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摘要

WiFi设备通常会在网络堆栈的各个层对帧进行排队，例如在传输之前或当接收器处于睡眠模式时。本研究旨在探讨WiFi接入点如何管理队列中的帧的安全上下文（security context）。本文展示了攻击者如何通过利用省电机制（power-save）来欺骗接入点，导致其以明文、组或全零密钥加密的方式泄露帧（编号为CVE-2022-47522）。通过对多个开源网络堆栈进行了攻击实验，研究者验证了此WiFi加密绕过漏洞的成因。结果表明，IEEE 802.11标准中缺乏对管理缓冲帧安全上下文的明确指导。相关代码已经开源：https://github.com/domienschepers/wifi-framing

0x01 简介

在许多情况下，WiFi设备会在传输上层数据包之前对其进行缓冲或排队。这种做法主要用于节省电话和笔记本等设备的电量。早期的802.11标准已经包含了省电机制，允许客户端进入低功耗的休眠状态。当客户端处于休眠状态时，接入点（Access Point，AP）会将待发送至客户端的帧进行缓冲。这些缓冲的帧随后按照特定的协议传输到客户端。此外，当发送方等待可用的介质访问或等待需要重新传输的帧的确认时，也可能会在硬件层面对帧进行排队。在接收器端，帧也可能被缓冲，例如通过帧分段将大帧拆分为较小的片段进行传输。接收器会将这些帧片段缓冲直到接收到所有片段，然后进行重组。

尽管队列本身是一种标准的数据结构，但是在WiFi设备中管理802.11帧的安全上下文并不容易。在IEEE 802.11标准中，"安全上下文"被用作安全关联（Security Association）的同义词。安全上下文包含了与对等方安全通信所需的所有信息，例如协商的会话密钥、使用的加密协议、当前数据包计数器等。安全上下文用于发送和接收帧。这项研究调查了在网络堆栈中所有队列传输、排列或缓冲WiFi数据包时对安全上下文的（错误）管理，产生此漏洞的根本原因是IEEE 802.11 标准的定义模糊。

0x02 背景

A. WiFi 省电机制

自1997年首次发布以来，省电机制一直是IEEE 802.11标准的一部分。随着IEEE 802.11e修订版的推出，该标准引入了无线局域网（WLAN）网络的服务质量（QoS）增强功能，并采用了更先进的省电机制。

1） WiFi 堆栈中的帧队列

了解帧的排队时间和位置（例如，在网络堆栈中的位置）非常重要。 在下图中展示了客户端站和接入点之间典型的省电消息交换。 在连接期间的任何时刻，客户端站都可以指示其进入省电模式。为此，客户端可以通过设置IEEE 802.11标头帧格式中的功率位来进行操作。当接入点接收到要传输到客户端的帧时，它们将被缓冲在内核的传输队列中，直到客户端被唤醒（例如，通过轮询数据）或者帧的生命周期结束（即，帧在队列中等待的最长持续时间）。在此期间，所有排队的帧都以明文形式存储。一旦客户端表明其被唤醒，接入点的内核就可以将所有缓冲的帧出队，应用任何加密操作，并将它们传输到客户端站点。

除了在内核中的传输队列，帧还可以通过硬件进行排队。这可能是因为需要等待访问无线信道，或者在接收器未确认所传输的帧时允许进行重传。根据硬件功能（例如，对硬件加密的支持），排队的帧可以以明文形式存储，或者在硬件中进行加密处理。

2） 可缓冲帧

当客户端处于省电模式时，接入点将缓冲其帧。然而，并非所有帧都可以被缓冲。为了规范哪些帧可以被缓冲，IEEE 802.11标准定义了可缓冲单元（Bufferable Unit，BU）。可缓冲单元可以使用省电机制进行排队，而所有其他单元将立即传送。

可缓冲单元包括MAC服务数据单元（MAC Service Data Unit，MSDU）、聚合的MAC服务数据单元（Aggregated MSDU，A-MSDU）和MAC管理协议数据单元（MAC Management Protocol Data Unit，MMPDU）。由于并非所有MMPDU帧都可以被缓冲，因此该标准定义了多个分类。其中一个分类定义了哪些MMPDU操作帧（除了精准测时机制）以及解除关联和解除认证帧中携带的MMPDU是可缓冲的：

"在一个或多个操作中携带的MMPDU（除了精准测时帧和精准测时请求帧），以及解除关联或解除认证帧中携带的MMPDU。"

这明确表明，并非所有帧类型都可以被缓冲。认证和关联响应消息就是不可缓冲的帧类型的明显示例。根据标准，有资格被缓冲的帧类型的一个重要示例是安全关联查询消息（Security Association Query，SA Query）。这些消息用于在WiFi管理帧保护（Management Frame Protection，MFP）下保护安全关联（Security Association）。

B. WiFi管理帧保护

WiFi管理帧保护（MFP）标准化了管理帧的保护机制，包括数据机密性、完整性、来源真实性和重放保护。WiFi MFP在802.11w修订案中进行了定义，并被纳入了2012版的802.11基本标准中。这种新的保护机制提高了管理框架的安全性，管理框架代表了所有管理帧的子集。通过引入这些新的防御措施，网络可以有效地抵御各种已知的滥用管理帧的攻击，比如解除认证攻击，该攻击可能会中断客户端与网络的连接。自2020年起，WiFi联盟在其所有认证计划中强制要求采用WiFi MFP和Wi