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。



第一次握手AP-->STA,PMK已经预设好了,这个AP时候发送一个随机产生的nOnce数。
第二次握手STA-->AP,STA根据接收到的随机数,自己也生成一个随机数,以及PMK,经过一系列算法AES...直接就产生了PTK了,然后把PTK拆分成5各部分,每个不同部分用于不同的加密。然后把随机数发给AP
第三次握手,AP接收到这个随机数后,使用相同的方法生成PTK,并取出其中的MIC密钥对第二次握手包进行较验,如果相同,那么AP知道这个时候STA拥一个跟它一样的PMK。这个时候AP有了PTK后就可以对它第一次握手生成的EAP包进行检验生成一个MIC序列号,并发送给STA
第四次握手,STA接收到这个包后,同样执行跟AP的检验操作以确认AP拥有跟自己一样的PMK。然后发送确实安装PMK

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