hostapd wpa_supplicant madwifi详细分析（十二）——EAP（RFC3748）及EAP状态机分析（RFC4137）

柔情只为你懂 2022-07-21 00:20 157阅读 0赞

这篇文章分两个部分：EAP（RFC3748）及EAP状态机分析（RFC4137），其中主要内容来自RFC以及网络文章。

一、EAP拓展认证协议

EAP的可拓展性主要表现在它的method可拓展，EAP只是一个载体，传送不同method间的交互。

EAP可用于专用的链接，以及开关电路和有线和无线链路。到目前为止，EAP已经通过连接交换电路或拨号链路使用PPP协议，实施在主机和路由器上。同时也通过使用IEEE802协议，应用在交换机和接入点。在IEEE802有线媒体封装的EAP在IEEE802.1X中得以描述，并且在IEEE无线局域网中封装，由IEEE802.11i描述。

EAP架构的优势之一就是它的灵活性。EAP是用来选择一个专门的认证机制，通常是在验证请求需要更多的信息来确认专门的认证方法被使用，而不是需要验证者需要更新来支持每个新的验证方法，EAP允许使用后台认证服务器，他可以实现一些或所有认证方法，当认证者为部分或所有的方法和对等体作为一个传递。

EAP通常直接运行在数据链路层，利于ppp协议或者IEEE802，不需要IP地址。EAP提供了它自己支持的重复性淘汰和转发，但是在较低层排序保证自力更生。EAP本身不支持碎片，然而单独的EAP方法可能支持这个。1. 关于EAP的一些基本概念

·Authenticator（验证者）：简单点说，Authenticator就是响应认证请求的实体（Entity）。对无线网络来说，Authenticator往往是AP。

·Supplicant（验证申请者①）发起验证请求的实体。对于无线网络来说，Supplicant就是智能手机。

·BAS（Backend Authentication Server，后端认证服务器）：某些情况下（例如企业级应用）Authenticator并不真正处理身份验证，它仅仅将验证请求发给后台认证服务器去处理。正是这种架构设计拓展了EAP的适用范围。  
·AAA（Authentication、Authorization and Accounting，认证、授权和计费）：另外一种基于EAP的协议。实现它的实体属于BAS的一种具体形式，AAA包括常用的RADIUS服务器等。在RFC3748中，AAA和BAS的概念可互相替代。  
·EAP Server：表示真正处理身份验证的实体。如果没有BAS，则EAP Server功能就在Authenticator中，否则该功能由BAS实现。

下图是EAP认证的架构：

![20160728143032685][]

由图可知，EAP没有强制定义位于最底层（Lower Layer，LL）的传输层。目前支持EAP协议的网络有PPP、有线网（EAPOL，也就是802.1X协议）、无线网络（即802.11 WLAN）、TCP、UDP等。另外，由于EAP报文是由LL层进行封装的，LL可能是EAPOL或直接驱动转发，LL本身的特性（例如以太网和无线网都支持数据重排及分片的特性）会影响其上一层EAP的具体实现。

·EAP Layer用于收发数据，同时处理数据重传及重复（Duplicate）包。  
·EAP Supplicant/Authenticator Layer根据收到EAP数据包中Type字段（见下文介绍）的不同，将其转给不同的EAP Method处理。  
·EAP Method属于具体的身份验证算法层。不同的身份验证方法有不同的MethodType。

通过IEEE802压缩EAP被定义在IEEE802.1X。在IEEE802封装的EAP不包含PPP,IEEE802.1X不包含对链路的支持，或网络层的协商。因此，在IEEE802.1X中，不可能通过非EAP的认证方法，例如PAP或CHAP。

2.EAP认证交换过程如下：

![20160728141626039][]

\[1\] 认证器（Authenticator）发送了一个请求来认证对等端（supplicant/peer）。这个请求有一个类型字段来指出什么正在被请求。请求的例子包括身份、MD5的挑战等。MD5挑战的类型与CHAP认证协议对应密切。通常情况下，认证器将发送一个最初的身份认证请求，然而，一个最初的身份请求是不需要的，可能被掠过。例如，在对等端已经确定连接到端口时，或身份被另外的方式获得时，身份就不需要了。

\[2\] 对等端发送一个回应包来回复合法的请求。和请求包一样，回应包包含了一个类型字段，与请求的类型字段相对应。

\[3\] 认证器返送一个附加的请求包，对等体回复一个数据包。请求和回复的序列继续和需要的一样长。EAP是一个锁步协议，因此除了初始请求外，一个新的请求不能够在收到有效相应之前被提前发送。认证器像对重传请求包有责任。经过适当数量的转发后，认证器应该结束EAP谈话，认证器不能够发送成功或者失败数据包，当重传或它没有从对等端收到回应。

\[4\] 通信继续知道认证器不能认证对等端，在这种情况下，必须发送一个EAP失败。或者，认证谈话继续直到认证成功认证，在这种情况下，认证器必须发送一个EAP成功。

图中第三和第四步时，Authenticator要求使用MD5质询法进行身份验证，但Supplicant不支持，故其回复NAK消息，并通知Authenticator使用GTC方法进行身份验证。第六步中，如果Supplicant回复了错误的GTC密码时，Authenticator可能会重新发送Request消息以允许Supplicant重新尝试身份验证。一般认证失败超过3次才会回复Failure消息。

3. EAP报文格式

![20160728144014722][]

（1）Code：代码字段是一个字节，鉴定EAP数据包的类型。EAP代码被下列指派：1--请求 2--回应 3--成功 4--失败

由于EAP仅仅定义了代码1-4，EAP数据包其他的代码被认证器和对等端默默的丢弃。

（2）Identifier：消息编号（ID），用于配对Request和Response

（3）Length：2字节，用于表示EAP消息包长度（包括EAP头和数据的长度）。长度字段是两个字节，显示了长度，字节数，EAP数据包包含代码，标识符，长度和数据字段。字节外的长度字段范围应该被当作数据链路层填料，一旦接受必须被忽略。带有长度字段的消息的字节数大于接收到的字节数是，必须被默默的丢弃。

（3）Type：就是EAP Method Type。EAP Method Type取值如下。  
1：代表Identity。用于Request消息中。其Type Data字段一般将携带申请者的一些信息。一般简写为EAP-Request/Identity或者Request/Identity。  
2：代表Notification。Authenticator用它传递一些消息（例如密码已过期、账号被锁等）给Supplicant。一般简写为Request/Notification。  
3：代表Nak，仅用于Response帧，表示否定确认。例如Authenticator用了Supplicant不支持的验证类型发起请求，Supplicant可利用Response/Nak消息以告知Authenticator其支持的验证类型。

4：代表身份验证方法中的MD5质询法。Authenticator将发送一段随机的明文给Supplicant。Supplicant收到该明文后，将其和密码一起做MD5计算得到结果A，然后将  
结果A返回给Authenticator。Authenticator再根据正确密码和MD5质询文做MD5计算得到结果B。A和B一比较就知道Supplicant使用的密码是否正确。  
5：代表身份验证方法为OTP（One Time Password，一次性密码）。这是目前最安全的身份验证机制。相信网购过的读者都用过它，例如网银付费时系统会通过短信发送一  
个密码，这就是OTP。  
6：代表身份验证方法为GTC（Generic Token Card，通用令牌卡）。GTC和OTP类似，只不过GTC往往对应一个实际的设备，例如许多国内银行都会给申请网银的用户一  
个动态口令牌。它就是GTC。  
254：代表扩展验证方法（Expanded Types）。

255：代表其他试验性用途（Experimental Use）。

（4）Data：EAP中具体的数据（Payload）。当Code为Request或Response的时候，Data字段还可细分为Type以及Type Data。

4. 关于EAP加密的安全性分析请参数RFC3748，这里就不相信描述了。

二、EAP状态机分析

wpa\_supplicant/hostapd程序里面的核心部分，应该要算它的状态机了，前面分析了WPS的实现过程，但是在看代码的时候，不管是加密部分还是WSC部分，都绕不过它的状态机，它就像路上的一块石头，如果不搬开它，很难继续往下走。下面是wpa\_supplicant 模块结构图，红线部分是状态机模块，它就像一个桥架在那里，如果左边进来的的数据想要到右边去实现加密或者解密，就必须经过这座桥，而且这座桥有三条道，不幸的是，这三条道并不是直线的，这是一条立交桥，三条道是交织在一起的，他们相互关联，相互串通，相互协作。

![20160711085625176][]

这篇文章先分析EAP状态机，更加详细的描述都在RFC4137里面，个人建议查询资料尽量去找官方文档，经过别人整理的东西有可能出错，而且像博客、个人笔记这种文章更容易不负责任的出错，知识总结是给自己的，标准才是给大家的。

根据RFC4317的定义，对应supplicant来说，其实它的EAP加密过程是分层的，一些包需要通过触发event loop 来启动EAPOL SM，而一些包则可以直接触发EAPOL SM，下面这个图就是一些包经过driver i/f直接转给EAPOL SM的处理过程。supplicant SM分三层，最底层是LowerLayer（LL），在wpa\_supplicant中其实就是EAPOL层，这一层的作用是接收和发送EAP包。位于中间的SUPP SM层实现了Supplican状态机。最上层是EAP Method（EM）层，它实现了具体的EAP方法。

![20160728100553508][]

SUPP SM将接收到的数据一步一步往上传，要发送的数据一步一步往下走。一个最典型的交互例子就是LL收到EAP数据包后，将该数据包交给EAP层去处理。如果该EAP包需要EM层处理（例如具体的验证算法需要EM完成），则SUPP SM层将该包交给EM。EM处理完的结果将由EAP转交给LL去发送。

需要说明的是，虽然在wpa\_supplicant中有对EAP的加密方法进行分层，但是他们都是工作在链路层的。

EAPOL层和EAP层的交互比较简单，主要包括三个步骤。  
1）EAPOL层收到EAP数据包后，将其保存在eapReqData变量中，然后设置eapReq变量为TRUE。这个变量的改变对EAP层来说是一个触发信号（signal）。EAP可能  
会发生状态转换。  
2）EAP层从eapReqData中取出数据后进行处理。如果有需要回复的数据，则设置eapResp值为TRUE，否则设置eapNoResp值为TRUE。回复数据存储在eapRespData  
中。EAPOL层将发送此回复包。  
3）如果EAP完成身份验证后，它将设置eapSuccess或eapFailure变量以告知EAPOL层其验证结果。eapSuccess为TRUE，表明验证成功。eapFailure为TRUE，则验证失  
败。

这篇文章主要对EAP层进行分析，EAP METHODs不分析，这个只要在具体应用的时候再看就好了，毕竟eap methods 太多了，不同的场合有用不同的method。后面将会用新的文章分析EAPOL层。

下面是wpa\_supplicant EAP层的状态机转移图：

1. 状态机图中每一个状态都是由一个方框来表示的，上面用大写的部分表示当前的状态，而下面绿色的部分表示进入这个状态后将会执行的伪代码。箭头上的数据表示条件，UTC表示无条件转移（unconditional transition）

下面就是EAP Peer State Machine，也就是peer的EAP状态转移图，peer可以看作是前面文章中的Enrollee或者supplicant，当然还有EAP Stand-Alone Authenticator State Machine和EAP Backend Authenticator State Machine，分析这些图表大同小异，这里就只分析peer的状态机转移。

![20160712211016095][]

当lower layer（LL链路层）需要将消息传递给EAP peer状态机的时候，它会将数据存放在eapReqData结构体中，同时将eapReq设为TURE。值得注意的是，eapReq设为TURE并不代表接收到的一定是Request消息，它有可能收到的是Success消息或者Failure消息，尽管这个变量这样命名，实际上LL层并没有检查EAP包中的内容。

当EAP peer状态机处理完成接收到的消息后，它就会根据实际情况设置eapResp or eapNoResp位。如果eapResp置1，那么对应的response包就会存在eapRespData结构体中，那么LL层就会给对方传送这个消息。如果EAP peer状态机完成了认证，它就会将eapSuccess or eapFailure置1，用来告诉LL层认证成功或者失败。

一些重要的结构体及变量：

1.EAPOL层传给EAP状态机的变量(Lower Layer to Peer)

eapReq (boolean)：由LL层设为TURE，或者由Peer state machine设为FALSE，用来表明LL层是否有请求到达

eapReqData (EAP packet)：当eapReq设为TURE的时候，会将请求包中的内容存放在这个结构体中

portEnabled (boolean)：置为1的时候表示EAP peer state machine已经准备好了通信，如果EAP对话由LL层触发开始，这个值就会设为TURE。如果在对话过程中，端口或session不再可用，那么portEnabled就会设为FALSE，同时状态机也会切换成DISABLED状态。为了避免不必要的重置，当LL层能够确信只是暂时的关闭而且马上能够恢复的情况下，LL层可能不会设断开标志(see \[RFC3748\],Section 7.12)。在这种情况下，portEnabled的值可能和LL层的link up标识并不一直保持相等。

idleWhile (integer)：它是一个外部计时器，用来表示peer状态机在等待一个请求时剩余的超时时间。

eapRestart (boolean)：表示LL层可能要重启认证过程

altAccept (boolean)：

altReject (boolean)：

这两个变量取名为lowerLayerSuccess和lowerLayerFailure更合适，它们用于通知LL层Success或Failure信息。  
·当supplicant收到Disassociate帧或者Deauthenticate帧时，表示lowerLayerFailure。  
·当收到4-Way Handshake第一个Message时(WPA KEY handshake)，表示lowerLayerSuccess。

这两个变量是EAPOL状态机传给EAP状态机的，用来确认EAPOL和EAP层都成功时，表示成功，只要其中有一个失败，就表示失败。

2.EAP传给EAPOL层的变量(peer to lower layer)

eapResp (boolean)：在peer state machine中置为TURE，在LL层中置为FALSE。这个值用来表示将要发送一个response包

eapNoResp (boolean)：在peer state machine中置为TURE，在LL层中置为FALSE。表示请求已经被处理，但是没有EAP response包要发送

eapSuccess (boolean):在peer state machine中置为TURE，在LL层中置为FALSE。表示peer进入SUCCESS状态

eapFail (boolean)：在peer state machine中置为TURE，在LL层中置为FALSE。表示peer进入FAILURE状态

eapRespData (EAP packet)：当eapResp为TURE时，它指向response数据

eapKeyData (EAP key)：当key相关的数据可用时，会在peer state machine中的METHOD状态设置这个值。RFC4137里面没有定义“EAP key”结构体，但是定义在【Keying】里面

eapKeyAvailable (boolean)：在SUCCESS状态时设置，如果key相关的属性可用，则会设为TURE，相关的数据存放在eapKeyData里面

ClientTimeout (integer):表示EAP request消息的超时时间，它和idleWhile相对应，ClientTimeout表示固定的总时间，idleWhile表示还剩多少时间

3. EAP层和EAP METHODS层之间的交互变量

下图来自《深入理解Android：WiFi模块 NFC和GPS卷》

![20160728103543863][]

![20160728103717505][]

注意，methodState和decision的值由具体的认证方法（即Method）来确定。对EAP SUPP SM来说，methodState和decision的取值情况才是最重要的，因为它  
们会直接影响EAP的状态切换。

4. EAP层，Peer State Machine本地变量

（1）长久型变量（在数据包之间维护）

selectMethod(EAP Type): 在GET\_METHOD状态中设置，表示peer在当前处理过程中所选的方法

methodState（枚举类型）：同上

lastID（整型）：0-255或空，在SEND\_RESPONSE状态中设置，表示上一次EAP包的标记（identifier）

lastRespData（EAP 包）：在SEND\_RESPONSE状态中设置，表示上一次发送的EAP Packet

decision（枚举类型）：同上表

（2）短暂型变量（一次用完后将不再维护）

rxReq(bool):表示当前接收的EAP包类型为EAP Request包

rxSuccess(bool):表示当前接收的EAP包类型为EAP Success包

rxFailure（bool）：表示当前接收的EAP包类型为EAP Fail包

reqID（int）：表示当前EAP请求的ID

reqMethod（EAP type）：表示当前EAP请求包的认证方法（EAP METHOD）

ignore（bool）：在Method状态设置，表示是否丢弃当前EAP包

5. EAP层，Peer State Machine相关函数

下图来自《深入理解Android：WiFi模块 NFC和GPS卷》

![20160728110355392][]

6. EAP层，Peer State Machine的相关状态

下图来自《深入理解Android：WiFi模块 NFC和GPS卷》

![20160728110605658][]

这里分析的wpa\_supplicant的EAP状态机，关于hostapd的部分可以自己查阅RFC4137，其实都是大同小异。

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[20160728144014722]: /images/20220720/ae83cacf67fe4074b1af723836886853.png
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