议合理部署无线入侵防御系统或者VPN加密，及时监测恶意钓鱼Wi-Fi，禁止私搭AP等；
2、及时升级此漏洞的安全补丁（有补丁的情况），更新WPA2客户端到最新版本；
3、仅连接可信Wi-Fi，公共场合尽量使用蜂窝移动网络，Wi-Fi连接不用的情况下建议禁用，攻击面最小化。

注：
1、Linux的hostapd和wpa_supplicant 补丁已公布，详见 https://w1.fi/security/2017-1/
2、微软在Windows 10 操作系统中发布补丁 KB4041676；
3、苹果在最新的 beta 版本iOS等中修复了无线网络安全漏洞。

参考文档:
[1]https://papers.mathyvanhoef.com/ccs2017.pdf
[2]https://techcrunch.com/2017/10/16/wpa2-shown-to-be-vulnerable-to-key-reinstallation-attacks/