Corso di Laurea Magistrale in Informatica Corso di

Corso di Laurea Magistrale in Informatica Corso di Reti di Calcolatori Prof. G. Russo Modulo Reti Wireless

SOMMARIO l Introduzione l Protocolli 802. 11 l Aspetti legati alla Sicurezza nel wireless l Structured Wireless-Aware Network di Cisco -2 -

Introduzione Wireless (“senza filo”) le informazioni vengono trasmesse “via etere”. Classificazione delle reti wireless in base all’area di copertura l l l PAN (anche BAN) LAN (in-building tethered e non tethered) ambiente di campus MAN WAN Classificazione delle reti wireless in base alla tecnologia utilizzata l l l Powerline Ottica (IR in 3 modi: punto-punto, semidiffusione, diffusione totale) RF (banda ISM) Cellulare Microonde Satellitare (geosincroni, big. LEO, little LEO) -3 -

Introduzione WLAN = Wireless LAN in contrapposizione a wired LAN Le tre principali problematiche insite nel modello delle wired LAN l l l Costi Limitazioni sulle distanze coperte dal cablaggio Impossibilità di implementare la mobilità delle postazioni utenti vengono affrontate e risolte nelle Wireless LAN Con le WLAN cambia il mezzo fisico, si usano le onde radio nelle bande libere (non occorrono licenze) definite ISM (2. 4 GHz o 5 GHz) e la modalità di accesso al mezzo CSMA/CA. La maggiore preoccupazione deriva dal fatto che la trasmissione via etere è a tutti gli effetti una trasmissione broadcast -4 -

Standard IEEE 802 La standardizzazione delle LAN wired in abito Ethernet è stata affidata al gruppo di lavoro 3 del comitato 802 di IEEE (IEEE 802. 3) La standardizzazione delle WLAN è stata affidata al gruppo di lavoro 11 del comitato 802 di IEEE (IEEE 802. 11), che ha regolamentato sostanzialmente le modifiche relative al nuovo mezzo fisico e alla differente modalità di controllo di accesso al mezzo stesso. La nuova standardizzazione rispetto al caso Ethernet impone variazioni nella struttura delle informazioni che vengono trasmessi in rete, quindi un nuovo formato per le Frame. -5 -

Standard IEEE 802 Frame Ethernet IEEE 802. 3 (wired) Il campo SA contiene il MAC Address del Mittente della Frame Il campo DA contiene il MAC Address del Destinatario della Frame Il campo DU contiene i “dati” veri e propri della trasmissione -6 -

Standard IEEE 802 Frame Wireless IEEE 802. 11 b (wireless) Non sono più sufficienti due soli indirizzi per tracciare le trasmissioni di informazioni: per la possibile presenza di particolari nodi intermedi nella rete, sono previsti fino a 4 campi di indirizzo (A 1, …, A 4) contenenti sempre un MAC Address che può essere dell’Acces Point (AP), del Mittente della Frame (TA), del primo ricevente nella rete WLAN (RA), del trasmittente nella rete WLAN (SA) oppure del Destinatario della Frame (DA) Il campo FB contiene i “dati” veri e propri della trasmissione -7 -

CSMA/CA Nelle reti wireless il canale trasmissivo è condiviso e la qualità del canale risulta asimmetrica per le stazioni in rete: non tutti possono rilevare le collisioni allo stesso modo a causa dei diversi valori di SNR e dell’interferenza. Non risulta agevole il Carrier Sense (problema del terminale nascosto). Più difficile è il Collision Detection, si ricorre al metodo del Collision Avoidance usando, dopo il tempo di backoff, un protocollo RTS/CTS, in cui le parti dichiarano di essere pronte alla comunicazione e quanto tempo durerà la stessa (Carrier Sense virtuale). Le controindicazioni al protocollo di tipo RTS/CTS sono l l l’overhead per pacchetti piccoli non è applicabile a trasmissioni multicast e broadcast AP 1 -8 - 2

Protocolli IEEE 802. 11 b Dopo la ratifica dell’IEEE 802. 11 che operava con velocità massima di 2 Mbps si rese necessario un incremento della velocità di trasmissione. Alla fine del 1999 viene emanato IEEE 802. 11 b che opera nella banda dei 2. 4 GHz e raggiunge 11 Mbps grazie alla modulazione del segnale di tipo Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) che permette di avere 11 canali di trasmissione effettivi, di cui 3 non sovrapponibili (1, 6 e 11), quindi immuni da interferenze. -9 -

Protocolli IEEE 802. 11 b L’estensione dell’area di copertura risulta discreta, dell’ordine di 100 m, varia in ragione inversa delle velocità di trasmissione. La velocità di trasmissione viene scelta sulla base della qualità del canale usato essendo regolata in discesa al migliorare del livello di qualità. Se in una cella, una postazione si connette alla velocità più bassa, anche le altre postazioni saranno “forzate” ad operare a quella stessa velocità, anche se più vicine all’AP e quindi capaci di dialogare a velocità più elevata. - 10 -

Protocolli IEEE 802. 11 a Essendo richieste velocità di trasmissione sempre maggiori, soprattutto per soddisfare esigenze di streaming audio/video, venne emanato IEEE 802. 11 a che raggiunge 54 Mbps operando nella banda dei 5 GHz con una nuova modulazione del segnale di tipo Orthogonal Frequncy Division Multiplexing (OFDM) che permette di avere 12 canali di trasmissione non sovrapponibili. La banda dei 5 GHz in Europa è impegnata da comunicazioni satellitari e militari, per cui qui vengono introdotti due ulteriori accorgimenti il Dynamic Frequency Selection (DFS) ed il Transmit Power Control (TPC) L’estensione dell’area di copertura risulta circa la metà rispetto a quella dell’IEEE 802. 11 b e valgono le stesse considerazioni sulla variazione della velocità di trasmissione con la distanza. Se da un lato ciò comporta costi maggiori a parità di copertura, ha il vantaggio di avere una banda maggiore per tutte postazioni in rete essendo la velocità di trasmissione nettamente superiore. - 11 -

Protocolli IEEE 802. 11 g Visti i problemi legati al precedente standard, nel 2003 venne emanato IEEE 802. 11 g che raggiunge 54 Mbps operando nella banda dei 2. 4 GHz, con la stessa modulazione di segnale dell’IEEE 802. 11 a (OFDM). L’estensione dell’area di copertura risulta inferiore rispetto a quella dell’IEEE 802. 11 b ma superiore a quella dell’IEEE 802. 11 a. Uno dei punti di forza di questo standard è la compatibilità con IEEE 802. 11 b. IEEE 802. 11 n Nel 2006 è stato emanato IEEE 802. 11 n che raggiunge e supera i 100 Mbps. - 12 -

Vantaggi del Wireless l l l Costi ridotti Meno problemi legati alle distanze (impiego di più AP o wireless relaying) Mobilità delle postazioni della rete - 13 -

Modalità operative delle WLAN Modalità ad hoc (o peer to peer) I computer possono comunicare direttamente l’uno con l’altro solo grazie alla propria interfaccia di rete wireless - 14 -

Modalità operative delle WLAN Modalità AP (o infrastructure) La comunicazione in rete avviene grazie ad Access Point (AP) hardware o software che sono parte integrante della rete WLAN, e per mezzo delle interfacce di rete wireless installate e configurate su ciascuna postazione in modo da comunicare con specifici AP per collegarsi a specifiche WLAN - 15 -

Modalità operative delle WLAN: considerazioni Modalità ad hoc l l Semplice da configurare È semplice aggiungere nuove postazioni Non è possibile alcuna gestione centralizzata Ideale per piccole reti Modalità AP l l Più complessa da configurare Richiede AP hardware o software nel progetto della rete È possibile la gestione centralizzata (a vantaggio anche della sicurezza) Ideale per reti più grandi - 16 -

Aspetti critici nella progettazione di WLAN Trasmissione e ricezione dei segnali l l Attenuazione legata alla propagazione, all’interconnessione con l’antenna, alle condizioni climatiche e all’assorbimento atmosferico Distorsione da multipath, rifrazione e canalizzazione atmosferica Curvatura terrestre e Zone di Fresnel Interferenze RF (trasmittenti radio, armoniche superiori) Impegno di banda da parte delle applicazioni Strutture fisiche in cui installare le WLAN (path fading e/o perdita di potenza) Sicurezza Management della rete (tools per reti wired non sempre adatti per reti wireless) - 17 -

Sicurezza: Wireless Equivalent Privacy (WEP) Esistono due implementazioni che si differenziano solo per la lunghezza della chiave crittografica (WEP Key) condivisa tra le parti: Standard (con WEP Key a 40 bit) ed Extended (con WEP Key a 104 bit) Il processo di cifratura l l suddivide il messaggio in blocchi di lunghezza fissa (M), di cui ne calcola il CRC a 32 bit (c(M)) che concatena al blocco stesso ottenendo il Plaintext (P = M U c(M)) sceglie casualmente un vettore di inizializzazione (IV) a 24 bit e lo concatena alla WEP Key (K) ed applica l’algoritmo RC 4 al concatenamento ottenendo il Key. Stream (KS = RC 4(IV U K)) esegue l’operazione di XOR tra il Plain. Text (P) ed il Key. Stream (KS) ottenendo il testo cifrato (C) detto Chipher. Text (C = P KS) trasmette sulla rete il concatenamento di IV e del Chipher. Text C (trasmette IV U C) Il processo di decifratura l l esegue il concatenamento di IV (ricevuto) e della WEP Key K (condivisa) per poi applicare l’algoritmo RC 4 ottenendo il Key. Stream (KS = RC 4(IV U K)) esegue l’operazione di XOR tra il Chipher. Text (C) ed il Key. Stream (KS) ottenendo il testo in chiaro (P) o Plain. Text (P = C KS) - 18 -

Sicurezza: Wi-Fi Protected Access (WPA) Il WEP è un protocollo debole: viene forzato in 15 minuti ! Le debolezze del WEP derivano dalla relativa staticità della chiave condivisa e da un sistema debole o inesistente di autenticazione. Il gruppo di lavoro 11 del comitato 802 ha posto rimedio emanando lo standard IEEE 802. 11 i con il quale propone un nuovo framework più robusto e sicuro per le WLAN. Prima che lo standard fosse completato ed emanato la Wi-Fi Alliance ha cercato di tamponare l’emergenza sicurezza dovuta al WEP introducendo il WPA che implementa in parte lo standard IEEE 802. 11 i: l Miglioramenti nell’integrità dei dati l Chiave a 128 bit per l’algoritmo RC 4 e vettore di inizializzazione a 48 bit l Le chiavi crittografiche vengono cambiate periodicamente (TKIP) l Possibilità di usare il Protocollo di Autenticazione 802. 1 x - 19 -

Sicurezza: IEEE 802. 11 i (WPA 2) Lo standard IEEE 802. 11 i, emanato nel 2004, dopo il WPA, è noto anche con l’acronimo WPA 2 proprio per distinguerlo da WPA 2 pone completamente rimedio alle falle del WEP agendo sui diversi fronti: l Gestione dinamica dello scambio delle chiavi crittografiche mediante Temporal Key Integrity Procol (TKIP) l Miglioramento dell’integrità della comunicazione grazie a Counter mode with CBC-MAC Protocol (CCMP) l Miglioramento della confidenzialità della comunicazione mediante la crittografia Advaced Encription System (AES) l Controllo di accesso alla rete mediante Autenticazione 802. 1 x - 20 -

Autenticazione 802. 1 x L’autenticazione 802. 1 x è una soluzione di livello 2 per gestire l’accesso alla rete, basato sul controllo a livello di porta usando le Port Access Entity (PAE). Sostanzialmente definisce un framework per l’autenticazione che utilizza protocolli esistenti, come EAP e RADIUS, trasformando i messaggi di diversi tipi di autenticazione in appropriati frame. I protocolli di autenticazione che possono essere impiegati sono essenzialmente di due tipi: l l End to End: quando sono coinvolte due macchine collegate virtualmente, ma non fisicamente comunicanti (ad esempio EAP). Point to Point: quando sono coinvolte due macchine direttamente connesse (ad esempio EAPo. L, ma anche, astrattamente RADIUS). Nel framework 802. 1 x vengono definiti 3 attori del processo di autenticazione: Supplicant (PAE) chi desidera accedere ai servizi della rete fornendo le credenziali Authenticator (PAE) chi applica le sicurity policies prima di concedere l’accesso alla rete Authentication Server chi verifica le credenziali di accesso alla rete - 21 -

Extensible Authentication Protocol (EAP) EAP è un protocollo di trasporto di meccanismi generici di autenticazione tra due peer. Da solo non realizza nessuna autenticazione, ma dentro ad EAP possono essere veicolati dei metodi di autenticazione specifici, si hanno così: l l l l EAP-MD 5 LEAP PEAP EAP-MSCHAPv 2 EAP-TLS EAP-TTLS. . . - 22 -

Remote Authentication Dial-In User Service (RADIUS) RADIUS è un protocollo AAA (Authentication, Authorization and Accounting) che si basa su un modello client/server. Anche RADIUS è un protocollo di trasporto di meccanismi di autenticazione, ma può veicolare anche altri contenuti (attributi RADIUS) che servono a scopi specifici. Anche se lo standard 802. 1 x non specifica quale tipo di server di autenticazione deve essere implementato, RADIUS rappresenta lo standard de facto in 802. 1 x, rendendo sicuro il canale tra Authentication Server e Authenticator. - 23 -

Autenticazione 802. 1 x: le fasi Fase 1 Il Supplicant, contenuto nel terminale WN, richiede all’Authenticator, contenuto nell’AP, l’accesso alle risorse della LAN. L’Authenticator richiede al terminale WN le credenziali d’accesso. In questa fase la connessione alla wired LAN tra Supplicant ed Authenticator avviene tramite la uncontrolled port che permette solo traffico EAP Fase 2 L’Authenticator inoltra le credenziali all’Authentication Server attraverso la uncontrolled port usando il protocollo RADIUS. Fase 3 Dopo l’avvenuta autenticazione, l’Authentication Server comunica all’Authenticator di spostare il terminale WN sulla controlled port permettendo l’accesso alle risorse della LAN. - 24 -

Structured Wireless-Aware Network (SWAN) di Cisco SWAN = Structured Wireless-Aware Network è un nuovo framework ideato da Cisco per la progettazione ed implementazione di reti WLAN da integrare in infrastrutture LAN già esistenti. I componenti previsti dal framework sono l Software Cisco IOS l Access Point Cisco Aironet WLAN Schede di rete Cisco Aironet WLAN (o compatibile) Cisco Works WLSE Cisco Wireless Security Suite Cisco Secure ACS Switch e Router Cisco Wireless-aware LAN l l l Il framework è orientato sostanzialmente ad affrontare due problemi chiave nella gestione delle reti WLAN: l l Fast Secure Client Roaming Radio Management - 25 -

WLAN Roaming Lo spostamento di un client wireless da una cella ad un’altra viene detto Roaming, è utile evidenziare che si può avere roaming anche quando un client non si muove fisicamente! Se dopo l’associazione con un nuovo AP il client si troverà nella stessa subnet IP o VLAN si parla di Roaming L 2 (o a livello 2), altrimenti di Roaming L 3 (o a livello 3). Roaming L 2 Dopo l’associazione con un nuovo AP, il client non ha problemi a livello rete (conserva lo stesso IP). Non è lo stesso per il livello MAC: data l’infrastruttura wired, gli apparati devono aggiornare le loro tabelle di lavoro a livello MAC, altrimenti si perde la connettività ethernet. Cisco propone (IAPP = Inter-Access Point Protocol) per l’AP che accetta la nuova associazione di roaming, di l l inviare un pacchetto multicast con il MAC address del client come sorgente, per consentire l’aggiornamento delle tabelle di lavoro a livello MAC degli apparati inviare un messaggio agli altri AP che informa della nuova associazione con il proprio MAC address come sorgente. - 26 -

WLAN Roaming Ogni AP periodicamente invia un frame beacon, per notificare ai client sia la propria presenza, sia informazioni sulla configurazione e sulla sicurezza. I client periodicamente inviano in broadcast e su tutti i canali, una probe-request frame attendendosi una probe-respone frame dagli AP vicini, con lo scopo di individuare potenziali destinatari di roaming, per compilarsi opportune liste da consultare per il roaming. Nei probe frame tra le informazioni è compreso l’SSID, e solo se risulta lo stesso per un client ed un AP, vengono presi in considerazione i relativi messaggi. Il roaming viene deciso, mediante apposito algoritmo applicato alla lista dei potenziali AP, non solo sulla base delle informazioni dei beacon frame, perché l’AP potrebbe essere configurato per non inviare in broadcast il proprio SSID, ma anche delle probe-response frame. Cisco propone di accelerare la procedura di roaming, considerato che la scansione degli 11 canali porta via tempo (circa 400 ms). Ogni AP costruisce la lista degli AP ad esso adiacenti e dei relativi canali utilizzati. I client possono analizzare solo i canali notificati e trovare i potenziali AP senza fare discovery. Nella procedura di (ri)associazione tra client e AP, il client invia informazioni sulla precedente associazione con il vecchio AP, permettendo al nuovo AP di costruire la lista delle adiacenze, il nuovo AP invia le informazioni sulle adiacenze ed i relativi canali. - 27 -

Fast Secure Client Roaming Per velocizzare il processo di riautenticazione 802. 1 x Cisco introduce l l Wireless Domain Service (WDS) Cisco Centralized Key Management (CCKM) 1) Infrastructure authentication Tutti gli AP (supplicant) si autenticano come client LEAP presso il server RADIUS attraverso il WDS (authenticator), che memorizza le chiavi degli AP che saranno utilizzati per distribuire in sicurezza ulteriori chiavi agli stessi AP. 2) Initial Client authentication La prima volta che un client della rete wireless (supplicant) si autentica presso il server RADIUS, lo fa tramite il WDS (authenticator). Autenticato, riceve dal server RADIUS le chiavi di sessione per la crittografia, che, note al WDS, verranno usate per generare altre chiavi da distribuire, successivamente, allo stesso client in caso di roaming. 3) Fast reauthentication Quando un client della rete wireless (supplicant) va in roaming su un nuovo AP, appartenente allo stesso dominio WDS, il nuovo AP invia la richiesta di autenticazione al WDS (non al RADIUS) che si comporterà da authentication server, fornendo le chiavi di sessione per il client in roaming. - 28 -

WLAN Roaming L 3 - 29 -

Radio Management Sia gli Access Point che i client possono raccogliere informazioni radio ed inviarle al WDS che li impacchetta opportunamente per spedirli al WLSE, permettendo di l l - 30 - Calcolare la potenza ed il canale di trasmissione ottimali Rilevare Interferenze Radio Individuare i Rogue AP Individuare client non autorizzati

Il problema dei Rogue AP Viene detto Rogue un AP installato senza autorizzazione da un dipendente o da un “attaccante”. Costituisce una minaccia per la sicurezza dell’intera rete: l l - 31 - back door man in the middle

Il problema dei Rogue AP Come affrontare il problema dei Rogue AP? l l l Realizzare una buona security policy e relativi audit Monitoraggio delle comunicazioni radio (RF sniffing) Usare un accesso controllato alla rete (per user autentication) mediante IEEE 802. 1 x in modalità di mutua autenticazione - 32 -

WLAN Intrusion Detection System (IDS) Per rilevare le anomalie, normalmente occorrerebbe un sopralluogo sulle aree coperte dal wireless effettuando uno radio sniffing. Con il WLSE il processo viene reso automatizzato e gestito centralmente: nell’infrastruttura SWAN è integrata la funzionalità IDS implementata rilevando informazioni sulle comunicazioni radio dai propri AP ed eventualmente dai client (compatibili Cisco). Il monitoraggio radio viene effettuato ad intervalli regolari durante il normale funzionamento: periodicamente il modulo radio (del client o dell’AP) sonda i diversi canali (serviti e non serviti) per mandare informazioni al WLSE tramite il WDS (integrated IDS). Per aumentare il monitoraggio radio è possibile dedicare alcuni AP alle sole operazioni di radio sniffing (dedicate IDS) - 33 -

Architettura SWAN Il framework SWAN può essere immaginato come un modello a 4 strati, in cui viene introdotto il WLAN Context Control Protocol (WLCCP) per lo scambio messaggio tra i vari strati. componenti software l l WDS WLCCP componenti hardware l Device WDS-host l Infrastructure AP l WLSE l Schede di rete Cisco o compatibili - 34 -

Architettura SWAN - 35 -

Architettura SWAN - 36 -

SWAN vantaggi Integrazione di servizi Wired e Wireless mediante l’uso di infrastrutture e software Cisco IOS Piattaforma per la gestione centralizzata della rete WLAN Introduzione del Wireless Domain Service (WDS) per l l implementare la mobilità (Fast Secure Roaming) implementare un monitoraggio “cooperativo” della rete wireless l l Rogue AP detection Interference detection Assisted site surveying migliorare la gestione della sicurezza (autenticazione locale IEEE 802. 1 x) - 37 -

Aspetti critici nelle SWAN Gli aspetti critici sono stessi visti per una generica WLAN (Attenuazione, Interferenze RF, applicazioni, strutture ospitanti) Bisogna considerare però che l l i tempi ed i costi di progettazione sono ridotti grazie al site surveying assistito il management centralizzato mediante WLSE è semplificato è ideata per favorire l’integrazione con infrastruttura Cisco preesitente i problemi legati alla sicurezza sono mitigati dai tools forniti a corredo della piattaforma WLSE senza dimenticare che tutto si basa sulla compatibilità dei componenti della rete con quelli di una infrastruttura Cisco - 38 -

SWAN Cisco - 39 -