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国际标准战争的技术真相

发布时间:2016-11-30 16:01浏览次数:100Tags:科技杂谈

【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。

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中国通信行业第一自媒体

本文作者:奥卡姆剃刀

作者微博:@奥卡姆剃刀

杂谈投稿邮箱:631255063@qq.com

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。

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(应用软件)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。

分层还有一个好处,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,那危险系数就大大增加了。

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。

例如厨师蒸馒头,在整个生产过程中有不同层次的安全生产标准和规范,收割的小麦先清除杂物,然后要脱壳……每一道工序都必须满足安全标准,厨子才能拿到安全卫生的面粉去蒸馒头。面没发好碱放多了导致馒头又粘又黄,这是厨子的责任,但你不能指望他去分辨面粉的来源是杂交小麦还是转基因小麦,这不是他这层工作的职责,而且他也没有这个能力。

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软件公司和提供网盘服务的公司,毕竟这些公司工作在与用户直接打交道的应用层,所以会被广泛知晓。

其实还有很多安全公司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,那就超出了防病毒软件公司的工作层面,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持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,国内的互联网安全公司对此高度重视,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(即我们熟悉的无线路由器)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,我们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。

看到这里你有点懵,上面的描述太专业了,外行网友很难抓住重点。那不妨举个例子吧,二元架构的鉴别好比是两个陌生人见面,学生拿着录取通知书去大学报道,出了火车站就见到了举着大学招牌的接站人。学生不能确认招牌下的接站人是真的,接站人也不能确认学生就是录取通知书上的那个人,通知书和招牌就好比是共享密钥,这种身份鉴别模式并不安全。

我有个同事就在接站人身份鉴别方面上了当,他出站后遇到了举着他姓名牌的接站人,于是就放心地把行李交给了此人,结果三拐两拐就跟丢了。原来是骗子伪造了真接站人的牌子,走到更里面等鱼上钩,结果就把我同事给钓上了。

看到这里你一定会问,你这个国内土鳖技术人员都能看出二元架构的问题,难道Wi-Fi联盟的专家们就不懂吗?这些专家们现在当然明白了,但“二元架构”这条技术路线在Wi-Fi设计之初就确定了,无论如何修改,都不能够颠覆这个最初设计,必须要做到向后兼容,不能改得以前的设备都不能用了,这是没办法的事。另一方面,20年前对安全技术认识的局限性也是客观存在的。

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,我们一般会把采用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。

具体说来,这种三元架构是通过引入第三方的方式,实现了终端和接入点之间的直接双向鉴别,钓鱼和中间人攻击无法实施,从结构根源上防止欺诈性的攻击。

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?数字证书跟我们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。

当年李克强总理视察宽带无线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,李总理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。

技术标准的先发优势非常重要,一旦被推广起来,即使发现了严重问题,但行业已经被它绑架,也就很难改弦更张了。

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。

中方在WAPI方面的退让,换来美国在中国出口纺织品和反倾销等方面的让步。国际商贸活动讨价还价有得有失,这本是很正常的事,而且这场交易看起来还是中国得了现利。但作为一名通信专业人士,我从狭隘的专业视角来看,具有后续巨大影响力的国际电信标准是“车”,纺织品出口才是“卒”,“舍卒保车”的策略是对的,但卒和车却搞反了。

在最关键的初期博弈中,中国的WAPI让了一手棋,客观上令美国的Wi-Fi得以推广壮大,您瞧瞧后续的全球经济利益有多大?其先天性安全隐患造就的网络安全损失又有多大?难怪曾经有人说WAPI是中国标准和信息安全两大战略的试金石?哎~。

另外一手软是那时国内建立产业协同生态很困难,,这似乎与今天华为主导的Polar码被3GPP认可一事形成了鲜明的对比。在我看来,华为争得技术标准当然是件好事,但并不令人惊讶,甚至认为这是顺理成章的。

华为是全球第一大电信设备商,其科研投入在同类企业中遥遥领先,在各种国际电信组织中都有话语权。全球四大电信设备商中华为第一中兴第四,这两家中国企业占居了全球近一半的电信设备市场。中兴在这场5G技术标准争夺战力挺华为,两大国际电信巨头合力取胜是很正常的事。

对比Polar码和WAPI这两项中国人争取的技术标准,两者技术性质略有不同。前面提到的ISO七层有些复杂,网络界更习惯使用TCP/IP的四层参考模型,在这四层模型中Polar码和WAPI协议均工作于最底层。简单来说,Polar码底层技术应用创新,而WAPI是底层技术原始创新。

在业内通常认为底层的发明更加重要,上层的发明是“基于网络的发明”,而底层的发明则是“发明网络的本身”。好比是房屋的建筑与装修,用PVC管替代铸铁管是很好的发明,用塑钢窗户替代木窗也是很好的发明,但都不如用钢筋水泥结构替代砖石结构更重要,因为后者是底层的发明,底层发明是深刻影响全系统的关键因素。

如果我问您一个问题:新输入法和Polar码哪个发明更重要?即使您是纯外行,想必也能意识到Polar码更重要,因为Polar比输入法更底层更本源,它所承载的业务及影响力更大得多。

WAPI和Polar码均属底层,但WAPI受到的国民待遇却与Polar码大相径庭,Polar码得到的是一片赞声,WAPI得到的是一片奚落。这是为什么呢?我理解的原因是十多年前国民还没有自信,骨子里瞧不上中国的创新技术。

99.9%为Polar码喝彩的国民对这种码一无所知,并不知道其核心的信道极化理论是什么,只是看意见领袖们说好,也就跟风表达自豪。99.9%嘲讽WAPI的国民对其核心的三元对等架构更是一窍不通,也只是跟着崇洋媚外的媒体人一起奚落。

发明WAPI的公司叫作西电捷通,是由西安电子科技大学的国家重点实验室的班底搞起来,虽然有600多项发明专利和争取成了多项国际技术标准,得到过世界知识产权组织和国家知识产权局的金奖,但毕竟只是个百十人的小公司,尽管早在10多年前就干了与今天Polar码同样重要的事情,但无论在10多年前和今天,都难以与华为的影响力相比,这是客观现实。

争取国际标准重要,推广已经被授权的国际标准更重要,否则,WAPI多年年艰辛标准推进和专利申请,仅是在美专利申请这事就成为中美商贸联委会的4届总理议题,这些也就变得没有意义,WAPI早已是妥妥的国际标准,推广使用顺理成章天经地义。

说到WAPI的推广,总有些网友调侃WAPI折腾了十年都没有应用起来,这是一个常见的误解。WAPI核心技术作为国际标准化组织通过的国际标准,早已内置在全球范围内的所有无线局域网芯片中,就已经做到了无线接入领域内的普遍应用。好比是安全带已作为汽车的标准配置,都装到了汽车里,也就是行业内普遍应用了,但驾驶员系不系安全带的问题,那是个人的使用问题,更是公共安全秩序管理者需要去促进解决的,而不是安全带发明者有能力去解决的问题,你非得让发明种子的科学家去蒸馒头,这也不是他擅长的,专业领域是有分工的。

再比如说手机都内置了GPS芯片,提供了普遍使用的技术条件,这就可以说GPS在手机上已经全面应用,WAPI的全面应用也是同理,包括苹果所有手机里都内置着WAPI,区别只在于用户使用率的高低。

WAPI虽然已经普遍应用,但用户使用率较低,除了Wi-Fi影响力高等外部原因,其部署使用也有挑战,核心问题就是为了安全而采用了证书,证书发放过程有些麻烦,有些专业,担心小白用户搞不定。好在该使用环节现在已经有了改进,首次发布时需要配置,但以后再使用时就会自动处理了,跟其带来的安全性好处相比,这一点麻烦就显得微不足道。

出于信息安全的考虑,军队等很多行业的无线接入网就禁止使用Wi-Fi,这对于WAPI也是一个机会。

有网友担心使用成本会增加,其实这根本无需担心,WAPI尽管是个复杂的安全协议,但协议已在芯片设备软硬件内嵌入,它早已经内置到你手机里了。这就好比是手机内原生的基本功能,你不用时它就在手机里驻留着,当你使用它时也不会多花你一分钱,而只会给你带来益处。

我为什么关注WAPI?不仅仅因为它是国产的国际标准,更关键的它是构成网络本身的底层技术研发。

这种计算机网络基础技术架构层面的国际标准,中国经历过标准与产业推动的目前只有这一个,如何持续的发展产业和使用部署,国家也没有经验,政府使用行政权力强制推广担心不妥,但政府若不加强引导,只靠势单力薄的国内产业去跟美国政府及其产业巨头硬扛,这肯定也不行。

中国科技发展迅速,现在已经从上层的技术创新,逐渐下潜到底层的网络架构,这是从网络应用到定义网络的重大变化,随之面临的国际竞争和外国反弹会更加剧烈。

如何迈过这个坎?我不知道,但知道这个坎必须得迈过,否则就只能在他人定义的规则下去竞争。争取底层架构的主导权是一件事关国运的大事,不指望每个人都支持,但每个人都应该了解。

最后,感谢各位网友对《网络安全协议的国家战争》的讨论,话不说不透,理不辨不明,说不清的说明不真懂,真懂的一定能说清,技术问题是完全可以辨析清楚的。此文继续放弃版权,欢迎转载和讨论。

参考链接:

1. N14123 Text for NP ballot, Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part XX: Alternative security mechanism for use with ISO/IEC 8802-11

2.N12976_National_Body_of_China_s_Technical_Comparison_between_WAPI_and_IEEE_80211i

ISO网站链接:http://isotc.iso.org/livelink/livelink?func=ll&objid=8918459&objaction=ndocslist

在“Document title: ”栏输入上述两个文件的名称关键词即可。这两个文件都不需要密码,任何人都可以下载。

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