国际标准战争的技术真相

Ciara

@奥卡姆剃刀

【摘要】国际标准的争夺就是国家战争，Wi-Fi和WAPI的技术标准之争有国人不知道的惊人真相。

10月份发表的《网络安全协议的国家战争》微博阅读量有80多万，没想到这个冷门的网络安全协议科普得到了这么多人的关注，评论区里有很多内行网友表达了自己的观点，汇集起来就是这十多年来国内对Wi-Fi和WAPI协议的舆论大全。这些观点非常有价值，我认真地进行了梳理，继续查阅资料深入研究，于是便有了这篇技术分析文章。

一、网络的层次
说到网络的层次，总是会想起研究生面试时的场景，老师问了我一个问题：ISO的OSI有哪几层？这个问题当场把我问懵了。

ISO指的是国际标准化组织，OSI指的这个组织提出的开放式系统互联规范，它把信息系统从物理层到应用层分成了七层结构。随着后续学习的深入和科研实践，我越来越体会到分层概念的重要性，这个我当初没答出的问题，现在成为了我面试研究生时的保留题目。

如何理解分层的概念呢？不妨举一个你我都熟知的例子，你用微信给朋友发一条信息“在吗？”，你朋友手机上马上就出现了这个信息，这个最常见应用的技术实现却并不简单。

                      信道
你在手机上打出“在吗？”这个词语，这只是应用层的实现，信息要一层接一层地组装和下传，最终通过物理层的电磁波把信号传到了对方的设备上。对方从设备的物理层开始，把信号沿着反向的顺序逐层地解析和上传，恢复出原始信息，最终在你朋友的微信APP（应用App）上显示出来。

这种分层方法是人类处理复杂劳动时最常用的办法。例如粮食生产就分为了品种选育、耕地播种、浇水施肥、收割处理、食品加工等很多个阶段。每个阶段都有不同的工作，也都有不同的生产规范和安全标准，逐层配合协调工作粮食才能生产出来。

信息系统的构建也是如此，这不是单一工种能够完全实现的，从物理层到应用层，每个层面都有不同的功能要求和技术规范，并由不同专业的技术人员实现。

层还有一个好处，一个设备只要符合了它所在层的接口规范，那它就具备了承接上层和衔接下层的基础，各层功能以标准模块的形式存在，搭建系统时可以像摞积木一样方便。

无论是美国的Wi-Fi，还是中国的WAPI，它们都工作于链路层。在讨论二者的安全性对比时，有些网友认为这个问题不重要，链路层机制有点问题不要紧，甚至认为没必要在链路层做安全的工作，都可以放在应用层进行处理，这是一个很常见的错误想法，根源就在于缺乏对“层”的理解。

稍有生活常识的人都知道逐级检查是最安全的，例如乘坐飞机时先要验票，可以基本排除有人假冒乘客的危险。确定是合法乘客后再进行安检，进一步筛查违禁物品。逐级就是分层，每个层的检查重点是不同的，方法和标准也都不同。如果不分层，把所有人都放在候机区只进行一次检查，那危险系数就增加了。

信息安全还有个规律，那就是底层漏洞靠上层很难弥补，而上层的加密防护从底层却很容易突破。例如在军事安全领域中有一种旁路攻击技术，虽然军用系统的加密方法很复杂，在应用层面上破密基本上是不可能的，但无论如何复杂，最终都要通过某个芯片的某个管脚（例如图中的红色管脚）的某种电磁波信号来实现“开启”这个动作。

攻击者找到这个管脚，偷偷安装一个很精密的信号采集探头，把正常开启的物理信号给采集下来。不管应用层的加密算法和密钥如何变化，只要把这个物理信号重新加载到这个管脚上，复杂的加密系统就被绕过去了。这就好比是偷汽车，甭管钥匙做得多么复杂，只要把发动机的点火线扯出来就能对着火。

网络信息安全也是这样，从最下面的物理层到最上面的应用层，每个层面都有不同的安全主题，也相应有不同的安全标准，各层次之间相互支撑相互配合，但是不能够相互替代。

所以说，那些提出把底层安全隐患交给上层来解决的网友们，他们缺乏对信息系统理论的基本常识，对这个问题的认识不在一个基点上，并不适合讨论这个问题。

如果我问您“谁在搞信息安全？”，估计您脑海里出现的是防病毒App企业和提供网盘服务的企业，毕竟这些企业工作在与用户直接打交道的应用层，所以会被广泛知晓。

其实还有很多安全企业工作在信息系统的底层，他们的职责更基础更重要，只是因不跟公众直接打交道而不为公众知晓。

如果是信息网络系统底层出了安全问题，那就超出了防病毒App企业的工作层面，他们能做的也只是尽量弥补而不是根治，好比是因肝病而导致了脸色发黄，那就该找医生去治肝，而不是找美容师往脸上抹粉。

在网络安全问题上，从物理层、链路层到应用层，每个层都有自己的安全挑战，其中链路层的安全挑战就包括假基站、非法终端接入、数据监听、重放攻击、篡改、拒绝服务攻击等等，这些挑战对于链路层上支撑承载的任何应用都是存在的，包括微信、微博和支付等等。因此链路层需要自身的安全技术，不能将安全隐患遗留给上层应用去解决。

Wi-Fi的安全就是一个最明显的例子，在2015年和2016年连续两年央视315曝光了Wi-Fi的安全漏洞，国内的互联网安全企业对此高度重视，但现在这个问题依然没有完全解决。这是为什么呢？这就是因为问题出在底层，仅靠上层的修补是不能彻底解决问题的。

Wi-Fi的安全漏洞出现在链路层，终归要在链路层去解决。Wi-Fi联盟发现WEP不安全后，采用了WPA和WPA2来进行弥补，这的确算是在链路层解决链路层的问题。但结果却很令人遗憾，安全隐患只是得到了缓解，并没有得到根治，这又是为什么呢？

二、安全架构的演进
Wi-Fi的安全问题出在链路层，具体说就是链路层的二元安全架构，这种架构已不满足新形势下的网络安全要求，这是根本原因。

您一定会问，既然问题已经找到，那就把二元架构改掉了不就完全了？令人遗憾的就在这里，这种基本架构是改不掉的，好比是房子的承重墙和大梁都建好了，无论后期再怎么装修，房子的框架是变不了的。

那二元架构到底是咋回事呢？这要从二十世纪九十年代中期Wi-Fi设计之初的背景说起，那时的接入设备一般都是庞大的有线路由器，无线应用还非常罕见，现在很常见的“伪造无线接入的基站”在那时简直就是黑科技，那时没人料到将来会出现伪造基站的问题，所以在设计时根本就没有考虑这事。

当时的安全需求只是基站对终端的合法性进行鉴别，并依据鉴别结果确定是否允许终端接入，通俗地说就是基站决定让谁上网不让谁上网的问题，所以采取的是单向鉴别的结构，无线接入点（即大家熟悉的无线路由器）对终端进行鉴别，而终端却并不对接入点进行上行鉴别。这也是电信业百年以来的惯性使然，当然有其历史的局限性。

这种架构的工作原理是：接入点确定并向合法终端分发了共享密钥，终端和接入点用共享密钥进行鉴别和保密通信，但终端无法判断接入点是否合法，这就为钓鱼和中间人攻击提供了机会。

2015年和2016年两届央视315晚会的Wi-Fi安全警示说的就是这种危险，黑客设置钓鱼接入点，诱导您用手机登录，然后就获取了您手机里的个人隐私。

当时的研发人员忽视了这种危险，也就没有进行针对性的安全设计，大家当然不能跨越时空去谴责前人，但这个架构性的安全隐患是客观存在的。

随着时间推移，无线接入点的应用越来越普及，Wi-Fi的安全问题也就随之愈加突出，Wi-Fi联盟被迫采用了新的安全机制，用WPA和WPA2代替了WEP，采用802.1x来实现无线局域网的鉴别和访问控制。虽然有所发展，但其安全架构实质还是二元鉴别架构，危险模式并没有得到解除。

这种模式简单说就是增加了一个实体性的鉴别服务器，但与接入点绑定在一起的，默认两者相互是可信的，形成了相对于终端的网络端，这在形式上实现了终端和网络端之间的双向鉴别，安全性比以前得到了提高。

但新结构有个重要问题，那就是无线接入点还是没有独立身份，它与鉴别服务器之间的通信是透明传送，接入点只是帮助终端和鉴别服务器之间形成了双向鉴别，而终端与接入点之间却并没有形成双向鉴别，面临的钓鱼和中间人攻击风险依然存在，系统维护和管理的代价更高。由于依赖于接入点和鉴别服务器的“强绑定”，在接入点和鉴别服务器之间也因此引入了新的攻击点。

而被美国使用各种流氓手段强力抵制多年的中国人发明的WAPI协议，在设计之初就提出了与Wi-Fi完全不同的三元对等安全架构,并精细地设计了传递协议，它没有这个历史包袱。

在这里多说一句，大家一般会把采用WAPI安全机制的无线局域网称为WAPI网络，而把采用IEEE 802.11i安全机制的无线局域网称为Wi-Fi网络。

三元架构的鉴别相当于多了个公证人，他把双方的与众不同的体貌特征做成数字签名，然后分别核实，这就不会误认了，很明显三元架构比二元架构更安全。

这种三元架构采取了五步鉴别的模式，具体过程是这样的：第一步接入点向终端发消息“鉴证身份开始”，第二步终端发消息回答接入点“这是我的身份信息，请鉴别，并请给我看第三方对你的鉴别身份鉴别结果”，第三步接入点向鉴别服务器发消息“这是我和终端的身份信息，请鉴别并反馈结果”，第四步鉴别服务器给接入点发消息“这是对你和终端的身份鉴别结果”，此时接入点就知道了终端身份是否通过了鉴别，第五步接入点给终端发消息“这是我的身份鉴别结果”，此时终端就知道了接入点身份是否通过了鉴别。

这五步信息的传递设计首先要考虑它是通信协议系统的分系统，要与通信协议协同。另一方面，它运用公钥密码学原理，还包括集成数字证书技术，以提升终端和接入点双方身份的真实性。

那什么又是数字证书呢？数字证书跟大家常见的用户名和密码完全不是一回事，用户名和密码的体制非常不安全，你不小心的泄露就可能被坏人所利用。

而你在访问银行网站时，会在浏览器上看到一个小挂锁的标志，点击开来就会发现是一个数字证书，WAPI采用这种银行级别鉴别所用的数字证书作为载体，它不仅能保证身份的真实性，还能保证操作的不可抵赖性。

什么是不可抵赖呢？数字证书不仅能帮作为用户的你核实接入点的真实性，还能够确认是对方真实身份在操作，双方都不能抵赖，这就从身份和内容两个方面保证了信息交流的真实性。

不要小瞧这种三元架构中的五步实体鉴别方法，它的学名叫作“TePA三元对等实体鉴别”，曾于2010年6月被国际标准化组织通过成为了国际标准，这是我国在基础性信息安全领域的第一个国际标准，也是全球范围内非对称实体鉴别领域在过去十余年内的唯一技术，它的双向身份鉴别可以彻底解决Wi-Fi一类的先天性二元鉴别漏洞。

当年李总理总理视察宽带无线IP标准工作组时，秘书处将这部标准文本作为礼物送给了他，李总应当即表示要把这个标准摆在自己办公室里。

三、WAPI的应用与使用
WAPI比Wi-Fi更安全，这是先天性的三元架构所决定的，也恰恰是因为它的技术优势而被美国强力阻挠抵制，在全球推广受到了影响。

美国政府在全球范围内强力推广Wi-Fi，并阻挠抵制欧洲和中国的同类技术，等全球市场都被其占领后再放手，竞争者们就难于扭转局面了。

现在公众只知道Wi-Fi，其实当初有多种同类技术，都不比Wi-Fi差，甚至更有技术优势。除了中国的WAPI之外，欧洲的HiperLAN也是一项，无论是服务质量、速率、越区切换、安全保密，HiperLAN都优于Wi-Fi，但它的命运还不如WAPI。

当年HiperLAN就被忽悠到美国控制的标准组织IEEE去搞标准化，搞着搞着美国企业主导的技术方案成了正式标准，HiperLAN技术则活生生地被拖垮了，在2003年IEEE的一份内部文档中指出：战争要一场一场打，WAPI就是下一个（欧洲的HiperLan是上一个）。

向全球推广技术标准，在技术质量过硬的基础上，一要靠政府引导，二要靠产业协同生态建设，美国这两手都很硬。Wi-Fi被集成到当时的英特尔迅驰处理器上，通过CPU的全球垄断就能把Wi-Fi标准推广起来，即便不安全又咋了，话语权在我美国手里。

而中国在推广WAPI标准方面两手都很软，甚至在中美贸易谈判中被当作了“弃卒”。当时是2004年，美国的Wi-Fi立足未稳，被中国的WAPI顶得很难受，美国政府高官纷纷向中方施压，最终我方做出了妥协。