WiFi網(wǎng)絡(luò)WPA2 KRACK漏洞分析報(bào)告

作者：東帆@阿里安全技術(shù)平臺(tái)團(tuán)隊(duì) 2017-10-18 15:41:54

安全研究員Mathy Vanhoef發(fā)現(xiàn)的WPA2協(xié)議的KRA（Key Reinstallation Attacks）漏洞，利用WPA2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)加密密鑰生成機(jī)制上的設(shè)計(jì)缺陷，四次握手協(xié)商加密密鑰過(guò)程中第三個(gè)消息報(bào)文可被篡改重放，導(dǎo)致在用密鑰被重新安裝。

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0x00 漏洞概述

WiFi網(wǎng)絡(luò)通過(guò)WPA2 handshake四次握手消息協(xié)商用于后續(xù)數(shù)據(jù)通信的加密密鑰，其中交互的第三個(gè)消息報(bào)文被篡改重放，可導(dǎo)致中間人攻擊重置重放計(jì)數(shù)器(replay counter)及隨機(jī)數(shù)值(nonce)，重放給client端，使client安裝上不安全的加密密鑰。

此漏洞攻擊方式被命名為Key reinstallation attacks密鑰重裝攻擊，除了影響已經(jīng)在用的數(shù)據(jù)加密密鑰，同時(shí)也影響PeerKey, group key, Fast BSS切換FT握手等，會(huì)導(dǎo)致WiFi通信數(shù)據(jù)加密通道不安全，存在被嗅探、篡改和重放等風(fēng)險(xiǎn)，攻擊者可獲取WiFi網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息。

幾乎所有支持Wi-Fi的設(shè)備（Android, Linux, Apple, Windows, OpenBSD, MediaTek, Linksys等）都面臨安全威脅，危害較大。

該漏洞相關(guān)影響取決于被攻擊的握手過(guò)程和數(shù)據(jù)加密協(xié)議，例如AES-CCMP可被重放和解密，TCP流量存在被劫持和注入惡意流量的可能，WPATKIP和GCMP可被重放、篡改及解密，影響會(huì)更大，因?yàn)镚CMP兩端使用的相同的認(rèn)證密鑰。

相關(guān)CVE如下，其中每個(gè)CVE代表一種特定場(chǎng)景下的密鑰重裝攻擊。

l CVE-2017-13077: 四次握手過(guò)程中重裝PTK-TK加密密鑰對(duì)

l CVE-2017-13078: 四次握手過(guò)程中重裝GTK

l CVE-2017-13079: 四次握手過(guò)程中重裝IGTK

l CVE-2017-13080: Group key 握手過(guò)程中重裝GTK

l CVE-2017-13081: 握手過(guò)程中重裝IGTK

l CVE-2017-13082: 接收重傳的快速BSS切換重關(guān)聯(lián)請(qǐng)求，在處理過(guò)程中重安裝PTK-TK加密密鑰對(duì)

l CVE-2017-13084: 在PeerKey握手過(guò)程中重安裝STK KEY

l CVE-2017-13086: 在DTLS握手過(guò)程中重安裝TDLS PeerKey

l CVE-2017-13087: 在處理WNM睡眠模式響應(yīng)幀過(guò)程中重安裝GTK

l CVE-2017-13088: 在處理WNM睡眠模式響應(yīng)幀過(guò)程中重安裝IGTK

漏洞攻擊演示視頻：

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

0x01 WPA2協(xié)議介紹

WPA全名為Wi-Fi Protected Access，有WPA和WPA2兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn), WPA（Wi-Fi Protected Access）加密方式目前有四種認(rèn)證方式：WPA、WPA-PSK、WPA2、WPA2-PSK，采用的加密算法有兩種：AES（Advanced Encryption Standard高級(jí)加密算法）和TKIP（Temporal Key Integrity Protocol臨時(shí)密鑰完整性協(xié)議）。

由于WEP已被證明為不安全的協(xié)議，在802.11i協(xié)議完善前，采用WPA為用戶提供一個(gè)臨時(shí)性的解決方案。該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)加密采用TKIP協(xié)議(Temporary Key Integrity Protocol)，TKIP的兩個(gè)主要功能是：逐包密鑰及消息完整性檢查（MIC），與WEP相同的加密算法RC4來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，雖然TKIP解決了所有已知的WEP問(wèn)題，但WPA2的AES加密更安全，適應(yīng)更廣泛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并在實(shí)踐中廣泛使用。

WPA2是WPA的增強(qiáng)型版本，與WPA相比，WPA2新增了支持AES的加密方式，采用AES加密機(jī)制。

0x02 Key reinstallation attacks密鑰重裝攻擊

四次握手協(xié)商密鑰過(guò)程中消息報(bào)文見圖1EAPOL格式，其中重放計(jì)數(shù)replay counter字段用于檢測(cè)重復(fù)報(bào)文，每次發(fā)送一個(gè)報(bào)文，重放計(jì)數(shù)加一，nonce字段為加密密鑰生成所需要的隨機(jī)數(shù)。

圖1 EAPOL幀簡(jiǎn)化報(bào)文格式

以group key為例，首先Client進(jìn)入PTK-INIT狀態(tài)，初始化(PMK)，當(dāng)接收到消息1進(jìn)入PTK_START狀態(tài)，client會(huì)生成隨機(jī)數(shù)SNonce，計(jì)算臨時(shí)TPTK，發(fā)送消息2（帶SNonce）到AP，當(dāng)Client接收到消息3，replay counter重放計(jì)數(shù)等有效的條件下，進(jìn)入PTK-NEGOTIATING協(xié)商狀態(tài)，同時(shí)標(biāo)記TPTK為有效，發(fā)送消息4到AP，然后直接進(jìn)入PTK-DONE狀態(tài),使用MLME-SETKEYS安裝KEY。特別注意的是，此狀態(tài)機(jī)過(guò)程來(lái)自于802.11標(biāo)準(zhǔn)，清晰的考慮了未收到消息2或者4的情況，消息1或者3會(huì)繼續(xù)重傳。具體如下：

圖2 四次握手狀態(tài)機(jī)，KEY用MLME-SETKEYS.request命令字進(jìn)行安裝

當(dāng)client作為Supplicant加入wifi網(wǎng)絡(luò)，client與AP認(rèn)證端Authenticator進(jìn)行四次握手協(xié)商新的加密密鑰，見下圖3，在接收到四次握手中的第3個(gè)消息報(bào)文時(shí)會(huì)安裝新生成的加密密鑰，后續(xù)數(shù)據(jù)通信使用該密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。

因?yàn)閳?bào)文可能丟失，如果AP未接收到client的響應(yīng)會(huì)重發(fā)第三個(gè)消息報(bào)文，所以client可能重復(fù)接收到第3個(gè)消息報(bào)文多次。每次當(dāng)client接收到此消息，都會(huì)重新安裝相同的加密密鑰，然后重置協(xié)議加密使用到的nonce值及重放計(jì)數(shù)。

攻擊者可通過(guò)嗅探、重放四次握手過(guò)程中的第3個(gè)消息報(bào)文，強(qiáng)制重置協(xié)議加密使用到的nonce值及重放計(jì)數(shù)，重安裝加密密鑰，從而攻擊協(xié)議的加密機(jī)制，數(shù)據(jù)報(bào)文可被重放、解密及篡改。

該攻擊方法同時(shí)可用于攻擊已在使用的加密密鑰、group key、PeerKey, TDLS及快速BSS切換握手等。

圖3 Group Key場(chǎng)景四次握手

0x03 漏洞根因分析及影響

802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)僅提供描述粗粒度的偽碼描述四次握手的狀態(tài)機(jī)，但并未清晰描述特定的握手消息應(yīng)該在什么時(shí)候處理。

密鑰重裝漏洞濫用了消息3重傳的流程，首先在Client和AP之間確定MitM中間人攻擊的點(diǎn)，在AP接收到消息4之前不斷重傳篡改后的消息3，導(dǎo)致Client重新安裝已用的加密密鑰，同時(shí)重置nonce值。

實(shí)際情況，實(shí)施此攻擊的時(shí)候，并非所有的Wi-Fi客戶端client都正確實(shí)現(xiàn)了此狀態(tài)機(jī)，Windows和iOS未接收處理消息3的重傳，這違背了802.11標(biāo)準(zhǔn)，所以密鑰重裝漏洞攻擊的時(shí)候并未生效產(chǎn)生漏洞，但在group key握手的場(chǎng)景下仍然存在安全漏洞，此外在FT握手情況下仍可能被間接攻擊。

對(duì)于Android 6.0影響更大，在此攻擊的情況下，強(qiáng)制使用了可預(yù)測(cè)全零的加密密鑰。

密鑰重裝漏洞攻擊實(shí)際影響如下圖4，第一列代表不同類型的Client客戶端，第2列表示不同Client類型是否接受消息3，第三列表示如果PTK配置，EAPOL消息明文是否接收，第4列表示首個(gè)消息3報(bào)文快速發(fā)送后是否接收明文EAPOL報(bào)文，最后兩列表示是否受到此漏洞攻擊的影響。

特別需要注意的，研究者當(dāng)前并沒(méi)有破解Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的密碼，也并沒(méi)有通過(guò)四次握手協(xié)商過(guò)程的攻擊破解新生成的加密密鑰。

圖4不同Clients的實(shí)際漏洞效果

0x04 漏洞影響范圍

此漏洞存在于協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)缺陷，所有支持WPA2的客戶端都受到影響。

攻擊主要面向WPA2客戶端設(shè)備。

0x05 漏洞安全加固建議

1、漏洞攻擊需要實(shí)施MitM中間人攻擊，條件許可建議合理部署無(wú)線入侵防御系統(tǒng)或者VPN加密，及時(shí)監(jiān)測(cè)惡意釣魚WiFi，禁止私搭A(yù)P等；

2、及時(shí)升級(jí)此漏洞的安全補(bǔ)丁（有補(bǔ)丁的情況），更新WPA2客戶端到最新版本；

3、僅連接可信wifi，公共場(chǎng)合盡量使用蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，wifi連接不用的情況下建議禁用，攻擊面最小化。

注：

Linux的hostapd和wpa_supplicant補(bǔ)丁已公布，詳見 https://w1.fi/security/2017-1/。

微軟在Windows 10操作系統(tǒng)中發(fā)布補(bǔ)丁KB4041676。