作者：東帆@阿里安全技術平臺團隊
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0x00 漏洞概述
安全研究員Mathy Vanhoef發現的WPA2協議的KRA（Key Reinstallation Attacks）漏洞，利用WPA2協議標準加密密鑰生成機制上的設計缺陷，四次握手協商加密密鑰過程中第三個消息報文可被篡改重放，導致在用密鑰被重新安裝。
WiFi網絡通過WPA2 handshake四次握手消息協商用於後續數據通信的加密密鑰，其中交互的第三個消息報文被篡改重放，可導致中間人攻擊重置重放計數器(replay counter)及隨機數值(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爲Key reinstallation attacks密鑰重裝攻擊，除了影響已經在用的數據加密密鑰，同時也影響PeerKey, group key, Fast BSS切換FT握手等，會導致WiFi通信數據加密通道不安全，存在被嗅探、篡改和重放等風險，攻擊者可獲取WiFi網絡中的數據信息。
幾乎所有支持Wi-Fi的設備（Android, Linux, Apple, Windows, OpenBSD, MediaTek, Linksys等）都面臨安全威脅，危害較大。
該漏洞相關影響取決於被攻擊的握手過程和數據加密協議，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，影響會更大，因爲GCMP兩端使用的相同的認證密鑰。
相關CVE如下，其中每個CVE代表一種特定場景下的密鑰重裝攻擊。
l CVE-2017-13077: 四次握手過程中重裝PTK-TK加密密鑰對
l CVE-2017-13078: 四次握手過程中重裝GTK
l CVE-2017-13079: 四次握手過程中重裝IGTK
l CVE-2017-13080: Group key 握手過程中重裝GTK
l CVE-2017-13081: 握手過程中重裝IGTK
l CVE-2017-13082: 接收重傳的快速BSS切換重關聯請求，在處理過程中重安裝PTK-TK加密密鑰對
l CVE-2017-13084: 在PeerKey握手過程中重安裝STK KEY
l CVE-2017-13086: 在DTLS握手過程中重安裝TDLS PeerKey
l CVE-2017-13087: 在處理WNM睡眠模式響應幀過程中重安裝GTK
l CVE-2017-13088: 在處理WNM睡眠模式響應幀過程中重安裝IGTK
漏洞攻擊演示視頻：
https://www.youtube.com/watch?v=BtdN1SM5Z5o
0x01 WPA2協議介紹
WPA全名爲Wi-Fi Protected Access，有WPA和WPA2兩個標準, WPA（Wi-Fi Protected Access）加密方式目前有四種認證方式：WPA、WPA-PSK、WPA2、WPA2-PSK，採用的加密算法有兩種：AES（Advanced Encryption Standard高級加密算法）和TKIP（Temporal Key Integrity Protocol臨時密鑰完整性協議）。
由於WEP已被證明爲不安全的協議，在802.11i協議完善前，採用WPA爲用戶提供一個臨時性的解決方案。該標準的數據加密採用TKIP協議(Temporary Key Integrity Protocol)，TKIP的兩個主要功能是：逐包密鑰及消息完整性檢查（MIC），與WEP相同的加密算法RC4來實現這一點，雖然TKIP解決了所有已知的WEP問題，但WPA2的AES加密更安全，適應更廣泛的工業標準並在實踐中廣泛使用。
WPA2是WPA的增強型版本，與WPA相比，WPA2新增了支持AES的加密方式，採用AES加密機制。
0x02 Key reinstallation attacks密鑰重裝攻擊
四次握手協商密鑰過程中消息報文見圖1EAPOL格式，其中重放計數replay counter字段用於檢測重複報文，每次發送一個報文，重放計數加一，nonce字段爲加密密鑰生成所需要的隨機數。
圖1 EAPOL幀簡化報文格式
以group key爲例，首先Client進入PTK-INIT狀態，初始化(PMK)，當接收到消息1進入PTK_START狀態，client會生成隨機數SNonce，計算臨時TPTK，發送消息2（帶SNonce）到AP，當Client接收到消息3，replay counter重放計數等有效的條件下，進入PTK-NEGOTIATING協商狀態，同時標記TPTK爲有效，發送消息4到AP，然後直接進入PTK-DONE狀態,使用MLME-SETKEYS安裝KEY。特別注意的是，此狀態機過程來自於802.11標準，清晰的考慮了未收到消息2或者4的情況，消息1或者3會繼續重傳。具體如下：
圖2 四次握手狀態機，KEY用MLME-SETKEYS.request命令字進行安裝
當client作爲Supplicant加入wifi網絡，client與AP認證端Authenticator進行四次握手協商新的加密密鑰，見下圖3，在接收到四次握手中的第3個消息報文時會安裝新生成的加密密鑰，後續數據通信使用該密鑰進行數據加密。
因爲報文可能丟失，如果AP未接收到client的響應會重發第三個消息報文，所以client可能重複接收到第3個消息報文多次。每次當client接收到此消息，都會重新安裝相同的加密密鑰，然後重置協議加密使用到的nonce值及重放計數。
攻擊者可通過嗅探、重放四次握手過程中的第3個消息報文，強制重置協議加密使用到的nonce值及重放計數，重安裝加密密鑰，從而攻擊協議的加密機制，數據報文可被重放、解密及篡改。
該攻擊方法同時可用於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場景四次握手
0x03 漏洞根因分析及影響
802.11協議標準僅提供描述粗粒度的僞碼描述四次握手的狀態機，但並未清晰描述特定的握手消息應該在什麼時候處理。
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，在AP接收到消息4之前不斷重傳篡改後的消息3，導致Client重新安裝已用的加密密鑰，同時重置nonce值。
實際情況，實施此攻擊的時候，並非所有的Wi-Fi客戶端client都正確實現了此狀態機，Windows和iOS未接收處理消息3的重傳，這違背了802.11標準，所以密鑰重裝漏洞攻擊的時候並未生效產生漏洞，但在group key握手的場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。
對於Android 6.0影響更大，在此攻擊的情況下，強制使用了可預測全零的加密密鑰。
密鑰重裝漏洞攻擊實際影響如下圖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列表示首個消息3報文快速發送後是否接收明文EAPOL報文，最後兩列表示是否受到此漏洞攻擊的影響。
特別需要注意的，研究者當前並沒有破解Wi-Fi網絡的密碼，也並沒有通過四次握手協商過程的攻擊破解新生成的加密密鑰。
圖4不同Clients的實際漏洞效果
0x04 漏洞影響範圍
此漏洞存在於協議標準設計缺陷，所有支持WPA2的客戶端都受到影響。
攻擊主要面向WPA2客戶端設備。
0x05 漏洞安全加固建議
1、 漏洞攻擊需要實施MitM中間人攻擊，條件許可建議合理部署無線入侵防禦系統或者VPN加密，及時監測惡意釣魚WiFi，禁止私搭AP等；
2、 及時升級此漏洞的安全補丁（有補丁的情況），更新WPA2客戶端到最新版本；
3、 僅連接可信wifi，公共場合儘量使用蜂窩移動網絡，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補丁已公佈，詳見 https://w1.fi/security/2017-1/。
微軟在Windows 10操作系統中發佈補丁KB4041676。
蘋果在最新的beta版本iOS等中修復了無線網絡安全漏洞。
參考文檔:
[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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