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802.11X用户身份验证

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静态WEP企图同时解决802.11无线网络安全的两个问题。它即打算提供 身份验证 以限定拥有特定密钥方能进行网络访问，也想要提供 机密性 以在数据经过无线链路时予以加密。然而，它在这两方面的表现都不是特别好。

802.1X是一个框架，它是IEEE采用IETF的 可扩展身份验证协议 （ E xtensible A uthentication P rotocol，简称 EAP ）制定而成， 802.1X为链路层提供了身份验证的机制 。静态WEP只是对拥有加密密钥的机器进行身份验证，而802.1X则允许网关人员对用户而非机器进行身份验证，同时可以确保用户连接至合法，经过授权而非窃取个人数据的冒牌网络。

1. 可扩展身份验证协议（EAP）

EAP是一种简单的封装方式，可以运行于任何的链路层，EAP的基本架构如下图所示，在设计上是为了能够运行于任何的链路层以使用各种身份验证方式。


图1 EAP的架构

1.1 EAP的封包格式

EAP的封包格式如下图所示，EAP并不是非得运行在PPP之上，下图的封包可以通过任何一种帧来承载。


图2 EAP的封包格式

  • Code

    Code（类型代码）长度为1个字节，代表EAP封包的类型，封包的Data（数据）字段必须通过此字段来解析

  • Identifier

    Identifier（标识符）用来匹配请求与响应，重传时会使用相同的identifier number，新的重传则使用新的identifer number

  • Length

    Length字段记载了整个封包的总字节数，包括Code、Identifier、Length以及Data这4个字段

  • Data

    Data字段长度不定，可能不占任何字节，Data字段如何解析完全取决于Code字段的值

1.2 EAP的请求与响应

EAP的交换操作由请求与响应构成，如下图所示。Code字段的值为1代表请求，2代表响应，Data字段会携带一种数据，可细分为type identifier code以及associated data。


图3 EAP的请求与响应封包的格式

  • Type

    Type（类型）字段代表请求或响应类型。每个封包只能使用一种类型，当无法接受某个请求时，对方可以送出一个NAK来提议使用不同的类型。大于等于4的Type字段值代表身份验证方式

  • Type-Data

    Type-Data（类型-数据）字段长度不定，必须根据每种类型的规则加以诠释

类型代码字段对应的消息如下表所示：

Type Message 含义
1 Identity 认证者通常会以身份类型作为最初的请求，简写为Request/Identity，表示认证者试图建立某种用户名称以便进行身份验证，EAP客户端程序会响应一Response/Identity封包，封包的Type-Data字段包含了用户名称
2 Notification 认证者可以使用Notification类型传送消息给用户，用户的系统随后可将Request/Notification中的消息显示给用户看，例如密码即将过期或者账号被锁定的原因。EAP客户端会响应一个简单的确认
3 NAK null acknowledgment主要用来建议使用新的身份验证。认证者会在送出的质询（challenge）消息中指定身份验证所使用的类型代码，身份验证类型的代码为4及以上的数字，如果用户的系统不支持质询所使用的身份验证类型，可以恢复NAK，NAK的Type-Data字段包含器所建议使用的认证类型

表1 EAP的请求与响应数据的Type字段的取值和含义

1.3 EAP身份验证方式

EAP会把证明用户身份的操作授权给一个称为EAP method（一组验证用户身份的规则）的附属协议，下表列出了一些EAP method以及它们的类型代码。

类型代码 身份验证协议 说明
4 MD5 Challenge EAP中类似CHAP的认证方式
6 GTC 原本打算与RSA SecurID之类的令牌卡（token card）一起使用
13 EAP-TLS 以数字证书（digital certificate）相互认证
21 TTLS 隧道式TLS，以TLS加密保护较弱的身份验证方式
25 PEAP 防护型EAP，以TLS加密保护较弱的EAP方式
18 EAP-SIM 以移动电话的用户识别模块（Subscriber Identity Module，简称SIM）卡进行身份验证
29 MS-CHAP-V2 Microsoft的经加密的密码身份验证，见冗余Windows域

表2 802.1X身份验证常用的EAP认证方式（EAP method）

在EAP交换结束之后，用户不是认证成功，就是认证失败。一旦认证者判断出整个交换过程已经完成，就会发出一个EAP-Success或EAP-Failure帧，以结束整个EAP交换过程，如下图所示。


图4 EAP认证成功与失败的帧

1.4 EAP交换范例

EAP交换范例如下图所示，这并不是无线网络中“实际”可见的交换过程，因为其中用到了一些未曾广泛部署的协议。举这个例子只是为了让读者对EAP协议的运作方式有基本的概念。EAP交换过程是一系列的步骤，从认证请求开始，以成功或失败信息结束。


图5 简单的EAP交换过程

可扩展性既是EAP最大的优点也是最大的缺点。可扩展性让协议能够在有新的需求福显示开发新的功能。正因为可扩展性，EAP已经从保留PPP协议编号的方式转变为无线局域网安全防护的基础。不过要正确部署EAP可能不容易，因为要选择正确的协议选项之前必须先理清一大堆问题。EAP之所以具有灵活性，关键在于它本身只是一个框架，当新的需求浮现时就可以设计出新的认证方式，就算是用于无线局域网也不成问题。

2. 802.1X：网络连接端口的认证

在链路层采用认证机制并不是什么新鲜事，网络连接端口的认证在拨号访问服务器上已经使用了多年，IEEE采用了PPP认证协议并开发了基于局域网络的版本，最后出炉的标准称为802.1X，“基于端口的网络访问控制”（Port-Based Network Access Control）。

2.1 802.1X的架构及相关术语

  • 申请者（supplicant）

    寻求访问网络资源的用户机器

  • 认证者（authenticator）

    网络访问由认证者（authenticator）控制，它扮演着传统拨号网络中访问服务器的角色，申请者与认证者在规范说明书中称为端口认证实体（Port Authentication Entity，简称PAE）。

  • 认证服务器

    认证者只负责链路层的认证交换过程，并不维护任何用户信息。任何认证请求均会被转送至认证服务器进行实际的处理

申请者与认证者之间使用802.1X所定义的EAPover LAN（简称EAPOL）协议，在后端则是通过RADIUS封包来传递EAP，如下图所示。


图6 802.1X的架构

2.2 EAPOL的封装格式

EAPOL的基本帧格式如下图所示。


图7 EAPOL的帧格式

EAPOL帧的组成字段如下：

  • MAC标头

    根据链路层协议使用相应的标头。

  • Ethernet type

    Ethernet type（以太网类型）字段包含了长度为2个字节的type code（类型代码），EAPOL的类型代码为88-8e。

  • Version

    第一版标准化于2001年版的802.1X，第2版规范与802.1X-2004。

  • Pocket Type

    为了让EAP能够适用于基于连接端口的LAN环境，EAPOL加入了一些消息类型，下表列出了所有的封包类型及其说明。

    封包类型 名称 说明
    0000 0000 EAP-Packet 包含了一个经过封装的EAP帧，大部分的帧均属于EAP-Packet帧
    0000 0001 EAPOL-Start 申请者可以主动送出EAPOL-Start帧，不必等候来自认证者的质询
    信息。认证者会送出一个EAP-Request/Identity帧作为响应
    0000 0010 EAPOL-Logoff 当某个系统不再需要使用网络时，便可发出一个EAPOL-Logoff帧，
    让连接端口重新回到未授权状态
    0000 0011 EAPOL-Key EAPOL可用来交换加密密钥信息
    0000 0100 EAPOL-Encap-
    sulated-ASF-Alert     		警告标准讨论（Alerting Standards Forum，简称ASF）
    定义了一种方式，可让警告信息通过此类型的帧传送给
    未经授权的连接端口

  • Packet Body Length

    该字段用来计算Pocket Body字段的长度。

  • Packet Body

    除EAPOL-Start与EAPOL-Logoff消息外，此字段会出现于所有的EAPOL帧中。EAP-Packet帧所封装的是一个EAP封包，EAPOL-Key帧所封装的是一个密钥，而EAPOL-Encapsulated-ASF-Alert帧所封装的则是一段警告信息。

3. 802.1X与无线局域网

802.1X为任何局域网，包括无线局域网，提供了一个用户认证的框架。802.11网络中的802.1X交换范例如下图所示。


图8 802.11网络上典型的802.1X交换

上图802.11网络上的802.1X交换步骤如下：

  1. 申请者通过Association Request/Association Response关联至802.11网络;
  2. 申请者发出一个EAPOL-Start消息，开始进行802.1X交换过程。这个步骤并非必要；
  3. “正常的”EAP交换过程开始。认证者发出一个EAP-Request/Identity帧，申请者以EAP-Response/Identity帧进行回复，此帧随后被转换为Radius-Access-Request封包送给RADIUS服务器；
  4. RADIUS服务器判断需要使用哪个类型的认证，并在送出的EAP-Request信息中指定认证方式的类型。EAP-Request被封装于Radius-Access-Challenge封包中送给接入点。接入点收到封包后即将EAP-Request传递给申请者。EAP-Request信息通常会被表示成EAP-Request/Method，其中Method代表所使用的EAP认证方式；
  5. 申请者从用户方面取得响应，然后返回EAP-Response。认证者会将此响应转换为送给RADIUS的Radius-Access-Request封包，针对质询信息所做的响应则存放于数据字段中；
  6. 既然RADIUS服务器送出一个Radius-Access-Accept封包允许对方访问网络，因此认证者会发出一个EAP-Success帧并且授权申请者使用连接端口；
  7. 收到EAP-Success封包的确认（ACK）后，接入点会立即使用EAPOL-Key消息将密钥分配给申请者；
  8. 一旦申请者安装好密钥，就可以开始传送数据帧来访问网络；
  9. 当申请者不再需要访问网络，就会送出一个EAPOL-Logoff消息，使连接端口恢复成未授权状态。

EAPOL-Key帧让接入点能够传送密钥给客户端，密钥交互帧只有在认证成功之后才会传送，这样可以避免密钥信息外泄。EAPOL-Key帧也可以用来定期动态更新密钥。

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