33、虚拟专用网络、认证与无线安全详解

虚拟专用网络、认证与无线安全详解

1. VPN 认证与数据传输基础

在构建虚拟专用网络（VPN）时，除了要考虑使用何种类型的认证方式，认证数据和加密信息的传输方法也至关重要。这正是 VPN 协议发挥作用的地方，每个 VPN 协议都有自己的认证方法以及加密数据的交换方式。

由于所有 VPN 协议都包含认证和加密功能，因此在深入了解之前，有必要先熟悉认证协议。与众多复杂的加密算法相比，认证过程相对简单，其目的仅仅是验证某个实体是否为其声称的身份。现代认证协议还具备防止诸如会话劫持等复杂攻击的功能。

会话劫持是指攻击者等待用户成功认证进入系统后，接管该会话。实现会话劫持的方法多种多样，且都具有一定的复杂性。关键在于，攻击者无需获取用户的密码，只需在用户向系统提供密码并完成认证后，接管会话即可。

2. 常见认证协议介绍

2.1 CHAP（Challenge - Handshake Authentication Protocol）

CHAP 专门设计用于防止会话劫持。其过程相对简单明了，具体步骤如下：
1. 客户端向服务器（在 CHAP 文档中常称为认证者）发送用户名和密码。
2. 服务器/认证者要求客户端计算一个加密哈希值，并将其发送回服务器。
3. 服务器/认证者会不定期、随机地要求客户端重新提供该加密哈希值，以检测是否发生会话劫持，若发现则终止连接。

微软基于 CHAP 开发了自己的变体 MS - CHAP。例如，MS - CHAP v2 支持双向认证，即双方相互认证。

2.2 EAP（Extensible Authentication Protocol）

EAP 是一个可修改和扩展的框架，最初在 RFC 2284 中定义，后被 RFC 3748 取代，最终由 RFC 5247 更新。EAP 有多种变体，不同变体在认证材料的交换方式上有所不同。以下是几种常见的 EAP 变体：
- LEAP（Lightweight Extensible Authentication Protocol） ：由思科开发，广泛应用于无线通信领域，许多微软操作系统（包括 Windows 10）都支持 LEAP，它使用改进版的 MS - CHAP。
- EAP - TLS（Extensible Authentication Protocol - Transport Layer Security） ：利用传输层安全（TLS）来保护认证过程，大多数实现使用 X.509 数字证书来认证用户。
- PEAP（Protected Extensible Authentication Protocol） ：通过认证的 TLS 隧道对认证过程进行加密，由思科、微软和 RSA 安全等组成的联盟开发，最初包含在微软 Windows XP 中，至今仍在使用。
- EAP - POTP（Protected One - Time Password） ：在 RFC 4793 中描述，使用一次性密码令牌生成认证密钥，可用于单向或双向认证。一次性密码（OTP）仅使用一次，之后即失效，通常与生成 OTP 的设备（如密钥卡）结合使用，密钥卡和服务器使用相同算法并结合当前时间戳生成相同的 OTP，常与传统密码配合使用。

2.3 Kerberos

Kerberos 是一种网络认证协议，旨在通过对称加密为客户端/服务器应用程序提供强大的认证。它最初由麻省理工学院（MIT）在“Project Athena”项目下开发，以希腊神话中守护冥府的三头犬 Kerberos 命名。

Kerberos 被广泛应用于从 Windows 2000 到当前版本（截至撰写本文时为 Server 2019）以及 Red Hat Enterprise Linux、FreeBSD、IBM AIX 等多种操作系统。其认证过程较为复杂，目的是防止会话劫持攻击，并确保认证机制更加健壮和可靠。一般过程如下：
1. 用户将用户名发送到认证服务器（AS），AS 通过检索用户密码的存储哈希值生成一个秘密密钥，然后向客户端发送两条加密消息：
- 消息 A：客户端/票据授予会话密钥，用客户端的秘密密钥加密。
- 消息 B：票据授予票据（TGT），包含客户端 ID、客户端网络地址和有效期。
2. 客户端尝试使用通过用户输入密码生成的秘密密钥解密消息 A。若输入密码与 AS 数据库中的密码不匹配，则解密失败；若成功，消息 A 包含可用于与票据授予服务器（TGS）通信的客户端/TGS 会话密钥。消息 B 用 TGS 秘密密钥加密，客户端无法解密。
3. 客户端请求服务时，向 TGS 发送两条消息：
- 消息 C：由消息 B 中的 TGT 和请求服务的 ID 组成。
- 消息 D：认证器（包含客户端 ID 和时间戳），用客户端/TGS 会话密钥加密。
4. TGS 收到消息 C 和 D 后，从消息 C 中提取消息 B，用 TGS 秘密密钥解密消息 B 得到客户端/TGS 会话密钥，再用该密钥解密消息 D（认证器），然后向客户端发送两条消息：
- 消息 E：客户端到服务器的票据（包含客户端 ID、客户端网络地址、有效期和客户端/服务器会话密钥），用服务的秘密密钥加密。
- 消息 F：客户端/服务器会话密钥，用客户端/TGS 会话密钥加密。
5. 客户端收到消息 E 和 F 后，有足够信息向服务服务器（SS）进行认证。客户端连接到 SS 并发送两条消息：
- 消息 E（客户端到服务器的票据，用服务的秘密密钥加密）。
- 消息 G：新的认证器（包含客户端 ID 和时间戳），用客户端/服务器会话密钥加密。
6. 服务服务器（SS）用自己的秘密密钥解密票据（消息 E），获取客户端/服务器会话密钥，再用该密钥解密认证器，向客户端发送消息 H（客户端认证器中的时间戳）以确认身份并表示愿意提供服务。
7. 客户端用客户端/服务器会话密钥解密确认消息 H，检查时间戳是否正确。若正确，客户端可信任服务器并开始向服务器发出服务请求，服务器提供相应服务。

以下是 Kerberos 中一些基本术语：
- Principal ：Kerberos 可以分配票据的服务器或客户端。
- Authentication server（AS） ：授权主体并将其连接到票据授予服务器的服务器。
- Ticket granting server（TGS） ：提供票据的服务器。
- Key distribution center（KDC） ：提供初始票据并处理 TGS 请求的服务器，通常同时运行 AS 和 TGS 服务。
- Ticket granting ticket（TGT） ：认证过程中授予的票据。
- Ticket ：用于向服务器认证，包含客户端身份、会话密钥、时间戳和校验和，用服务器密钥加密。
- Session key ：临时加密密钥。

Kerberos 的复杂性是有意为之，通过不断交换加密票据和验证信息，使会话劫持变得极为困难。攻击者若想破坏系统，需要破解两个强大的加密密钥。

2.4 SESAME（Secure European System for Applications in a Multi - vendor Environment）

SESAME 是欧洲针对 Kerberos 开发的解决方案，旨在扩展 Kerberos 并改进其弱点。它同时使用对称和非对称加密，使用“Privileged Attribute Certificates”（PACS）而非票据，PACS 经过数字签名，包含主体身份、对象访问能力、访问时间段和 PAC 有效期，由特权属性服务器提供。

2.5 NTLM

NTLM 虽不用于现代 VPN，但在微软产品中常用于提供认证和其他安全服务。它是一个三步过程：
1. 客户端连接到服务器并发送 NEGOTIATE_MESSAGE 以表明其能力。
2. 服务器用 CHALLENGE_MESSAGE 响应，用于确定客户端身份。
3. 客户端用 AUTHENTICATE_MESSAGE 响应服务器的挑战，完成认证。

NTLM 通过发送密码的哈希值进行认证，NTLM 版本 1 使用基于 DES 的 LanMan 哈希，NTLM 版本 2 使用 MD4 加密哈希。然而，NTLM 容易受到“pass the hash”攻击，攻击者获取用户密码的哈希值后，无需知道实际密码即可登录系统。攻击者获取哈希值的途径包括从本地 SAM 文件获取、数据包嗅探或从缓存中获取。

3. 常见 VPN 协议介绍

3.1 PPTP（Point - to - Point Tunneling Protocol）

PPTP 是一种较旧的 VPN 协议，标准于 1999 年作为 RFC 2637 发布。该规范未明确规定具体的加密或认证方式，由实现者自行决定。自 Windows 95 以来，所有 Windows 版本都支持 PPTP，最初微软实现的 PPTP 使用 MS - CHAP 进行认证，使用 DES 进行加密。

PPTP 基于点对点协议（PPP），使用 TCP 端口 1723 建立连接，连接建立后创建 GRE 隧道（由思科开发）。PPP 用于在串行点对点链路上传输数据报，它有多个组件和协议，支持以下功能：
1. 封装组件。
2. 协商配置参数的协议。
3. 链路控制协议（LCP）。

PPTP 支持两种隧道类型：
- 自愿隧道 ：远程用户先连接到标准 PPP 会话，登录到服务提供商网络，然后启动 VPN 软件建立 PPTP 会话返回中央网络的 PPTP 远程访问服务器。用户可选择是否建立 VPN 会话，若不使用 VPN，可仅使用标准 PPP 连接，但安全性较低。
- 强制隧道 ：主机网络仅提供通过 VPN 的连接，用户只能使用完整的 PPTP 连接，这是更安全的选择。

PPTP 的认证支持两种技术：可扩展认证协议（EAP）和挑战握手认证协议（CHAP）。其加密使用微软点对点加密（MPPE）协议，该协议专为 PPTP 设计，使用 RC4 算法，密钥长度可以是 128 位、56 位或 40 位，128 位密钥强度最高。MPPE 的一个优点是加密密钥会频繁更换，在初始协商和密钥交换过程中，通过设置位来指示使用的 RC4 密钥强度：
- 128 位加密（“S”位设置）。
- 56 位加密（“M”位设置）。
- 40 位加密（“L”位设置）。

3.2 L2TP（Layer 2 Tunneling Protocol）

L2TP 通过用户数据报协议（UDP）发送整个数据包（包括有效负载和头部），隧道端点分别称为 L2TP 访问集中器（LAC）和 L2TP 网络服务器（LNS）。LAC 发起隧道连接到 LNS，连接建立后，通信是双向的。

L2TP 与 PPTP 类似，支持自愿和强制隧道模式，此外还支持多跳连接。与 PPTP 相比，L2TP 具有以下优势：
- L2TP 不仅可以在 IP 网络上工作，还可以在异步传输模式（ATM）、帧中继等其他网络类型上工作，而 PPTP 只能用于 IP 网络。
- L2TP 支持多种远程访问协议，如 TACACS + 和 RADIUS，而 PPTP 不支持。

不过，L2TP 未定义具体的加密协议，其有效负载使用 IPSec 协议进行加密，RFC 4835 指定使用 3DES 或 AES 加密。IPSec 比 PPTP 中的认证和加密机制更安全。

以下是 L2TP 与 PPTP 的对比表格：
| 协议 | 网络支持 | 远程访问协议支持 | 加密协议 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| PPTP | 仅 IP 网络 | 无 | MS - CHAP 认证，DES 或 MPPE 加密 |
| L2TP | IP、ATM、帧中继等 | TACACS +、RADIUS 等 | IPSec（3DES 或 AES） |

4. IPSec（Internet Protocol Security）

IPSec 是用于创建虚拟专用网络的技术，它在 IP 协议基础上增加了安全性和隐私保护，广泛应用于多种操作系统，如 Windows XP 的 Internet 连接防火墙安全设置中，用户可以启用 IPSec 进行传输。

IPSec 由互联网工程任务组（IETF）开发，有两种加密模式：
- 传输模式 ：加密每个数据包中的数据，但保留头部未加密，这意味着源地址、目的地址和其他头部信息是可见的。
- 隧道模式 ：同时加密头部和数据，比传输模式更安全，但可能会降低传输速度。

在接收端，符合 IPSec 标准的设备会解密每个数据包。IPSec 是单密钥加密技术，发送和接收设备必须共享一个密钥。除了两种加密模式，IPSec 还提供了另外两种协议：认证头部（AH）和封装安全有效负载（ESP）。

IPSec 是目前使用最广泛的 VPN 协议，因为与 PPTP 和 L2TP 不同，它提供了一个完整的解决方案，包括内置的认证和加密功能。IPSec 实际上由多个协议组成，其大致过程如下：
1. 某一方决定启动 IPSec VPN，触发 Internet 密钥交换（IKE）过程。
2. 在 IKE 阶段 1，对等方进行认证，并协商安全关联（SA）。
3. 在 IKE 阶段 2，协商并确定安全认证参数。
4. 完成上述步骤后，即可开始数据传输。

安全关联（SA）是 IPSec 中的一个重要概念，它是一组用于加密和认证的参数，如算法、密钥等。在启动 IPSec 时，确保连接的双方具有相同的安全关联至关重要，这些安全关联通过 Internet 安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）建立。

mermaid 格式流程图展示 IPSec 过程：

graph LR
    A[启动 IPSec VPN] --> B[IKE 阶段 1：对等方认证，协商 SA]
    B --> C[IKE 阶段 2：协商并确定安全认证参数]
    C --> D[数据传输]

综上所述，不同的认证协议和 VPN 协议各有优缺点，在实际应用中，需要根据具体需求和安全要求选择合适的协议。例如，对于安全性要求较高的企业网络，可能更适合使用 Kerberos 认证和 IPSec 协议；而对于一些对安全性要求相对较低的个人用户，PPTP 或 L2TP 可能是更简单的选择。同时，随着技术的不断发展，新的认证和加密技术也在不断涌现，我们需要持续关注和学习，以保障网络安全。

虚拟专用网络、认证与无线安全详解

5. 不同协议的安全性分析

不同的认证协议和 VPN 协议在安全性上存在显著差异，了解这些差异有助于我们根据实际需求做出更合适的选择。以下是对前面介绍的部分协议安全性的详细分析：

协议名称	安全性优势	安全性劣势
CHAP	能有效防止会话劫持，通过定期要求客户端重新提供加密哈希值来检测异常	相对较早期的协议，在面对一些新型复杂攻击时可能存在不足
EAP 及其变体	具有可扩展性，能根据不同场景进行定制；部分变体如 EAP - TLS 利用 TLS 和数字证书增强安全性	不同变体的安全性参差不齐，一些较简单的变体可能容易受到攻击
Kerberos	采用复杂的加密和验证机制，能有效防止会话劫持，广泛应用于多种操作系统，成熟度高	认证过程复杂，配置和维护难度较大
SESAME	结合了对称和非对称加密，扩展了 Kerberos 并改进其弱点	相对较新，应用范围可能不如 Kerberos 广泛
NTLM	在微软产品中广泛应用，有一定的认证基础	容易受到“pass the hash”攻击，安全性较低
PPTP	实现相对简单，早期在 Windows 系统中广泛支持	加密和认证方式不够明确，安全性依赖于具体实现，容易受到攻击
L2TP	支持多种网络类型和远程访问协议，结合 IPSec 加密提高了安全性	自身未定义具体加密协议，依赖外部加密协议
IPSec	提供完整的解决方案，包括内置的认证和加密，广泛应用且安全性高	配置和管理相对复杂，对设备性能有一定要求

6. 协议选择建议

在选择认证协议和 VPN 协议时，需要综合考虑多个因素，以下是一些具体的选择建议：

6.1 企业网络

• 认证协议 ：对于安全性要求极高的企业网络，建议优先选择 Kerberos 或 SESAME。Kerberos 成熟稳定，广泛应用于多种操作系统，能有效防止会话劫持等攻击；SESAME 则在 Kerberos 的基础上进行了扩展和改进，结合了对称和非对称加密，安全性更高。
• VPN 协议 ：IPSec 是企业网络的首选，它提供了完整的安全解决方案，包括内置的认证和加密功能，能满足企业对数据安全和隐私的严格要求。同时，L2TP 结合 IPSec 也是一个不错的选择，它支持多种网络类型和远程访问协议，灵活性较高。

6.2 个人用户

• 认证协议 ：对于个人用户，如果主要使用微软操作系统，EAP 及其变体如 LEAP、EAP - TLS 或 PEAP 是比较合适的选择。这些协议在微软操作系统中广泛支持，且能提供一定的安全性。
• VPN 协议 ：如果对安全性要求不是特别高，PPTP 或 L2TP 可能是更简单的选择。PPTP 实现相对简单，在早期的 Windows 系统中广泛支持；L2TP 则支持多种网络类型，结合 IPSec 加密后安全性也有所提高。

7. 未来发展趋势

随着网络技术的不断发展和安全威胁的日益复杂，认证协议和 VPN 协议也在不断演进。以下是一些未来可能的发展趋势：

7.1 认证协议

• 多因素认证的普及 ：单一的认证方式已经难以满足日益增长的安全需求，未来多因素认证将更加普及。例如，结合生物识别技术（指纹识别、面部识别等）、一次性密码（OTP）和传统密码的多因素认证方式将成为主流。
• 基于区块链的认证 ：区块链技术的去中心化、不可篡改等特性使其在认证领域具有巨大的潜力。未来可能会出现基于区块链的认证协议，提高认证的安全性和可信度。

7.2 VPN 协议

• 量子加密的应用 ：量子加密技术具有绝对的安全性，随着量子技术的不断发展，未来可能会应用于 VPN 协议中，为数据传输提供更高的安全保障。
• 软件定义网络（SDN）与 VPN 的融合 ：SDN 技术可以实现网络的灵活配置和管理，与 VPN 协议融合后，将提高 VPN 的性能和可扩展性。

8. 总结

本文详细介绍了虚拟专用网络（VPN）中的认证协议和常见的 VPN 协议，包括 CHAP、EAP 及其变体、Kerberos、SESAME、NTLM、PPTP、L2TP 和 IPSec 等。不同的协议在安全性、功能和应用场景上各有优缺点，在实际应用中，需要根据具体需求和安全要求选择合适的协议。

同时，我们也分析了不同协议的安全性差异，并给出了企业网络和个人用户的协议选择建议。随着网络技术的不断发展，认证协议和 VPN 协议也在不断演进，未来多因素认证、基于区块链的认证、量子加密和 SDN 与 VPN 的融合等将成为发展的趋势。

mermaid 格式流程图展示协议选择流程：

graph LR
    A[确定使用场景] --> B{企业网络还是个人用户}
    B -->|企业网络| C[选择高安全性认证和 VPN 协议]
    C --> D[如 Kerberos、IPSec]
    B -->|个人用户| E[选择相对简单的协议]
    E --> F[如 PPTP、L2TP]

在保障网络安全的过程中，我们需要持续关注技术的发展动态，不断学习和应用新的安全技术和协议，以应对日益复杂的网络安全威胁。希望本文能为读者在选择合适的认证协议和 VPN 协议时提供有价值的参考。