关于4次握手及握手之前PMK的生成的理解

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CC 4.0 BY-SA版权
原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/eydwyz/article/details/70215095

本文深入解析WPA/RSN协议中四次握手过程及PTK（Pairwise Transient Key）的生成机制，阐述了PMK到PTK的转换流程，包括KCK、KEK和TK的构成，以及EAPOL-Key消息在密钥交换中的应用。

关于成对密钥与组密钥的结构
  1.成对密钥
  PMK 是基本元素
  然后通过 supplicant MAC(SA), supplicant nouces(SN),authenticator MAC(AA),authenticator nouces(AN)进行扩展获得PTK (Pairwise Transient Key) 成对传输密码.
  公式如下:
     PTK=SHA1_PRF(PMK,Len(PMK),"Pairwise key expansion",MIN(AA,SA)||MAX(AA,SA)||MIN(AN,SN)||MAX(AN,SN))

公式参考了:http://blog.youkuaiyun.com/gueter/article/details/4812822


  PTK 有两种格式:TKIP,和CCMP.其中TKIP是动态WEP所用RC4+Michael完整性校验的组成;CCMP是全新的组密码AES方式

TKIP和CCMP的PTK被分成下面部分
   1.EAPOL KCK(key confirmation key) 密钥确认密钥,用来计算密钥生成消息的完整性
   2.EAPOL KEK(key Encryption key) 密钥加密密钥,用来加密密钥生成消息
   3.TKIP TK(CCMP TK) 这部分是正真用来进行数据加密的
   4.TKIP MIC key  用于Michael完整性校验的(只有TKIP有)


   2.组密钥
     GMK主组密钥(group master key)以作为临时密钥的基础和成对密钥一样扩展获得GTK (groupTransient Key) 
     公式如下:
     GTK=PRF-X(GMK,"Group key expansion",AA||GN)
     GN - Authenticator生成的 Nonce 
     AA - Authenticator MAC地址
     注意和成对密钥扩展不同的是没有supplicant的 AA,AN

其中并没有密钥确认密钥,和密钥加密密钥,因为密钥交换是以成对EAPOL密钥,来分配密钥的
 

 更新成对密钥的4次握手
    在更新成对密钥前需要进行4次握手,成对密钥是用来加密单播帧的(就是AP与工作站之间的通讯帧),4次握手就是为了完成密钥的交换,成对密钥只有1个,通过交换让双方都知道

在WPA-PSK中 PMK=PSK 由ssid,和密码等导出,公式如下:
    PMK=PSK= pdkdf2_SHA1(passphrase,SSID,SSID lenth,4096)
    所以第1次Autenticator 将自己的nonce 传给supplicant ,这时候supplicatn 就可以计算PTK了.接下来supplicant 将自己的nonce和第1次和网络关联是所取得的安全参数传给Authenticator,这样Authenticator 获得了supplicant 的nonce ,就可以计算PTK了.注意  第2步的整个消息是用EAPOL密钥确认密钥(KCK)来进行完整性校验值校验的,如果authenticator根据已经算出的PTK中的KCK对整个消息进行完整性校验未成功,握手就失败了这时消息还不能通过KEK加密,是因为还没有计算出PTK

    到了第3步双方的PTK都已经就绪,这时authenticator将一个消息传送给supplicant,次消息包含成对密钥的序列号,(可能是生成TK的次数?)并且包含GTK(组临时密钥),注意这时authenticator已经可以生成GTK了.GTK 通过EAPOL KEK加密,然后整个消息通过KCK来认证

    第4步supplicant 再次确认,并告诉authenticator已经接收到密钥生成消息,可以开始使用TK了,次消息通过KCK认证(因为是ACK,不需要再用KEK加密了)


   更新组密钥握手:
       1.Authenticator送出GTK,这个GTK是利用前面成对密钥4次握手的成果PTK中的EPAOL KEK 来加密,EAPOL KCK 来验证
       2. supplicant 送出ACK消息,此消息通过KCK 验证

PTK的生成元素中的PMK获得
  1. WPA-PSK 
     PMK=PSK= pdkdf2_SHA1(passphrase,SSID,SSID lenth,4096),其中passphrase,SSID ,是身份验证前authenticator,和supplicant都应该知道的

 2. 802.1X+EAP中
    PMK =L(MSK, 0, 256)
    MSK 需要通过802.1X交换获得

其中EAP-Request/Method 中Method 表示EAP认证的方式,如下:

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token card 一起使用
13 - EAP-TLS            以数字证书相互认证
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验证方式
18 - EAP-SIM            SIM卡方式进行身份验证
29 - MS-CHAP-V2

Method 之后如果认证成功,authenticator会发出EAP-Success表示授权使用连接端口,再接下来AP就可以立即使用EAPOL-Key消息将MSK发给supplicant,以后就和WPA-PSK一样用MSK最终导出PTK(MSK,PMK就是PTK的密钥生成密钥)

其中EAPOL(EAP over lan)的帧格式如下

-------------------------------------------------------------------------------
| 802.11 header | SNAP header | Ethernet Type (88-8E) |  Version |Packet Type |
-------------------------------------------------------------------------------

EAPOL 是EAP 的扩展,除了P156相关EAP信息,EAPOL还加入了一些额外的消息让EAP 能够适用于基于连接端口的LAN环境

EAPOL 消息的类型:
        EAP-Packet   包含了1个经过封装的 EAP帧

 
        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1个 EAP-Request/Identity帧作为响应
        EAPOL-Logoff 当某个系统不再需要使用网络时,便可以发出1个EAPOL-Logoff帧
                     让连接端口回到未授权状态
        EAPOL-Key    EAPOL 可以用来交换加密密钥信息 （0000 0011）
        EAPOL-Encap-sulated-ASF-Alert

WPA/RSN四次握手和PTK

WPA/RSN使用四次握手（4-Way Handshake）的方式生成所需的密钥。

作用

四次握手通过一系列的交互，从PMK（Pairwise Master Key）生成PTK（Pairwise Transient Key）。PMK来自MSK（Master Session Key），是MSK的前256位，32字节。

本文的主要目的是讲PTK，所以暂时忽略PMK和MSK。

PTK的内容

PTK包含3个部分，KCK（Key Confirmation Key），KEK（Key Encryption Key），TK（Temporal Key）。

PTK的总长度根据加密方式不同而不同:

当加密方式是TKIP时，PTK长512位，按顺序分别为KCK占128位，KEK占128位，TK占256位。

当加密方式是CCMP时，PTK长384位，按顺序分别为KCK占128位，KEK占128位，TK占128位。

KEK和KCK是给EAPOL-Key，也就是四次握手时，加密和完整性验证用的。TK用于后续的数据加密。

四次握手的报文都是基于EAPOL-Key的。EAPOL-Key的结构如下：

PTK的生成

生成PTK，需要5个必要元素，PMK，ANonce（Nonce 1），SNonce（Nonce 2），Authenticate MAC（MAC 1），Supplicant MAC（MAC 2）。如下图：

2个Nonce分别是Authenticator和Supplicant生成的随机数。

这张图里的输出包含4个部分，其实Data Encr和Data MIC合起来就是前面提到的TK。而EAPOL Encr/MIC分别对应前面的KEK和KCK。

四次握手的交互过程

下面的交互仅仅是一个流程，对内部的一些数据的处理就不细说了。

1/4：Authenticator -> Supplicant

Authenticator把ANonce送给Supplicant。Supplicant收到1/4后，就有了生成PTK的所有元素。因为1/4里同时也包含了Authenticator的MAC地址。

2/4：Supplicant -> Authenticator

Supplicant计算出PTK，把SNonce和自己的MAC地址送给Authenticator。同时，从2/4报文开始，后面的每个报文都会有MIC。1/4没有。

3/4：Authenticator -> Supplicant

Authenticator向Supplicant证明自己有有效的，同样有MIC加入其中

4/4：Supplicant -> Authenticator

仅是对3/4的一个ACK。说明PTK已经装好，后面的数据可以加密了。

 

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