第四章 系統架構
4.2 系統設計
4.2.2. 金鑰產生與交換
本研究中，因為擷取點與無線工作站需要擁有相同的隨機位元串，才能互相 驗證對方是否為合法使用者，進而達到防止服務阻絕攻擊的攻擊。因此擷取點與 無線工作站彼此會先透過某種機制而擁有相同的「金鑰」，之後再根據這把「金 鑰」造出隨機位元串以便互相驗證溝通。在本研究提出的系統架構中，有以下四 種可行的方式：
(1) 預先分配金鑰（Pre-Shared Key, PSK）：
「預先分配金鑰」是在要使用金鑰前就先分配好，通常使用在對稱式的加密 演算法。例如：在 WiFi（IEEE 802.11b）中的 WEP 或 WPA 加密方式，都是採 用事先分配金鑰的方式。不過，這種方式主要是應用在比較小型或是變化不大的 環境下。
若在本研究中採用「預先分配金鑰」方式，則不需要執行交換金鑰資訊的動 作，只要事先分配完金鑰後，擷取點與無線工作站就可以帶入 ARBG 中產生隨 機位元串，進行連結上網所需的互相驗證工作。此外金鑰的組成不管在長度與字 母的組合都必需要符合密碼學上安全（Cryptographically Secure）的金鑰，並且 必須定時更換金鑰，否則將造成金鑰資訊容易被分析出來。
(2) Diffie-Hellman 金鑰交換演算法：
上述預先分配金鑰的方式缺點就是需要管理者手動方式輸入密碼，但是我們 希望提出的系統架構能夠更有彈性。所以我們可以利用在第二章背景知識 2.4 節 所描述的 Diffie-Hellman 金鑰交換演算法，讓彼此互相不認識的擷取點與無線工 作站能夠擁有相同的金鑰。
如圖 29，無線工作站與擷取點只要把所需的金鑰產生資訊，加入試探要求 與試探回應訊框的中保留位置（4.2.1 小節中新定義於訊框主體的欄位），彼此 收到利用資訊後，就可以利用 Diffie-Hellman 金鑰交換演算法取得共同金鑰 Kas 之後，帶入 ARBG 中產生隨機位元串，進行連結上網所需的互相驗證工作。
圖 29 本研究提出的主動金鑰交換流程
如圖 30，無線工作站把所需的金鑰產生資訊，加入訊標訊框的保留位置，
無線工作站收到訊標訊框加入的額外資訊後，就可以產生金鑰 Ks，之後再利用 Diffie-Hellman 金鑰交換演算法算出 Kas並代入 ARBG 中產生隨機位元串。接著 無線工作站準備連結上網時，會加入隨機位元串與 Ks於驗證訊框中（以便讓擷 取點可以產生相同的金鑰）。擷取點收到 Ks 後會先產生 Kas，接著代入 ARBG 中產生隨機位元串後，才會進行驗證的工作。
圖 30 本研究提出的被動金鑰交換流程
(3) IEEE 802.11i 交換金鑰：
802.11 TGi 為了改善 WEP 中使用同一把金鑰的問題，而提出了 TKIP 演算 法，讓傳收端與接收端可以交換而得到暫時的成對金鑰（PTK），以避免長時間 使用同一把金鑰的問題。金鑰產生與交換過程如圖 7 所示，當無線工作站與擷取 點取得相同的 PTK 或 GTK 之後，就可以在每次會期溝通時帶入 ARBG 產生驗 證的隨機位元串，彼此互相驗證。利用 802.11i 產生金鑰的方式，在安全的考量 上的確比較理想。但是有一點要注意的是，因為 802.1x 認證程序也有類似 802.11 容易遭受 DoS 攻擊問題（如：EAPOL-Failure），所以必須等到認證過後才能獲 取金鑰的話，中間可能會遭受攻擊者利用 EAPOL-Failure 攻擊，造成使用者不能 順利通過認證。
此外，現行的無線工作站計算能力還不足已達到 802.11i 金鑰交換程序，因 為其金鑰產生的函數過程太複雜，所以並不適用於無線裝置上。再者電力消耗也 是一大考量問題。所以本研究在現階段並不會採取 802.11i 交換金鑰的方式，不 過當軟體與硬體的升級支援之後，採取此方式是可行的。
(4) PKI（Public Key Infrastructure）：
擷取點與無線工作站亦可在在 PKI 的架構下交換金鑰。擷取點可以先向 CA
（Certification Authority）取得無線工作站的公開金鑰（Public Key），把雙方要 產生隨機位元串的金鑰利用無線工作站的公開金鑰加密後，送給無線工作站。無 線工作站收到後，就可以利用自己的私密金鑰（Private Key）解開，如此雙方就 擁有可以產生相同隨機位元串的共同金鑰。雖然 PKI 是可行的方式，不過建立 CA 的成本太高，再者無線工作站的運算能力與是否有憑證都是需要考量之處。
所以，本研究在現階段並不會採取 PKI 交換金鑰的方式，不過當建立 CA 的成本 降低，並且由可信任的第三者執行的話，則亦為可行的方式。
在上述四個所提的金鑰交換可行方式中，（3）與（4）的方式雖然可行，但 是需要軟體與硬體上的升級支援才可以。所以在現階段中，本研究將會以（1）
或（2）的方式來實作，以便讓無線工作站與擷取點可以擁有共同金鑰。在雙方 擁有了共同的金鑰之後，會基於這把金鑰下造出會期金鑰，加入我們下一節所提 的 ARBG 模組，以便讓無線工作站與擷取點產生相同的驗證隨機位元串。