WiFi网络WPA2 KRACK漏洞分析报告

2017年10月18日 13:39 2532

作者:阿里安全技术平台团队

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0x00 漏洞概述

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。


WiFi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WiFi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WiFi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。

l  CVE-2017-13077: 四次握手过程中重装PTK-TK加密密钥对

l  CVE-2017-13078: 四次握手过程中重装GTK

l  CVE-2017-13079: 四次握手过程中重装IGTK

l  CVE-2017-13080: Group key 握手过程中重装GTK

l  CVE-2017-13081: 握手过程中重装IGTK

l  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

l  CVE-2017-13084: 在PeerKey握手过程中重安装STK KEY

l  CVE-2017-13086: 在DTLS握手过程中重安装TDLS PeerKey

l  CVE-2017-13087: 在处理WNM睡眠模式响应帧过程中重安装GTK

l  CVE-2017-13088: 在处理WNM睡眠模式响应帧过程中重安装IGTK


漏洞攻击演示视频:

https://www.youtube.com/watch?v=BtdN1SM5Z5o

 

0x01 WPA2协议介绍

WPA全名为Wi-Fi Protected 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。

 

0x02  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1EAPOL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group key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:

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wifi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 Group Key场景四次握手



0x03 漏洞根因分析及影响

802.11协议标准仅提供描述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


0x04 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。

 

0x05 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WiFi,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wifi,公共场合尽量使用蜂窝移动网络,wifi连接不用的情况下建议禁用,攻击面最小化。

 

注:

Linux的hostapd和wpa_supplicant补丁已公布,详见 https://w1.fi/security/2017-1/

微软在Windows 10操作系统中发布补丁KB4041676。

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/

 

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