移动互联网安全

黄玮

第一章 无线网络安全基础

提纲

  • 移动互联网基础
  • 无线网络基础

移动互联网基础

云管端三层架构
本课程聚焦

无线网络基础

  • 无线网络是什么？（协议基础）
  • 无线网络有什么？（设备基础）
  • 无线网络的路由？（系统基础）

无线网络是什么？

Wi-Fi？WLAN？802.11？蓝牙？NFC？

Wi-Fi

Wi-Fi Alliance® is the worldwide network of companies that brings you Wi-Fi®

Our work includes the development of innovative technologies, requirements, and test programs that help ensure Wi-Fi provides users the interoperability, security, and reliability they have come to expect.

Wi-Fi is not an acronym; it is a brand name created by a marketing firm that’s meant to serve as an interoperability seal for marketing efforts.

WLAN

  • Wireless Local Area Networks, 无线局域网
  • 使用 射频（Radio Frequency, RF） 技术建立的不依赖可见物理传输介质的无线通信局域网络

无线网络通信协议家谱

⽆线⽹络类别 IEEE ITU
蜂窝通信（2G, 2.5G）
最后几公⾥, Kbps		 GSM, CDMA,GPRS,EDGE
3G(WMAN)
最后几公里，1~xx Mbps		 WiMax(802.16e) WCDMA(欧洲)
CDMA2000(美国)
TD-SCDMA(中国)
4G(WMAN)
最后几公里，1~100 Mbps		 WiMax(802.16m) LTE(FDD/TDD)
5G
最后1公里，xxxMbps~xxGbps		 IMT-2020
WPAN
10米,Kbps~Mbps		 蓝牙(802.15.1)/UWB(802.15.4a)/ZigBee(802.15.4)
WLAN
100米,10Mbps~xxGbps		 Wi-Fi(802.11)

IMT: International Mobile Telecommunications

5G 应用场景

5G 技术关键指标

IEEE 802.11

IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks—Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications

802.11 技术架构

802.11 技术组件

  • STA
  • AP
  • Portal
  • BSS / IBSS / PBSS
  • SS
  • ESS
  • DS
  • 802.x LAN

Wireless station (STA)

  • 可寻址的设备（非固定位置）
    • 固定地址、可移植地址、动态地址
      • ⽆线客户端
      • ⽆线路由器
      • ⽆线接⼊点

无线介质带来的局域网组网新挑战

  • 没有可靠的物理层连接质量保障
  • 拓扑 动态性 和 位置移动性 更强
  • 普遍的电池供电：电源管理和低功耗需求
  • 共享的物理层传输介质：嗅探和中间人劫持风险

和 IEEE 802® 协议 家族的互联互通需求

  • logical link control (LLC)：抽象层，解决物理层连接可靠性质量管理
  • robust security network association (RSNA)：抽象层，解决共享物理传输介质带来的安全性挑战
  • IEEE 802.11 QoS：解决 动态性 和 位置移动性 需求

AP

  • Access Point
    • STA的⼀种
    • 对已关联（associated）的 STA 基于⽆线介质（WM, Wireless Medium）提供接⼊分布式服务

BSS

  • Basic Service Set
    • STA 加⼊的集合
    • STA 之间是否可以相互可见（通信）取决于接⼊点设备的配置
  • BSA: basic service area
    • BSS 的覆盖区域

IBSS

  • infrastructure BSS
    • BSS 默认就是指的的 基础设施 BSS ，IBSS 特指 Independent BSS
    • ⾄少包含 1 个接⼊点（Access Point, AP）
    • Portal（门户）是可选项
      • ⽆线服务的逻辑接⼊点，例如学校的⽆线认证页面
  • Independent BSS
    • 最基本的 IEEE 802.11 局域网
    • Ad-hoc
    • 最少包含 2 个 STA
    • 不支持接⼊分布式系统

PBSS

  • personal BSS
  • 类似 IBSS ，STA 之间直接通信
  • 不同于 IBSS
    • STA 扮演 PBSS 控制点（PBSS control point, PCP）
    • 仅限 IEEE 802.11ad 协议中定义的 DMG (Directional multi-gigabit) 客户端
      • 使用 60GHz 频谱资源，也可使用 2.4G/5G 频谱
      • 有效通信距离小于5米

MBSS

  • Mesh BSS, IEEE 802.11s
  • 一个典型的 MBSS 是由 AP 同时扮演 BSS 中的数据转发者和另一个 BSS 中的客户端，从而实现跨 BSS 的通信、多物理 AP 组成一个 ESS
  • 相对固定的分布式基础设施模式无线网络

SS

  • Station Service（站点服务）
  • 在⼀个指定BSS内提供 数据链路层通信 服务
    • 支持在 BSS 内不同 STA 之间传输 MSDU 的服务集合
      • MSDU: medium access control (MAC) Service Data Units

ESS

  • Extended Service Set（扩展服务集合）
  • 物理上独立的 BSS 组成的⼀个逻辑上的独立服务集合
    • 使用相同的ESSID
    • ⽆线热点扩展
      • CUC-WiFi、CUC-Guest、CMCC、ChinaNet …
    • 支持漫游

DS / DSS

  • Distribution System （分布式系统）
    • 增加 BSS 的覆盖范围（面积）
    • 又被称为 WDS（Wireless DS）
  • Distribution System Service (DSS)

802.x LAN

  • 802.3: wired local area network
    • 以太网使用双绞线作为传输媒介
    • 在没有中继的情况下，最远可以覆盖 200 米的范围
    • 支持数据传输速率范围：100Mbps ~ 10Gbps
  • 802.11: wireless local area network
    • 802.11a/b/g/n/ac/ad/ax
    • 802.11i

IEEE 802 家族主要协议对应 OSI 模型归属关系

IEEE 802.11 家族协议历史

IEEE 802.11g 第1-14信道的频谱屏蔽范围定义

Wi-Fi 世代与 IEEE 802.11 家族

Wi-Fi 世代 发布时间 IEEE 版本 频谱 理论最大传输速率
Wi-Fi 1 (非官方） 1999 802.11b 2.4GHz 11Mbps
Wi-Fi 2 (非官方） 1999 802.11a 5GHz 54Mbps
Wi-Fi 3 (非官方） 2003 802.11g 2.4GHz 54Mbps
Wi-Fi 4 2009 802.11n 2.4GHz && 5GHz（可选） 600Mbps
Wi-Fi 5 2014 802.11ac 5GHz ≈7Gbps
Wi-Fi 6 2021 802.11ax 2.4GHz && 5GHz ≈10Gbps
WiGig 2012 802.11ad 60GHz ≈7Gbps

BSSID

  • BSS 模式下是 AP 的 MAC 地址
  • 对于 IBSS 来说是随机的 MAC 地址

ESSID

  • ⼀般简称为 SSID ，⽆线⽹络的接⼊唯⼀标识
    • 仅作为⼀种声明
    • 可任意声明（伪造）
  • STA 与 AP 关联（Associate）使用的标识
  • 区分⼤小写、2-32 字节
  • 单个 AP 可以支持多个 ESSID
    • 取决于设备与系统的支持情况
    • 常见的：客⼈⽹络

ESSID

  • 取消 SSID ⼴播 / 隐藏 SSID
    • 客户端不能“主动发现”
    • 并不能增强⽆线⽹络安全性
      • 且听第三章分解
  • 构建 ESS 时，所有的 BSS 必须使用相同的 ESSID

为什么需要 BSSID

  • 增强识别 BSS 的准确性
  • 同名 ESSID 时，通过 BSSID 区分不同的 BSS

802.11 工作模式

  • 基础设施
    • BSS / ESS / MBSS
  • Ad-Hoc
    • IBSS / PBSS
  • 监听（monitor）模式
    • 第⼆章讲解

802.11 关联过程（无加密，开放认证）

可选步骤，AP 如果开启了 SSID ⼴播，则 STA 可以通过 beacon frame 得到认证相关信息

Wireshark 抓包分析实例

无线网络连接状态实例

如图所示的信号来自于位置相近的 2 台无线路由器，可见 2.4GHz 无线信号穿墙效果好于 5GHz 无线信号

STA 加⼊（关联）AP 的策略

  • 历史关联记录优先
  • 先发现，先关联
  • 信号强度⾼者优先
    • RSSI：received signal strength indicator
      • 接收信号的强度指示，负值
      • RSS = 10*lgP ，P 是接收到的信号功率，⼀般以 1mW 作为分母
    • dBm：功率绝对值，0 表示最强，越近 0 功率值越大
      • 对于 RSSI 来说，高 dBm 意味着更好的接收效果
      • 对于噪声值来说，高 dBm 意味着更强的干扰
    • dB：功率相对值

STA 加⼊（关联）AP 的策略

  • （常见可选）应用层连接质量检查
    • 检测当前无线网络是否可以访问预置受信任网络服务：预防网络劫持和投毒

抓包结果中的信号强度值实例

抓包结果中的信号强度值实例

无线网络设备基础

无线网络有什么？

  • AP？路由器？热点？
  • 上⽹卡？电⼒猫？3G？4G？5G?
  • ⼿机？平板？笔记本？台式机？空调？插座？WiFi-SD 卡？

常见术语与概念

  • （⽹卡）芯片
  • 厂商
  • 驱动程序
  • ROM / Flash
  • RAM / 内存
  • 天线

支持本课程实验的常见 USB 无线网卡

常用 USB 无线网卡信息调试指令（Kali）

# 查看物理网卡的硬件和软件特性支持情况
iw phy
iw list

# 查看 USB 端口上已连接设备基本信息
lsusb

# 查看USB设备所使用的驱动信息及其他详细信息（即使系统没有支持当前无线网卡的驱动程序，但通过该命令可以看到所有连接成功的USB设备）
lsusb -v

# 以树形结构打印输出USB设备基本信息及其驱动加载情况
lsusb -t

# 查看PCI接口设备所使用驱动的详细信息
lspci -k

# 查看硬件驱动和配置详细信息
# 需要手工安装： apt-get install lshw
lshw

# 简要模式打印输出设备中的所有硬件设备及其对应驱动信息
lshw -short

# 上一条命令输出结果里的class字段标识的设备类型，在此处可以作为筛选条件过滤输出结果
lshw -class bus


# 查看所有无线网卡的接口标识信息
iw dev

# 查看最近加载的（硬件）驱动日志信息
dmesg

常见网卡芯片厂商名单

以 Atheros AR9271 为例

天线（Antenna）

  • ⽆源器件
  • 通过控制信号发射的角度，来获得信号“增益”
    • 信号的总能量由 AP 决定
    • 天线决定信号如何传播出去
      • 全向（Omni）天线：覆盖角度大，能量聚集度低，覆盖距离短。适用于室内环境
      • 定向（directional）天线：覆盖角度小，能量聚集度高，覆盖距离长。适用于户外环境

无线网络系统基础

知名的路由器操作系统

OpenWrt

  • 基于 GNU/Linux 的嵌⼊式设备（主要是⽆线路由器）操作系统，采用 GNU GPLv2 授权协议
  • 官⽅硬件兼容性表格 列举了超过 1600 种市面上的⽆线路由器（数据统计截止：2020-12）
  • 在 VirtualBox 中体验 OpenWrt
  • 一段分分合合的小插曲
    • 2016 年 OpenWrt 中的一部分开发者因「开发理念不同」基于主干代码创建了一个新分支项目 LEDE ，主打「稳定性」、「规律的版本发布周期」和「透明决策机制」
    • 2018 年 1 月，LEDE 开发小组成员和 OpenWrt 开发小组成员达成和解，LEDE 项目重新回归 OpenWrt 社区，终止 LEDE 项目

DD-WRT

  • 用于⽆线路由器的的第三⽅固件，采用 GPL 协议，支持基于 Broadcom 或 Atheros 芯片参考设计的许多 IEEE 802.11a/b/g/n ⽆线路由器
  • 固件是由 BrainSlayer 来维护的，放在 dd-wrt.com
    • DD-WRT 的第⼀个版本基于Sveasoft Inc 公司的 Alchemy 开发出来的, ⽽Alchemy 又是基于 GPL 的 Linksys固件及许多其它开源程序
    • 由于后来⼈们需要向 Sveasoft 支付 20 美元才能下载 Alchemy 固件，直接的后果就是发展出了 DD-WRT

DD-WRT

  • DD-WRT 的新版本 (v24) 是⼀个全新的项目
    • DD-WRT 提供了在 OEM 固件，甚⾄ Sveasoft 收费的固件中没有的⾼级特性
    • 此外它去除了 Sveasoft 固件的产品激活和跟踪功能。
  • 官⽅支持设备列表

tomato

  • 以 HyperWRT 为基础的⽆线路由器固件，支持的路由器型号较少，如下：
    • Linksys WRT54GL v1.x, WRT54G v1-v4, WRT54GS v1-v4, WRTSL54GS (no USB support)
    • Buffalo WHR-G54S, WHR-HP-G54, WZR-G54, WBR2-G54, WBR-G54, WZR-HP-G54, WZR-RS-G54, WZR-RS-G54HP, WVR-G54-NF, WHR2-A54-G54, WHR3-AG54
    • Asus WL520GU (no USB support), WL500G Premium (no USB support), WL500GE
    • Sparklan WX6615GT, Fuji RT390W, Microsoft MN-700

RouterOS

  • MikroTik 公司基于 Linux 内核开发的路由器操作系统，可以安装在其私有硬件产品 RouterBOARD 系列或标准 x86 计算机
  • RouterBOARD 系列设备在出厂时即预置了RouterOS产品授权秘钥
  • PC 设备安装 RouterOS 需要额外获取授权秘钥，授权等级见 官⽅ Wiki

本章小结