无线局域网安全监护系统

　　1 系统方案论证

　　1.1 现状分析

　　现有的无线局域网安全产品无法完全提供无线局域网的安全防护，主要问题如下：

　　1)功能单一、缺乏综合安全管理平台，无法实现无线数据监听、解析、还原、取证的综合功能。

　　2)缺乏非法站点接入、合法站点访问非法站点的有效控制手段。如果不连入有线网络，就无法实现网络控制。

　　3)无法检测并抵御WEP攻击方法。WEP加密方式在一定程度上仍然广泛应用，现有的解决方案基本上是通过升级无线接入点和站点的安全模块来防御WEP攻击，但这种解决方案无法应用于大量已部署的旧无线局域网上。

　　1.2 系统方案

　　根据以上现状分析，有必要设计一款集无线网络实时扫描、数据实时解析、内容还原、审计取证、管理控制、攻击检测防护等功能于一身的无线局域网监护系统，以解决当前无线网络存在的问题。下图为系统的网络构设图：

　　图1.1 网络架设图

　　可以看到本监护系统独立于网络，架设方便、灵活，可对选定的网络实施监护。系统是以linux为操作平台，并以PC机和两张无线网卡作为硬件依托，一张无线网卡用于站点和接入点的扫描、数据包的截获，另一张用于发送伪造数据包来阻止WEP攻击。通过对网卡截获的数据进行协议解析来分析网络中是否存在WEP攻击以及非法接入和访问，如果存在则通过另一张网卡发送数据包进行防护。同时通过协议解析我们可以恢复出用户的上网文件内容，从而对用户无线上网行为的审计和取证带来方便。

　　2系统功能指标

　　如表1所示，是我们这个系统所实现的功能与指标。

　　表 1：系统指标表

　　3 系统实现原理、技术和流程图

　　本系统的架构主要包括图形界面、各个功能模块、模块间接口这三个部分。而其实现的关键则在于无线网络的全频段扫描以及数据捕获、数据的协议实时解析、内容还原技术、以及非法网络行为的检测和防护技术。

　　3.2 关键技术分析

　　3.2.1无线网络的全频段扫描和数据捕获

　　3.2.1.1 全频段扫描

　　通过在Linux平台下，设置无线网卡I/O通信端口寄存器为监听模式，可以对802.11a/b/g的13个频段内的接入点、站点以时分跳频的方式监听,实时发现各个信道的AP以及连接AP的站点，并分析捕获的数据，获得AP和站点的加密方式、信号强度、MAC地址等相关信息。

　　3.2.1.2数据包捕获

　　一旦选定需要监护的AP，则可以通过对网卡端口寄存器编程来实现固定信道的扫描，此时不再是13个信道的时分跳频，而是网卡固定于一个特定的信道来扫描获取该信道的数据。再对捕获的数据包进行BSSID的过滤，这样就可以得到该AP服务集的数据包。

　　3.2.2 数据的实时解析

　　用数据包捕获方式得到的是802.11MAC层的通信数据，根据TCP/IP协议栈与802.11的相关协议，数据恢复需要从TCP/IP协议模型的底层向上层进行一层层的解析和重组：数据链路层—网络层—传输层—应用层(含会话、表现层)。

　　TCP、IP的协议解析是本系统中的一大难点，这其中关系到IP分片和重组以及TCP流重组和重传的解析。我们选择了libnids开源工具对该部分协议做了具体的解析。

　　在TCP、IP解析的基础上实现了对FTP协议，HTTP协议，SMTP协议，POP3协议的并行解析。由于监听的网络同时会有多个人使用某个协议，我们建立了对应于各个TCP连接的虚拟端口，用于区分不同TCP链接的通信数据。图3.2描述了TCP连接与各个协议的关系。

　　图 3.2 协议解析关系图

　　同时我们给出了应用层解析流程，见图3.3：

　　图3.3 应用层协议解析流程图

　　3.2.3 用户网络内容的还原

　　3.2.3.1网页内容还原

　　对于HTTP，由于其网络地址大多为服务器的相对地址，还原后的原始文件无法用浏览器打开，即使打开也只有文字信息(如图3.4所示)，缺少图片和flash信息，这就需要后期的数据处理。3.2.3.2 邮件内容处理

　　邮件内容并不是直接传输ASCII码，它有自己的传输编码，所以必须根据其相应的传输编码来对其进行解析。比如其常用的传输编码方式为base64编码。如表3.1所示：

　　表3.1 base64编码

　　这种编码其实就相当于加密，当然还有其他的传输编码方式，必须做相应的解码才能使得其可读。所以邮件文件的处理程序流程就是先读文件，查找传输编码方式，最后解码还原。

　　3.2.4网络行为控制

　　网络行为的控制主要控制两类事件，一是阻断非法用户接入AP，二是防止合法用户访问非法IP。其中前者的分析基于MAC层的数据，后者基于IP层的数据。虽然我们的系统独立于AP和站点，但是我们可以通过伪冒成该站点与AP通信，向AP发送去鉴权或去关联数据帧，中断AP与该站点之间的通信或者连接，来中断非法接入或者非法访问。

　　3.2.5 WEP攻击检测与主动防护

　　当前最流行的WEP攻击软件是基于统计原理的PTW[7]算法，该算法可以在收集40000个有效包的情况下破解出64bit的WEP密钥。PTW算法采用主动攻击的方式，假冒合法用户大量发送已截获的无线网络中的ARP请求包，通过这种方式，攻击者将会收获大量的ARP回复和转发包，之后采用统计算法[7]，分析ARP包中的密钥流和ARP包所对应的不同IV，攻击者即可在很短的时间内破获正确的密钥，进而实行非法操作。

　　事实上几乎所有的WEP攻击算法的都需要捕获大量的ARP包。基于此，我们采用在MAC层捕获、统计网络中的ARP包的流量去判断是否存在WEP攻击。

　　一旦发现有WEP攻击，我们通过分析ARP包中源、目的端以及IV等信息，用一个伪造的密钥和不断递增的IV，按照WEP加密方式构造出一个新的ARP包，并通过网卡大量发送，使得攻击者大量捕获的是用错误密钥加密的ARP包。另一方面我们通过发送ARP包的时间间隔来伪冒成攻击者，向AP发送去鉴权帧，使得攻击者时而断开与AP的连接，这样AP就不会转发攻击者发送的ARP包，因此攻击者就几乎收不到正确密钥加密的ARP数据包，而大量捕获我们用伪造密钥加密的ARP包，因而最终破获出一个错误密钥。由于我们构造的ARP包与正确密钥加密的ARP包对于攻击者来说是无法区分，因此这样的防护方法可谓是疏而不漏。