freeBuf
主站

分类

漏洞 工具 极客 Web安全 系统安全 网络安全 无线安全 设备/客户端安全 数据安全 安全管理 企业安全 工控安全

特色

头条 人物志 活动 视频 观点 招聘 报告 资讯 区块链安全 标准与合规 容器安全 公开课

官方公众号企业安全新浪微博

FreeBuf.COM网络安全行业门户,每日发布专业的安全资讯、技术剖析。

FreeBuf+小程序

FreeBuf+小程序

借助Python理解WPA四次握手过程 金币
2020-06-30 14:09:02

环境准备

在正式开始分析之前,先要准备一下软件和分析对象。

系统环境

本次使用的操作系统是Windows10 1909,部分需要Linux的使用虚拟机安装的Kali进行。

代码部分,解释器版本为Python 2.7。

数据包分析工具使用经典的Wireshark。

数据准备

由于不同的加密方法和参数对握手包的影响较大,因此分析对象使用了Wireshark官方给出的WPA数据包。

该数据包可以在https://wiki.wireshark.org/HowToDecrypt802.11页面上进行下载:

image-20200629105537200.png


手动捕获握手包

额外说明一下,如果想自己捕获设备的WPA握手包,则需要额外的软件,并将网卡置为Monitor Mode。下面简单介绍一下。

Windows平台:在Windows平台下想要捕获802.11管理帧,需要使用微软官方的软件Microsoft Network Monitor。它的安装和使用也相对比较方便,网上也有相当多的教程,如《windows下抓取802.11管理包》。有一点需要注意,该软件在“扫描设置(Scanning Options)”中开启Monitor Mode后,该窗口不能关闭,否则会退出:

20150905181951_10373.png

Linux平台:在Linux平台下,可以借助我们熟悉的aircrack-ng套件来设置网卡的Monitor Mode,并使用Wireshrak来获取和查看数据。此处以Kali为例,其他Linux系统可以自行安装相关套件。

设置监听模式的命令为:

root@kali:~# airmon-ng start wlan0

其中wlan0是网卡的名称。若出现以下情况:

root@kali:~# airmon-ng start wlan0

Found 2 processes that could cause trouble.
If airodump-ng, aireplay-ng or airtun-ng stops working after
a short period of time, you may want to run 'airmon-ng check kill'

   PID Name
  1959 NetworkManager
  1989 wpa_supplicant

PHY Interface Driver Chipset

phy0 wlan0 rt2800usb Ralink Technology, Corp. RT2870/RT3070

(mac80211 monitor mode vif enabled for [phy0]wlan0 on [phy0]wlan0mon)
(mac80211 station mode vif disabled for [phy0]wlan0)

说明网卡被占用,需要使用airmon-ng check kill命令来结束占用进程:

root@kali:~# airmon-ng check kill

Killing these processes:

   PID Name
  1989 wpa_supplicant

root@kali:~# airmon-ng start wlan0


PHY Interface Driver Chipset

phy0 wlan0mon rt2800usb Ralink Technology, Corp. RT2870/RT3070

这里网卡名称会变成wlan0mon,需要注意。

但是,直接设置后抓包有时只能抓到部分,比如仅有AP侧的数据,设备端的数据包都丢失了,原因是未指定信道。此时需要使用airodump-ng工具查看目标AP的信道:

root@kali:~# airodump-ng wlan0mon

image-20200629141915808.png

上图中第一行所示的信息中,CH表示信道,我们想对该AP进行四次握手的捕获,则需要将网卡监听的信道固定为11:

root@kali:~# airmon-ng start wlan0mon 11


PHY Interface Driver Chipset

phy0 wlan0mon rt2800usb Ralink Technology, Corp. RT2870/RT3070

(mac80211 monitor mode already enabled for [phy0]wlan0mon on [phy0]11)

看到命令行中最后一行括号里的提示,表示已经设置为固定监听信道11。

此时打开wireshark,选中网卡wlan0mon即可捕获。

WPA四次握手

在上一篇文章《Wi-Fi攻击方式简述》中,已经对WPA的握手过程进行过简单讲解,总结起来WPA的四次握手完成了:

1)Wi-Fi密码的验证

2)后续通信加密的密码的计算(注意这里是“计算”不是“传输”)

而在其握手过程中,会生成一些过程产物,如加密握手数据的密钥、完整性校验数据等。密钥计算的总览视图如下:

image-20200629154441387.png

四次握手的简单示意图:

686769-20161117152254170-216963418.png

接下来会逐步介绍每一步的计算过程。

握手前的准备:计算PMK

PMK(Pairwise Master Key) 是整个WPA认证过程中非常核心的一个密钥,是由Wi-Fi的SSIDPre-Shared-Key(即Wi-Fi密码)计算而来,其算法被称为Password-Based Key Derivation Function 2 (PBKDF2) ,是一种使用HMAC-SHA1,使用SSID作为盐值来进行哈希的一种算法。

image-20200629170801055.png

在默认的Python环境中,需要安装pbkdf2库来支持这种算法,可以使用pip install pbkdf2命令来安装 。

from pbkdf2 import PBKDF2

psk = "Induction"
ssid = "Coherer"
pmk = PBKDF2(psk, ssid, 4096).read(32)

image-20200629165810353.png

此外,可以利用Linux系统中的wpa_passphrase工具来计算PMK,其命令为:

pentest@DESKTOP-2AE07FJ:~$ wpa_passphrase Coherer Induction

image-20200629165935651.png

这里可以看出来,计算出来的值是一致的。

第一次握手:传递ANonce,STA计算PTK

在WPA的第一次握手时,由AP向STA发送ANonce

image-20200629170336475.png

在这个数据包中,除了 ANonce 以外,在头部包含了双方的MAC地址。此时STA本地生成SNonce,满足了PTK计算的全部条件,因此进行PTK的计算

image-20200629171145032.png

由于SNonce在第二次握手的数据包中,因此这部分计算的演示在下一节进行。

第二次握手:传递SNonce,AP计算PTK

第二次握手时,STA向AP发送SNonce:

image-20200629171638896.png

PTK(Pairwise Transient Key)的计算需要使用PRF512算法,其实现是参照《Understanding WPA/WPA2 Hash (MIC) Cracking Process In Python》文章中给出的算法进行:

def customPRF512(key, A, B):
   blen = 64
   i = 0
   R = ''
   while i <= ((blen * 8 + 159) / 160):
       hmacsha1 = hmac.new(key, A + chr(0x00) + B + chr(i), hashlib.sha1)
       i += 1
       R = R + hmacsha1.digest()
   return R[:blen]

从前两次握手包中提取的ANonceSNonce 以及双方的MAC地址,拼接起来作为计算PTK的部分:

mac_ap = binascii.unhexlify("000c4182b255")
mac_cl = binascii.unhexlify("000d9382363a")
anonce = binascii.unhexlify("3e8e967dacd960324cac5b6aa721235bf57b949771c867989f49d04ed47c6933")
snonce = binascii.unhexlify("cdf405ceb9d889ef3dec42609828fae546b7add7baecbb1a394eac5214b1d386")
key_data = min(mac_ap, mac_cl) + max(mac_ap, mac_cl) + min(anonce,snonce) + max(anonce,snonce)

PRF512需要3个参数,PMKPKE 和上面计算出来的 key_data。其中PKE是一个固定字符串,PMK在前文中有过计算:

pke = "Pairwise key expansion"
pmk = PBKDF2("Induction", "Coherer", 4096).read(32)
ptk = customPRF512(pmk, pke, key_data)
# 此处ptk的值(Hex String)为:b1cd792716762903f723424cd7d1651182a644133bfa4e0b75d96d230835843315798d511beae0028313c8ab32f12c7ecb71c893482669daaf0e9223fe1c0aed

到这里,AP和STA各自都计算出了PTK(正常情况下双方算出的PTK内容是一致的)。

PTK的构成

上一步骤中,计算出来的PTK是一个512bit的字符串(64字节),这是由于我们下载的Wireshark官方提供的样例包中的WPA采用的是TKIP加密,如果是CCMP加密,这里的算法会有所区别,因为计算出的PTK应当为384bit。

此处以TKIP加密为例,512bit的字符串可以分割为3个部分:KCK、KEK 和 TK。

image-20200629191743423.png

KCK (Key Confirmation Key):用于计算WPA EAPOL密钥消息的MIC(完整性验证)

KEK (Key Encryption Key):用于加密发送到客户端的附加数据(在“密钥数据”字段中)

TK (Temporal Key):用于后续通信数据加密

TKIP加密模式下,PTK共512bit,其中按顺序为:KCK(128bit),KEK(128bit),TK(256bit)

CCMP加密模式下,PTK共384bit,其中按顺序为:KCK(128bit),KEK(128bit),TK(128bit)

image-20200630095341818.png

如上节中计算的PTK,按照长度划分,应为:

KCK = b1cd792716762903f723424cd7d16511

KEK = 82a644133bfa4e0b75d96d2308358433

TK = 15798d511beae0028313c8ab32f12c7ecb71c893482669daaf0e9223fe1c0aed

验证MIC

比较第一次和第二次握手,在数据包中会发现在WPA Key MIC字段中由原来的全0变成了一串字符:

image-20200629202936492.png

MIC (Message Integrity Code):消息完整性代码 是校验数据是否被篡改,以及PSK是否正确(因为MIC是由PTK参与计算,PTK由是由PSK生成)。

image-20200630100306995.png

MIC的计算是以KCK为密钥(Key),整个802.1X报文为消息体(Message)进行HMAC运算得出的结果,共128bit。

顺便一提,WPA的密码离线破解也是利用PSK生成PMK,并根据握手包计算KCK,再生成MIC并对比原数据包中的MIC来确定密码是否正确。

在我们手工验证的时候,需要先将整个报文(这里以第二次握手为例)提取出来,并找到WPA Key MIC字段,将这部分内容替换成0,再计算。

image-20200630101214680.png

这部分代码如下:

payload = binascii.unhexlify("0203007502010a00100000000000000000cdf405ceb9d889ef3dec42609828fae546b7add7baecbb1a394eac5214b1d386000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001630140100000fac020100000fac040100000fac020000")
mic = hmac.new(ptk[0:16], payload, hashlib.sha1).hexdigest()[:32]

至此,大部分的计算和校验任务已经结束。

第三次握手:传递加密的GTK,STA安装TK

第三次握手,由AP向STA发送数据,其中MIC部分与上面的计算方式一致。STA接收到数据后,验证MIC通过则说明AP是有效的,双方PMK是一致的。

同时,在这个数据包中,包含了加密后的GTK。GTK (Group Temporal Key) 用于加密广播和多播数据。GTK加密的密钥为KEK,其解密和使用不在此详述。

当STA接收到第三次握手包并验证MIC通过后,会将计算出来的TK(PTK的最后一段)安装到系统中,作为后续的通信加密密钥。

第四次握手:AP安装TK

最后一次握手仅为STA向AP发送的确认信息,表示密钥已经安装完毕,此时AP端也会进行密钥安装,至此,双方的密钥安装全部结束,后续通信中按照前面步骤中的密钥进行通信。

密钥重装攻击 KRACK Attack

上文中简单梳理了一下WPA四次握手的过程,其中省略了一些部分。由于主要是想帮助对KRACK漏洞的理解,因此重点放在第三次握手的密钥安装部分,安装的密钥来源上。

原理

关于这一漏洞,感兴趣的可以参考《WPA2 密钥重装攻击 KRACK Attacks 分析报告》,个人感觉这篇文章解释的比较详细,总结起来这个漏洞就是:

其中,wpa_supplicant 2.4及2.5版本实现了协议注释内容“一旦安装后,就可从内存中清除加密密钥”,将导致客户端会安装值全为零的秘钥。因此使用了这些wpa_supplicant版本的Linux及Android设备将遭受严重威胁。

这个漏洞是利用wpa_supplicant在第三次握手时对TK的处理来达到攻击的目的的。由于TK是根据第一次和第二次握手包中的数据生成,因此STA会将该密钥保存在本地的内存中。当收到第三次握手的数据包时,STA会将该密钥安装,并从内存中清除(“一旦安装后,就可从内存中清除加密密钥”),因此再次收到该握手包时,程序会再次加载这部分已被清零的内存,导致重新安装的密钥为全0。

利用

由于目前未找到直接的利用EXP/POC,在Github上有一个检测工具:https://github.com/vanhoefm/krackattacks-scripts,其官网 https://www.krackattacks.com 上有对这个漏洞的演示。

从原理和演示来看,KRACK漏洞需要搭建Rogue AP做中间人,转发握手数据帧。当发送第三次握手包时,进行重放。

由于多次接收到第三次握手包,STA会尝试安装全0的密钥,并使用密钥加密后续通信包。Rogue AP的通信密钥预先就被置为0,这样就可以正常的和STA通信。

目前没有时间来实践这个漏洞,仅从原理上对漏洞的利用方式进行分析,该漏洞更像是传统的Evil Twin的攻击方法,但Evil Twin需要知道目标AP的密码,才能让用户的设备顺利连入;而借助KRACK Attack,攻击者无需知道目标AP的密码即可实现中间人攻击,监听受害者流量。

总结

WPA的四次握手中,前两次是在互相交换计算PTK的信息(ANonce、SNonce),AP验证STA身份(利用MIC)并各自计算出PTK;第三次握手STA验证了AP的身份,传输加密GTK,并将计算出的TK安装;第四次握手确认密钥安装完成。

附:完整的计算MIC的 Python 代码

from pbkdf2 import PBKDF2
import hmac, binascii, hmac, hashlib, sha

def customPRF512(key, A, B):
   blen = 64
   i = 0
   R = ''
   while i <= ((blen * 8 + 159) / 160):
       hmacsha1 = hmac.new(key, A + chr(0x00) + B + chr(i), sha)
       i += 1
       R = R + hmacsha1.digest()
   return R[:blen]

psk = "Induction"
ssid = "Coherer"
pmk = PBKDF2(psk, ssid, 4096).read(32)

mac_ap = binascii.unhexlify("000c4182b255")
mac_cl = binascii.unhexlify("000d9382363a")
anonce = binascii.unhexlify("3e8e967dacd960324cac5b6aa721235bf57b949771c867989f49d04ed47c6933")
snonce = binascii.unhexlify("cdf405ceb9d889ef3dec42609828fae546b7add7baecbb1a394eac5214b1d386")

key_data = min(mac_ap, mac_cl) + max(mac_ap, mac_cl) + min(anonce,snonce) + max(anonce,snonce)
pke = "Pairwise key expansion"
ptk = customPRF512(pmk, pke, key_data)

print "PTK Original:               ",ptk.encode('hex')
print "EAPOL-Key Confirm Key:       ",ptk[:16].encode('hex')
print "EAPOL-Key Encrypt Key:       ",ptk[16:32].encode('hex')
print "(TKIP|CCMP) Temporal Key:   ",ptk[32:].encode('hex')

payload = binascii.unhexlify("0203007502010a00100000000000000000cdf405ceb9d889ef3dec42609828fae546b7add7baecbb1a394eac5214b1d386000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001630140100000fac020100000fac040100000fac020000")

mic = hmac.new(ptk[0:16], payload, hashlib.sha1).hexdigest()[:32]
print "MIC (Message Integrity Code):",mic

参考链接

[1] WPA/RSN四次握手和PTK

[2] KEYS, KEYS, AND EVEN MORE KEYS!

[3] WPA/WPA2-PSK认证过程

[4] 四次握手

[5] 安全协议系列(二)----CCM与CCMP

[6] https://www.krackattacks.com/

[7] https://github.com/vanhoefm/krackattacks-scripts

[8] 国内研究人员首次Wifi重大漏洞利用实现 | Krack攻击测试套件打包

[9] WPA2 密钥重装攻击 KRACK Attacks 分析报告

[10] Understanding WPA/WPA2 Hash (MIC) Cracking Process In Python

[11] HowToDecrypt802.11

本文作者:, 转载请注明来自FreeBuf.COM

# wifi # Kali # WI-FI # KRACK #
被以下专辑收录,发现更多精彩内容
+ 收入我的专辑
评论 按时间排序

登录/注册后在FreeBuf发布内容哦

相关推荐
  • 0 文章数
  • 0 评论数
  • 0 关注者
登录 / 注册后在FreeBuf发布内容哦
收入专辑