Быстрый роуминг в Wi-Fi: Стандарт IEEE 802.11r

Введение

Поправка к стандарту IEEE 802.11 WiFi

IEEE 802.11r 2008, или быстрый переход между BSS (FT), — это поправка к стандарту IEEE 802.11, обеспечивающая непрерывное соединение для беспроводных устройств в движении, с быстрыми и безопасными переходами клиента от одного набора основных служб (сокращенно BSS, также известного как базовая станция или, проще говоря, точка доступа) к другому, выполняемыми практически бесшовно. Она была опубликована 15 июля 2008 года. IEEE 802.11r 2008 был включен в 802.11 2012. Термины «передача» и «роуминг» часто используются, хотя переход 802.11 не является настоящим процессом передачи/роуминга в сотовой связи, где процесс координируется базовой станцией и обычно не прерывается.

Обоснование изменения

802.11, широко известный как Wi-Fi, широко используется для беспроводной локальной связи. Многие развернутые реализации имеют эффективный радиус действия всего в несколько десятков метров, поэтому для поддержания связи устройствам в движении, использующим его, необходимо переходить от одной точки доступа к другой. В автомобильной среде это может легко приводить к переходу каждые пять-десять секунд. Переходы уже поддерживаются существующим стандартом. Базовая архитектура перехода идентична для 802.11 с поддержкой и без поддержки 802.11r: клиентское устройство (известное как станция, или STA) полностью самостоятельно решает, когда и к какой BSS переходить. В первые годы существования 802.11 переход был гораздо более простой задачей для клиентского устройства. Для установления соединения с новой BSS требовалось всего четыре сообщения (пять, если учитывать дополнительное сообщение "Я покидаю сеть" – кадр деаутентификации и диссоциации, которое клиент мог отправить в старую точку доступа). Однако, с добавлением в стандарт дополнительных функций, таких как 802.11i с аутентификацией 802.1X и 802.11e (QoS) или Wireless Multimedia Extensions (WMM) с запросами на контроль доступа, количество необходимых сообщений резко возросло. Пока эти дополнительные сообщения обмениваются, трафик мобильного устройства, включая трафик голосовых вызовов, не может передаваться, и потеря данных, которую испытывает пользователь, может составлять несколько секунд. Как правило, максимальная задержка или потеря, допустимая для голосового вызова в сети, составляет 50 мс. 802.11r был разработан для снижения дополнительной нагрузки, которую функции безопасности и качества обслуживания наложили на процесс перехода, и возвращения к первоначальному обмену четырьмя сообщениями. Таким образом, проблемы с переходами не устраняются, но, по крайней мере, возвращаются к прежнему уровню. Основным применением стандарта 802.11r, которое в настоящее время предполагается, является голосовая связь по IP (VoIP) через мобильные телефоны, предназначенные для работы с беспроводными сетями Интернет вместо (или в дополнение к) стандартным сотовым сетям.

802.11, commonly known as Wi Fi, is widely used for wireless local area communications. Many deployed implementations have effective ranges of only a few dozen meters, so, to maintain communications, devices in motion that use it will need to transition from one access point to another. In an automotive environment, this could easily result in a transition every five to ten seconds. Transitions are already supported under the preexisting standard. The fundamental architecture for transition is identical for 802.11 with and without 802.11r: the client device (known as the Station, or STA) is entirely in charge of deciding when to transition and to which BSS it wishes to transition. In the early days of 802.11, transition was a much simpler task for the client device. Only four messages were required for the device to establish a connection with a new BSS (five if counting the optional "I'm leaving" message (deauthentication and disassociation frame) the client could send to the old access point). However, as additional features were added to the standard, including 802.11i with 802.1X authentication and 802.11e (QoS) or Wireless Multimedia Extensions (WMM) with admission control requests, the number of messages required went up dramatically. During the time these additional messages are being exchanged, the mobile device's traffic, including that from voice calls, cannot proceed, and the loss experienced by the user could amount to several seconds. Generally, the highest amount of delay or loss that the edge network should introduce into a voice call is 50 ms.

802.11r was launched to attempt to undo the added burden that security and quality of service added to the transition process, and restore it to the original four message exchange. In this way, transition problems are not eliminated, but at least are returned to the status quo ante. The primary application currently envisioned for the 802.11r standard is voice over IP (VOIP) via mobile phones designed to work with wireless Internet networks, instead of (or in addition to) standard cellular networks.

Быстрый переход BSS

IEEE 802.11r определяет быстрые переходы между базовыми наборами служб (BSS) между точками доступа, переопределяя протокол согласования ключа безопасности и позволяя согласованиям и запросам на беспроводные ресурсы (аналогичным RSVP, но определенным в 802.11e) выполняться параллельно. Протокол согласования ключа в 802.11i определяет, что при аутентификации на основе 802.1X клиент должен повторно согласовывать свой ключ с RADIUS или другим сервером аутентификации, поддерживающим протокол расширяемой аутентификации (EAP), при каждом переходе, что является длительным процессом. Решение заключается в том, чтобы разрешить кэширование части ключа, полученного от сервера, в беспроводной сети, чтобы разумное количество последующих соединений могло основываться на кэшированном ключе, избегая процедуры 802.1X. В настоящее время существует функция, известная как оппортунистическое кэширование ключей (OKC), основанная на 802.11i, для выполнения той же задачи. 802.11r отличается от OKC тем, что полностью специфицирует иерархию ключей.

Протокольная операция

Переход между BSS, не использующий 802.11r, проходит через шесть этапов:
Сканирование – активное или пассивное, для обнаружения других точек доступа в зоне действия. Обмен сообщениями аутентификации 802.11 (сначала от клиента, затем от точки доступа) с целевой точкой доступа. Обмен сообщениями повторной ассоциации для установления соединения с целевой точкой доступа. На этом этапе в BSS с использованием 802.1X точка доступа и станция имеют соединение, но не могут обмениваться кадрами данных, так как ключ еще не установлен. Согласование парного мастер-ключа 802.1X (PMK). Вывод парного временного ключа (PTK) – четырехстороннее рукопожатие 802.11i для ключей сеанса, создание уникального ключа шифрования для ассоциации на основе мастер-ключа, установленного на предыдущем этапе. Контроль допустимости QoS для восстановления потоков QoS. Быстрый переход между BSS выполняет те же операции, за исключением согласования 802.1X, но объединяет обмен данными PTK и контроль допустимости QoS с сообщениями 802.11 Authentication и Reassociation.

Проблемы

В октябре 2017 года исследователи в области безопасности Мати Ванхоф (imec DistriNet, KU Leuven) и Фрэнк Писсенс (imec DistriNet, KU Leuven) опубликовали свою работу "Атаки повторной установки ключа: принуждение к повторному использованию одноразовых номеров в WPA2" (KRACK). В этой работе также была описана уязвимость распространенных реализаций 802.11r и зарегистрирован идентификатор CVE CVE 2017 13082. 4 августа 2018 года исследователь Йенс Штубе (из Hashcat) описал новую технику взлома паролей WPA2 и WPA PSK (предварительно согласованного ключа), утверждая, что она, вероятно, будет эффективна против всех сетей 802.11i/p/r с включенными функциями перехода.