利用CSP方法对IEEE 802.11w形式化分析

第３２卷第５期　２０１５年５月　计算机应用研究　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　Ｖ０ｌ＿３２　Ｎｏ．５　

Ｍａｖ　２０１５　

利用ＣＳＰ方法对Ｉ　Ｅ　ＥＥ　８０２．１　１　Ｗ形式化分析术　吴名欢　，程小辉　，李雄伟　（１．桂林理工大学信息科学与工程学院，广西桂林５４１００４；２．中国石油集团测井有限公司信息管理部，西安７１００７７）　

摘要：运行在ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ基础上的ＩＥＥＥ　８０２．１１Ｗ增加了对无线网络管理帧的保护，针对ＩＥＥＥ　８０２．１１Ｗ协　议的安全性问题，利用了通信顺序进程（ＣＳＰ）对其进行形式化分析。对协议运行在恶意环境中，存在攻击者的　情况下，利用ＣＳＰ方法建立了攻击者和协议主体的ＣＳＰ进程模型。使用模型检测工具故障发散改进器（ＦＤＲ）　进行仿真实验，对协议的认讧和安全属性进行了校验，发现该协议存在中间人攻击情况，为提高ＩＥＥＥ　８０２．１１ｗ　的安全性提供了帮助。　关键词：无线网络；形式化分析；故障发散改进器；通信顺序进程　中图分类号：ＴＰ３９３．０４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３６９５（２０１５）０５—１４８９　０４　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３６９５．２０１５．０５．０５３　

Ｕｓｉｎｇ　ＣＳＰ　ｆｏｒ　ｆｏｒｍａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　８０２．１　１　ｗ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ＷＵ　Ｍｉｎｇ—ｈｕａｎ　，ＣＨＥＮＧ　Ｘｉａｏ—ｈｕｉ　，ＬＩ　Ｘｉｏｎｇ—ｗｅｉ。　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｇｕａｎｇｘｉ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＮＰＣ　ＬＯＧＧＩＮＧｌｎｆｏｒ－　ｍａｔｉｏｎ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｅｔ：ＩＥＥＥ　８０２．１１Ｗ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｆｏｒ　ｍａｎ—　ａｇｅｍｅｎｔ　ｆｒａｍｅｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｂｙ　ｆｏｒｍａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｕｓｉｎｇ　ｃｏｍｍｕｎｉ—　ｃａｒｉｎｇ　ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（ＣＳＰ）．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｈｏｓｅｄ　ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｔｔａｃｋｅｒ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｕｓｅｄ　ＣＳＰ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｔｈｅ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ＦＤＲ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ｉｔ　ｆｏｕｎｄ　ａｎ　ａｔｔａｃｋ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｉｔ　ｃｈｅｃｋｅｄ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ　ｔｈｅ　ｍｉｄｄｌｅｍａｎ　ａｔｔａｃｋ　ｃａｓｅ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　８０２．１１Ｗ　ｈｅｌｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＷＬＡＮ；ｆｏｒｍａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ＦＤＲ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇ　ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　

０　引言　ＩＥＥＥ　８０２．１１Ｗ无线加密标准是建立在ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ框架　上的，它可以对抗针对ＷＬＡＮ管理帧的攻击。它可以增强运　行着如无线ＶｏｌＰ等应用网络管理，在保证无线通信安全的同　时能够提供足够的呼叫质量和稳定性…。早在２０００年，人们　就意识到加强ＷＬＡＮ数据的加密和认证的需求。而其直接的　结果就是２００４年完成的ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ协议。　ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ可以保护数据帧，但管理帧仍然是不经加密　和认证进行发送的。认识到这个问题后，ＩＥＥＥ组织了　８０２．１１Ｗ委员会并在２００６年开始工作，于２００９年年中发布了　该标准ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ　８０２．１１ｗ－－２００９。　本文利用模型检测方法中的故障发散改进检测器（ｆａｉｌ—　ａｒｅｓ—ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ，ＦＤＲ　）结合通信顺序进程（ＣＯｒｎ—　ｍｕｎｉｃａｔｉｎｇ　ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ＣＳＰ）研究协议的安全性。ＣＳＰ　是一种非常有效的通信协议建模分析方式，使用ＣＳＰ对通信　协议进行建模分析，即对每一个协议主体都建模为一个独立的　通信进程，彼此通过消息进行交互，然后对构成的系统进行分　析　；目前在通信协议的形式化分析研究中ＣＳＰ最著名，它对　攻击者的能力以及协议运行环境进行了严格规范，这样能对协　议的安全性进行更深入的分析　。　１　ＣＳＰ语法　１．１　ＣＳＰ基本运算符　ＣＳＰ是一种通过交换消息来通信的描述并行代理系统的　符号。在ＣＳＰ中用　表示可见事件的集合，　表示内部动作的　集合。ＣＳＰ进程能执行　和　中的动作，但是执行　中的动作　不对外部动作产生影响。在所有的ＣＳＰ进程中，ｓｔｏｐ进程表示　和Ｊｒ中的动作都不执行。在ＣＳＰ中，假设执行通信ａ后执行　一个进程ｐ，则可以用ｎ　表示。按照这种方式，假设ｉｎ、ＯＵｔ　∈　，那么ｉｎ—ｏｕ卜　Ｓｔｏｐ表示依次执行ｉｎ和ｏｕｔ动作之后不执　行其他动作。　定义ｌ基本ＣＳＰ运算符定义。在ＣＳＰ中用到的一些基　本的运算符总结如表１所示　Ｊ。　在ＣＳＰ中假如Ａ　，那么进程？　：Ａ—ｐ（　）表示当任意　的动作ａ　Ａ，便执行Ｐ（ａ），把这个称做事件选择前缀。选择　运算符用口表示，口符号的作用是在两个进程动作中选择一个　动作运行。假如Ａ＝ＢＵＣ那么就有如下等式成立：　？　：Ａ—＋Ｐ（　）＝（？　：Ｂ—＋Ｐ（　））口（？　：Ｃ—　Ｐ（　））　

收稿日期：２０１４—０４—１２；修回日期：２０１４—０５－２９　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１２６２０７５）；广西高等学校资助项目　（ＫＹ２０１５ＹＢ１２０）；广西高等学校重大科研基金资助项目（２０１２０１ＺＤ０１２）　作者简介：吴名欢（１９７８一），男，广西桂林人，高级实验师，硕士，主要研究方向为物联网安全协议、计算机网络应用（２４３２３２８９４＠ｑｑ．ｃｏｒｎ）：　程小辉（１９６１一），男，教授，主要研究方向为物联网系统、计算机网络安全；李雄伟（１９８０一），男，硕士，主要研究方向为企业信息化、网络及信息系统架构．　・１４９０・　计算机应用研究　第３２卷　表１　ＣＳＰ基本运算符　名称　含义　表示任何事情都不做的ＣＳＰ进程　表示事件前缀　表示事件前缀选择　表示进程Ｐ和Ｑ之间的选择　表示一帮的选择　表示紧接并行运算符　表示接口并行　表示一帮的穿插运算　表示事件隐藏运算符　表示顺序组合　表示成功终止　表示递归进程　

在ＣＳＰ中，并行运算符用ｌＩ表示　。ＣＳＰ进程并行运行　时，假如Ｐ、Ｑ都能执行Ｕ　，那么下列等式成立：　（？　：Ａ—　Ｐ（ｚ））ｌｌ（？　：曰—　Ｑ（　））＝？　：Ａｎ曰—＋（Ｐ（　）ｌｌ　Ｑ（　））　而Ｐ　ｌｌ　Ｑ则表示Ｐ、Ｑ进程在Ｂ中的所有事件中保持同　

步，但是允许自由执行事件集Ｂ以外的事件。　如果Ｐ＝？　：４一Ｐ　（　）并且Ｑ＝？　：Ａ—Ｑ　（　），那么有　Ｐ　ｌｌ　Ｑ＝？　：ｘｆ３Ａｆ－ＩＢ一（Ｐ　（　）ｌｌ　Ｑ　（　））　口？　：』４＼　一（Ｐ　（　）ｌｊ　Ｑ）　口？　：口、　（ＪＤ　ｆｆ口　（　））　定义２穿插运算。穿插运算符…允许两个进程Ｐ　、Ｐ　彼　此没有任何交互的情况下并行运算。用Ｐ　Ｉｌｊ　表示Ｐ　、Ｐ２两　个进程的穿插。对一个有限索引集，以及进程Ｐ　（ｉ　，），　…　∈，Ｐ　表示所有的进程Ｐ　交错执行　。　定义３　ＣＳＰ中迹概念的定义。对于进程Ｐ所有可能执　行的事件序列集合称为迹，用ｔｒａｃｅ５（Ｐ）表示。一个进程的迹　提供了一个简单的行为模型：简便地记下了隔间事件的序列，　并且这些可见事件可以与进程之间进行任意的有限事件的通　信。对一些相关的进程的迹有如下定义：　ｔｒａｃｅｓ（ｓｔｏｐ）＝｛（）｝，这里符号（）表示空序列，即ｓｔｏｐ进　程不管多长时间，它什么都不做。　ｔｒａｃｅｓ（０—巾）＝｛（）｝ｕ｛（。）｝八ｓＩ　ｓ∈ｔｒａｃｅｓ（Ｐ），这里表示　进程要么什么都不做，为空迹；要么执行第一个事件ａ后紧接　着一个进程Ｐ的迹。　ｔｒａｃｅｓ（？　：　Ｐ（　））＝｛＜）ｆ　ｕｆ＜ａ）ｆ＾ｓｆ　ｓ∈Ａ＾ｓ∈ｔｒａｃｅｓ（Ｐ（ａ／ｘ））　表示事件只能从集合Ａ中选择，并且后面Ｐ（　）的行为依赖于　前面选择的事件，Ｐ（ａ／ｘ）表示用ａ顶替标示符　的所有任意　发生的事件。　ｔｒａｃｅｓ（Ｐ　Ｉ１　Ｑ）＝ｔｒａｃｅｓ（Ｐ）ｎｔｒａｃｅｓ（Ｑ），表示进程Ｐ和Ｑ　在任意事件上都需要同步的时候，则它的迹为进程Ｐ和Ｑ迹　的交集。　ｔｒａｃｅｓ（ｓｋｉｐ）＝｛（）｝ｕ｛、／｝，表示成功执行完毕　。　

１．２　ＣＳＰ应用实例　假如～个球能从图ｌ中的方格开始，这个球能在方格中　上、下、左、右四个方向移动。用ＣＳＰ对其行为进行描述。　

２　

１　２　３　Ｊ　图１　ＣＳＰ应用实例　

假设ａＰ＝｛ｕｐ，ｄｏｗｎ｝，Ｐ＝（ｕｐ—ｄ０ｗｎ—ｐ），　Ｑ＝｛ｌｅｆｔ，　ｒｉｇｈｔ｝，Ｑ＝（ｒｉｇｈｔ—ｌｅｆｔ—Ｑ）ｌ（１ｅｆｔ一吨ｈｔ—Ｑ），则球的行为可　以定义为　尸１ｌ　Ｑ　在本例中，Ｐ和Ｑ没有共同的事件，依球的运动行为可以　表示为Ｐ和Ｑ的任意穿插。这种行为假如不用并发性来描述　而用别的方法描述的话，将会很冗长。比如，假设Ｒ　表示球在　图１中的第ｉ行第　列的位置上可能发出的运动行为，ｉ∈｛１，　２｝√ｅ｛１，２，３｝，那么图１中球的行为（Ｐ　ｌｌ　Ｑ）＝Ｒ．　，则　Ｒ¨：（ｕｐ　ｌ　ｌ　ｒｉｇｈｔ—Ｒｌ２）　Ｒ１２：（ｕｐ—’Ｒ２２　ｌ　ｌｅｆｔ—＋Ｒｌ　ｌ　Ｉ　ｒｉｇｈｔ—＇Ｒｌ３）　Ｒｌ３　（ｕｐ＿÷尺２３　Ｉｌｅｆｔ＿÷Ｒｌ２）　Ｒ２１＝（ｄ０ｗｎ　Ｉｌ　ｌ　ｒｉｇｈｔ＿÷Ｒ２２）　Ｒ２２：（ｄ【１ｗｎ　Ｒｌ２　Ｉ　ｌ　一Ｒ２ｌ　Ｉ　ｌｅｆｔ＿Ｒ２３）　Ｒ２３：（ｄ０ｗｎ　矗Ｉ３　Ｊ１ｅｎ一　２２）　

２　ＩＥＥＥ　８０２．１１ｗ协议分析　

２．１　ＩＥＥＥ　８０２．１１ｗ协议　ＩＥＥＥ　８０２．１　１ｗ是ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ　８０２．１　１ｗ—２００９提出的一个保　护ＷＬＡＮ管理帧的ＩＥＥＥ标准，它基于思科公司的管理帧保护　（ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｆｌａｍｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ＭＦＰ）完成。ＩＥＥＥ　８０２．１　１的管理　帧，如验证（ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｅ）、去验证（ｄｅ—ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｅ）、关联（ａＳＳＯ—　ｃｉａｔｅ）、去关联（ｄｉｓ—ａｓｓｏｃｉａｔｅ）均以无安全保障方式的明文发　送。这可能会允许潜在的攻击者伪造有效设备的管理帧通过　发送ｄｅ—ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｅ／ｄｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅ帧执行拒绝服务（ＤｏＳ）攻击。　当ＩＥＥＥ　８０２．１１ｗ启用时，发送设备将采用加密哈希算法　创建一个消息完整性检查（ＭｉＣ）字段并将其嵌入每一个ＩＥＥＥ　８０２．１１管理帧内的信息元素（ＩＥ）。因此，当在网络中另一个　移动设备接收到该帧，它能够验证发送源的真伪。如果在网络　上接收到无效的单个帧时，它会被丢弃，同时无线入侵检测系　统发送报警。这意味着可以实现即时的管理帧保护。　运行在ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ基础上的ＩＥＥＥ　８０２．１１Ｗ允许一个无　线工作站访问一个由ＡＰ管理的受保护的无线网络。ＩＥＥＥ　８０２．１１ｗ在ＩＥＥＥ　８０２．１１ｉ的基础上由ＡＰ向无线工作站发送一　新鲜值开始运行协议，它经过四次握手后完成运行，流程如图　２所示　。