无线局域网安全技术

Harbin Institute of Technology

无线通信安全技术课程报告题目：无线局域网及其安全技术

院（系）电子与信息工程学院

学科信息与通信工程

学生

学号

哈尔滨工业大学

无线局域网及其安全技术

摘要：进入21世纪以来，无线局域网（WLAN）逐渐走进了普通人的生活，在数据传输方面给人们带来了极大方便。本文简单介绍了WLAN的发展历史、优势和局限性，然后提到了WLAN 中的关键技术，重点介绍了WLAN的安全性，给出了几个重要的并且应用广泛的WLAN安全协议，最后，展望了WLAN及其安全技术的未来发展趋势。可以想见，无线局域网及其安全技术的发展，将会在不远的将来为我们提供更加便捷、保密的信息服务。

关键词：WLAN，关键技术，安全性

随着通信技术的不断发展，人们对通信的需求愈来愈复杂化和多样化，其发展的最终目标是人们能够无拘无束地获取和交换信息，其总趋势是数字化、智能化、综合化、个人化和全球一网化。现代通信技术的发展正围绕“5W通信”这一目标逐步向前推进，作为支撑用户通信的网络系统也正在向无线化发展。无线通信网络采用射频技术，取代旧式碍手碍脚的双绞线所构成的网络，因而其具有轻便灵活、工作效率高、安装成本低廉等特点，为我们实现个人通信提供了理想的网络平台解决方案[1]。

无线通信网络按覆盖范围来分，可分为无线广域网（WirelessWAN，WWAN）和无线局域网（WirelessLAN，WLAN）。本文主要研究的是无线局域网WLAN。

WLAN越来越多的被应用于各个领域。但由于其传输信道的开放性，与有线网络相比，无线局域网面临更多的安全威胁，因此，其对安全性的要求比有线环境更高。目前无线局域网的安全机制设计存在缺陷，使得无线局域网的安全性成为一个非常严重的问题。这严重制约了无线局域网的发展和进一步的推广，因此对无线局域网的安全研究具有十分重要的意义。

1 WLAN简介

1.1WLAN概述

无线局域网（WLAN）是计算机技术与通信技术相结合的产物，主要利用无线多址信道技术来提供终端之间的信息的传输，通过WLAN，可以实现通信的个性化移动化。相比于传统的有线局域网，无线局域网技术具有很大的灵活性，其通信范围环境条件的限制较小，覆盖面积宽，最大传输范围可达到数十公里[2]。无线局域网拓扑结构如图1。

无线局域网的起源最早可以追溯到第二次世界大战期间的军事应用。1971年，美国夏威夷大学的研究人员创造了第二个基于封包式技术的无线电通信网络ALOHNET，这被认为是最早的无线局域网络。

上世纪80年代后期，由于美国联邦通信委员会（FCC）对使用无线电技术的计算机通信开放了无需申请许可证就可以使用的2.4GHz频段，使得无线网络的研究成为通信领域的一个研究热点。

1997年6月，IEEE制订了第一个无线局域网的国际标准，即802.11标准。这一标准对无线局域网的发展有里程碑式的意义。使用这一标准不仅能使不同制造商的不同设备实现互联，还能降低产品成本，因此推动了无线局域网技术的快速发展以及相关扩展标准的相继推出[3]。

图1 无线局域网拓扑结构

1.2W LAN优点[4]

（1）使用方便

现在大多数便携式电脑都支持无线上网的功能，如果有了WLAN网络，上网时不但不需要电缆线的连接，而且也不用像GPRS 上网那样需要外置板卡，使用起来非常方便。（2）支持移动性

WLAN提供了对终端移动性的支持，少了连接电缆的束缚，终端可以在AP覆盖范围内随意移动，还可以在不同AP之间移动实现无缝漫游功能，且保持网络连接不中断，使用起来更加灵活，无线网络具有高移动性的特性。

（3）传输速率高

WLAN的数据传输速率现在已经能够达到11Mbps，应用正交频分复用（OFDM）技术的WLAN，速率可以达到54Mbps，远远高于有线网络的传输速率。

（4）资源共享

在不超过规定容量的情况下，多个用户可以共用一个AP，避免了用户接入难的问。由于没有线缆的限制，用户可以随心所欲地增加、重新配置工作站。WLAN有多种配置方式，能够根据需要灵活选择，能胜任从只有几个用户的小型网络到上千用户的大型网络的快速扩展。

（5）兼容性强

无线网络作为有线网络的延伸，能够通过AP与现有的有线网络资源无缝地结合在一起，且对于符合IEEE802.11协议的无线网络产品，即使不同厂商的产品也可以相互通讯。

1.3W LAN局限性

虽然无线局域网能够给人们带来很多快捷方便的应用服务，但同时由于其传输媒介的特殊性，WLAN存在着一些缺点，主要体现在下列几个方面：

（1）性能。

无线局域网主要是通过无线电波进行传输的。但建筑物、车辆、其它障碍物都可能阻挡信号的传输，导致接收性能变差，从而影响网络的性能。（2）速率。

相比与有线传输方式，无线传输速率要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为100M兆以内，不太适合大规模网络和集团用户。

（3）安全性。

从理论上讲，相比有线传输，无线电信号更容易被截取，造成通信信息泄漏[5]。

1.4WLAN关键技术[6]

无线局域网发展迅速，面对高传输速率、高吞吐、高频谱效率的发展需求，无线局域网协议中也不断的采用新的技术以适应无线局域网的发展趋势。下面介绍几种目前无线局域网协议中采用的物理层关键技术，这些技术的结合，为无线局域网的可靠高效传输提供了保证。

（1）编码技术

在无线局域网标准中，主要采用了两种编码方式，即二进制卷积码（BinaryConvolutionalCode，BCC）以及低密度奇偶校验码（LDPC）。Elias于1955年提出卷积码，卷积码的一个特点是在前后码组之间引入了相关性。卷积码我们已经很熟悉，简单介绍一下LDPC码。

LDPC码由Gallager于1962年提出，是一种性能逼近香农极限的好码，它的发现是纠错编码领域的重大进展，同时也被认为是Turbo码的有力竞争者。由于其逼近香农极限的性能及较低的编译码复杂度，被广泛地应用到各种通信系统中。

LDPC码是线性分组码的一种。它具有线性分组码的所有特性，同时其校验矩阵还具有稀疏特性，即LDPC码校验矩阵中的“1”的个数远小于其校验矩阵的大小。LDPC码编码技术一般有直接编码法和密集编码法。LDPC的优势很大程度上源于高效迭代译码算法。在LDPC多种译码算法中，其性能和复杂度也不尽相同，其中置信度传播（belief-propagation，BP）算法性能较优。BP算法的缺点是存在大量的乘法运算，复杂度较高。再此基础上，为了进一步减小运算复杂度，Log-BP算法将译码计算在对数域中

完成，从而大量的乘法运算转化为加法运算。

（2）调制技术

在IEEE802.11协议中，主要釆用了相位调制及正交幅度调制。如QPSK，16QAM，64QAM以及256QAM。经过调制之后，发送比特序列映射为复值的符号序列。对于解调，本文主要介绍基于最大似然（MaximumLikelihood，ML）的解调算法。

（3）OFDM技术

OFDM可以视为数字多载波调制的频分复用系统。该技术的核心是将承载高速数据流的较大带宽信道转化为多路交的子信道，每个子信道承载较低速率的子数据流。与系统信道的相关带宽相比，每个子信道上的信号带宽较小，因此每个子信道可以视为平坦衰落，从而消除符号间干扰（InterSymbolInterference，ISI），同时降低了信道均衡复杂度。目前OFDM技术已被广泛应用于多种数字通信系统中，已经成为未来高速无线通信的核心技术之一。

（4）MIMO技术

利用多天线技术，能够采用多种手段来克服无线信道的影响，提高链路质量。总的来说，MIMO系统可以较为容易的提供空间复用增益和空间分集增益。一方面，MIMO 系统空间维度的利用获得了可利用的自由度的提升。对于各个收发天线之间的衰落是独立的情况下，构成了空间复用的多路并行子信道，从而提高数据传输速率。另一方面，MIMO也可以容易的实现空间分集来对抗衰落信道。承载相同信息的信号通过不同的路径被发送，在接收端可以获得多个独立衰落的副本，从而提高接收可靠性。多天线可以使系统在空间维度方面进一步增加系统分集度。

MIMO技术发展迅速，已成为目前研究的热点。随着技术的不断成熟，该技术将成为未来无线通信的关键技术之一。目前MIMO技术己被多种无线通信标准所釆纳，如3GPPLTE，无线局域网IEEE802.11n和正在制定的IEEE802.11ac等标准，并成为提升系统性能的革命性手段。

（5）波束赋形

波束赋形源于智能天线的波束成形技术。与智能天线中波束成形技术类似，MIMO波束赋形同样可以提高系统信干噪比，进一步增加系统容量。在单用户MIMO系统中，通过波束赋形技术，可以进一步改善信噪比，增大天线增益，减小其他干扰信号对用户传输数据的干扰。目前波束赋形技术仍是国内外无线通信领域的研究热点。目前，按照传输链路，可以将波束赋形分为上行波束赋形和下行波束赋形;按照技术的实现算法，可以分为线性和非线性波束赋形技术。

2 WLAN安全简述

随着无线局域网应用的广泛与深入，制约其发展的网络安全问题得到越来越多的关注。无线局域网的安全问题主要体现在以下几个方面：信道开放，难以阻止攻击者窃听，恶意修改并转发；要经常移动设备（尤其是移动用户），设备容易丢失或失窃；用户不必与网络进行实际连接，使得攻击者伪装合法用户更为容易；无线电波在空气中的传播会因为多种原因（例如障碍物）发生信号衰减，导致信息丢失。无线局域网对于安全的需求主要包括数据机密性、数据完整性、秘钥管理三个方面。

无线局域网的物理特性增加了针对无线局域网的攻击可能机会，因此自IEEE802.11标准设计阶段起，安全问题就成为了无线局域网技术的一个重要方面。

IEEE802.11协议的安全措施包括：

1采用扩频技术确保无线电波的安全传输，使得监听者难以捕捉到有用的数据。

2采取网络隔离及网络认证措施。

3设置严密的用户口令及认证措筛，防止非法用户入侵。

4设置附加的第三方数据加密方案，即使信号被监听也难以理解其中的内容。

然而研究表明，这些措施只是攻击者攻击道路上的一道很容易突破的屏障，攻击者可以利用认证的缺陷轻易地对网络进行非授权访问，可以篡改在无线局域网中的数据，

甚至分析足够数据包得到各网络设备中共享的密钥，对数据进行解密。为此，国内外学者和研究人员对无线局域网的安全认证研究做了深入的分析和研究，包括对各种现有的网络安全措施的分析，提出相应改进措施以及改进方案[7]。

无线局域网的标准有：IEEE802.1x、WPA、WAPI。IEEE制定的无线局域网标准从最初的标准IEEE802.11到目前的IEEE802.11i经历一个漫长的过程。WPA是由Wi-Fi联盟推出的标准。WAPI是我国制定的无线局域网安全标准。无线局域网安全标准的制定旨在为无线局域网用户提供安全可靠的网络环境。经过这些年来的发展，无线局域网的安全性、可靠性有了明显的提高[8]。WLAN的安全机制演化如图2。

图2WLAN安全机制演化

3 WLAN安全协议

3.1 WEP协议

WEP（WiredEquivalentProtocol）协议，即有线对等保密协议。它是无线局域网IEEE802.11b采用的标准安全协议，从名字上就可以看出，WEP协议基于链路层的安全协议，其设计的目标是无线局域网提供与有线网络相同级别的安全性。WEP协议提供了对接入用户身份的认证以及数据的保密性和完整性的需求。WEP采用的是RC4加密算法来保护数据的机密性；在终端用户和接入点之间使用的是同一密钥实现接入控制；使用的是CRC-32循环冗余校验值来保证数据的完整性。

但是，WEP协议在RC4加密算法、数据完整校验、IV空间问题、密钥管理、身份认证方面均有缺陷需要进一步改进。

3.2WPA安全框架

WPA标准是由Wi-Fi联盟提出的一种无线局域网安全的过渡安全方案标准，这种标准的出现及时的缓解了无线局域网由于安全问题导致的困境，由于WEP协议存在很多安全缺陷，已经无法满足实际的需要，但新的标准没有发布，这个时候，设备生产厂商Wi-Fi联盟推出了WPA安全标准。WPA使用了有线网络802.1x和可扩展认证协议EAP 的认证机制，以及TLS和TKIP的加密机制来解决IEEE802.11b标准出现的问题，而且WPA标准中采用了IEEE802.11i的草案，确保它可以未来出现协议的兼容[9]。

WPA标准虽然是一种过渡性方案，但WPA相比WEP而言，它不仅只是一种比WEP更为强大的加密方法，而是一种完整的无线局网安全性解决方案，其包括了认证、加密和数据完整性校验三个部分。

3.3IEEE802.11i协议

为了弥补WEP在无线网络中的安全问题，并结合无线局域网的特点，因此推出了IEEE802.11i安全框架。IEEE802.11i为WLAN 定义了两种类型的安全框架：RSN和TSN，RSN和TSN两种安全机制的差别主要在于四次握手机制[10]。IEEE802.11i安全框架如图3所示。

图3IEEE802.11i安全框架

IEEE802.11i标准旨在建立一个RSN网络，有效抵御各种主动和被动攻击，从身份认证、数据加密以及密钥管理等方面对无线局域网的安全进行了提升。在STA、AP以及AS相互认证的过程中，组成了无线局域网牢固的安全防线，这三者之间的安全会话的关键就是以密钥为基础，因此对IEEE802.11i 的安全分析主要就是针对其密钥以及密钥的管理进行安全分析。

IEEE802.11i潜在的安全威胁依然存在，主要为密钥攻击、拒绝服务攻击（DoS）、中间人攻击。这也是未来将要努力改进的地方。

3.4WAPI安全框架

WAPI（WLAN Authentication and Privacy Infrastructure）是我国2003年颁布具有自主知识产权的无线局域网国家标准和制定工作，重点进行了WLAN国家标准的核心技术的构思、开发验证。WAPI与已有安全机制相比有其独特的有点，充分体现了国家标准的先进性，它与国际标准IEEE802.11相比，WAPI对无线局域网的安全有了更加严格的要求，WAPI能为无线局域网系统提供全面的安全保护。

4 WLAN及其安全技术发展趋势

WLAN技术的研究和应用是目前无线通信领域乃至整个通信行业的研究热点。无线局域网由于传输信道的开放性，与有线网络相比，无线局域网面临着更多的安全问题，在实际使用中，安全问题已经严重的阻碍了无线局域网的发展与应用。从WLAN的进一步推广应用来看，未来的研究方向主要集中在吞吐容量、安全性、及与4G等新的移动通信技术之间的关系上[11]。

4.1 提高无线局域网的吞吐容量

从目前相关的一些统计与调查报告可以看出，现有的网络设备的吞吐量的差别很大，因此这就要求无线局域网的使用者根据自身的需求去使用宽带。而目前的有线网在理论上可以达到每秒100 兆的传上来，而在实际的使用过程中只有每秒 4 兆，然后再减去距离导致的损耗，最后可能只剩下每秒 3 兆的传输了。因此，对于无线局域网的发展首先应该把发展的重点放在如何将低速率的无线网和高速度的有线局域网二者契合起来，并进一步提高其速度与稳定性，尽最大的努力去提高无线局域网的传输率[12]。

4.2 全面的提高无线局域网的安全性

无线网络在快速应用的过程中带来的安全问题也越来越受到人们的关注。如果将WLAN集成到蜂窝移动通信网络，需要提供集成的认证、鉴权、计费、漫游、终端移动性和服务的连续性，即用户终端能够透明地在两种网络间切换和漫游而保持正在进行的会话不受影响。如何将WLAN安全技术与移动通信网络中的安全技术相结合是我们必须面对的新问题。特别是无线局域网中的安全漫游问题函待解决，如何在不同的接入点之间进行安全、小延迟的切换是目前研究的热点。

目前的技术还不能满足人们特别是国防

的需要，随着WLAN技术的不断发展，WLAN安全技术也处在不断的发展变化过程中，研究人员正在将各种新出现的安全技术尝试应用于WLAN环境，力求找到安个高效的解决方案。

4.3 增强和新的通信技术之间的融合度

因为WLAN覆盖范围有限，而现有的移动通信网络可以提供广域覆盖，因此，移动运营商可以将移动通信网的漫游功能和WLAN结合，提高用户无线上网的覆盖范围。未来无线局域网技术的发展方向就是怎样提高通信能力，如何在移动中满足快速高效的传输信息，以及如何扩大传输的距离。总而言之就是未来的无线局域网技术的发展会更多的偏向于和通信技术之间的结合。

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