引言
因特網(wǎng)的迅速普及為企事業(yè),、政府、金融機(jī)構(gòu)等部門(mén)提供了更為迅捷經(jīng)濟(jì)的通信方式,提高了他們的工作和管理效率;但另一方面,日益不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卻嚴(yán)重威脅到這些用戶(hù)的利益,。如何保證公網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)的安全,已成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題,。為此,需開(kāi)發(fā)一種由VPN (Virtual Private Network,簡(jiǎn)稱(chēng)VPN )安全網(wǎng)關(guān),、VPN 客戶(hù)端和VPN安全管理中心三部份組成的VPN安全系統(tǒng),。
目前,國(guó)內(nèi)大部分VPN 網(wǎng)關(guān)在硬件平臺(tái)上使用基于x86 CPU的商用工控機(jī)主板,。由于商用工控機(jī)是為一般的工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的,作為VPN網(wǎng)關(guān)使用時(shí),存在功能冗余、成本及可靠性難于控制等問(wèn)題,。因此,有必要自己設(shè)計(jì)一款性?xún)r(jià)比較高的硬件平臺(tái)供VPN網(wǎng)關(guān)使用,。Motorola通信處理器PowerPC在通信業(yè)中使用廣泛,并具有良好的性?xún)r(jià)比,可以滿(mǎn)足VPN安全網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)需要。另外,安全產(chǎn)品涉及一個(gè)國(guó)家的主權(quán)和敏感的安全信息,作為保證安全極為重要的操作系統(tǒng)和加密算法應(yīng)該完全為自己掌握,。因此,采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)和加密算法尤為重要,。而L inux操作系統(tǒng)源代碼的開(kāi)放性及其在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中的優(yōu)異表現(xiàn),使得我們可以用其構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VPN安全網(wǎng)關(guān),。
VPN概念
什么是VPN
VPN即虛擬專(zhuān)用網(wǎng),是通過(guò)一定的安全機(jī)制在公用的網(wǎng)絡(luò)如因特網(wǎng)中建立起與公網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立和封閉的信息通道,以保護(hù)企業(yè)各子網(wǎng)之間,、子網(wǎng)和移動(dòng)用戶(hù)之間、移動(dòng)用戶(hù)和服務(wù)器之間的通信數(shù)據(jù)的安全,。VPN利用公網(wǎng)的資源,讓用戶(hù)擁有同專(zhuān)網(wǎng)相同的安全性,并享受因特網(wǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和方便迅捷,。
VPN如何保護(hù)通信安全
不同類(lèi)型的VPN所采用的協(xié)議不同,使用的安全機(jī)制也不同。關(guān)于VPN的協(xié)議比較多,但目前最完善的,、安全性最高的應(yīng)屬I(mǎi)PSec協(xié)議,。它可使用CA數(shù)字證書(shū)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信雙方的身份認(rèn)證;使用對(duì)稱(chēng)加密算法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,保證數(shù)據(jù)的安全性;使用單向散列函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算摘要,并對(duì)摘要進(jìn)行加密來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性。此外,VPN節(jié)點(diǎn)之間通信,不可能每次都手工配置密鑰,手工方式既不安全也不方便,可以采用因特網(wǎng)自動(dòng)密鑰交換協(xié)議來(lái)進(jìn)行密鑰的協(xié)商,設(shè)置每次會(huì)話密鑰的生命期,在快要結(jié)束生命期時(shí),自動(dòng)協(xié)商下一個(gè)會(huì)話密鑰,。
當(dāng)企業(yè)虛擬專(zhuān)網(wǎng)建立時(shí),需要在各個(gè)子網(wǎng)的出口配置安全網(wǎng)關(guān),。安全網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)對(duì)流出數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和計(jì)算校驗(yàn)和,對(duì)進(jìn)入數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和解密,并實(shí)施訪問(wèn)控制。VPN安全網(wǎng)關(guān)在其中具有舉足輕重的作用,。比如,當(dāng)一臺(tái)主機(jī)與另外一臺(tái)主機(jī)通信時(shí),會(huì)首先啟動(dòng)IKE (自動(dòng)密鑰協(xié)商)進(jìn)程協(xié)商各種工作參數(shù),包括加密算法,、驗(yàn)證算法、密鑰長(zhǎng)度、密鑰值等,并進(jìn)行雙向的身份認(rèn)證,所有這些成為一個(gè)安全關(guān)聯(lián)( Security Association) ,。
VPN的使用
VPN安全網(wǎng)關(guān)與VPN Client軟件配合使用,通過(guò)靈活配置隧道策略,不僅可以解決通信的安全問(wèn)題,還可以解決用戶(hù)對(duì)公司總部網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)授權(quán)問(wèn)題,。圖1 是一個(gè)VPN安全系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
當(dāng)網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)相連時(shí),通過(guò)VPN管理中心或終端方式為需要相互通信的兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)間配置對(duì)應(yīng)的隧道,位于兩臺(tái)私口后的主機(jī)就能通過(guò)加密隧道進(jìn)行通信,防止數(shù)據(jù)被丟失,、篡改并保證數(shù)據(jù)的完整,。
VPN安全網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案概述
VPN系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
VPN的主要作用是采用加密、認(rèn)證和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在公共互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建相互信任方之間的安全加密信息傳輸通道,以期達(dá)到專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的效果,。VPN網(wǎng)關(guān)在其中將發(fā)揮非常重要的核心作用,。
由圖1可知,VPN網(wǎng)關(guān)工作在本地局域網(wǎng)及與其通信的遠(yuǎn)程局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)位置,具有加密和認(rèn)證功能。相互信任的局域網(wǎng)間進(jìn)行通信時(shí),仍然使用互聯(lián)網(wǎng)作為中間信道,。但是,通過(guò)VPN網(wǎng)關(guān)的加密功能確保信息在不安全的互聯(lián)網(wǎng)上流通時(shí)是密文形式,。這樣,即便信息被截取,也無(wú)法偷窺或篡改其內(nèi)容,保證通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接的局域網(wǎng)間通信的安全性、機(jī)密性,、可認(rèn)證性和完整性等安全性能,。
VPN安全網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)目標(biāo)
(1) 完整實(shí)現(xiàn)IPSec協(xié)議簇,完全支持VPN的要求。
(2) 要建立在具有自主版權(quán)的,、安全性完全控制在自己手中的內(nèi)核操作系統(tǒng)之上,。
(3) 要確保自身的安全、協(xié)議的安全和信息通道的安全,。采用國(guó)密辦批準(zhǔn)的加密算法,由硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加解密,。
(4) 要具有較高的性?xún)r(jià)比,滿(mǎn)足低端網(wǎng)絡(luò)的要求。明文吞吐率10Mbp s;啟用IPSec協(xié)議,以隧道方式加密傳輸時(shí),吞吐率大于4Mbp s,。
(5) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要采用先進(jìn)的硬,、軟件技術(shù)和方法。
(6) 盡可能方便管理,、靈活配置和界面友好,。
技術(shù)思想
(1) 軟件: ①自主開(kāi)發(fā)的嵌入式安全操作系統(tǒng)內(nèi)核;②由于L inux OS的源代碼的開(kāi)放性及其在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中的優(yōu)異表現(xiàn),因而可以用其構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VPN安全網(wǎng)關(guān)(采用嵌入式L inux 2. 4. 4 For PowerPC,內(nèi)核根據(jù)需要裁減,并加入相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序,完成對(duì)FlashMemory和DOC文件系統(tǒng)的支持) ;③網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和IPSec協(xié)議層; ④數(shù)據(jù)加/解密算法由采用國(guó)密辦批準(zhǔn)的硬件加密芯片SSF10B實(shí)現(xiàn); ⑤管理系統(tǒng)層需支持手工和通過(guò)SMC (安全管理中心)配置IPSec策略。
(2) 硬件:根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該VPN網(wǎng)關(guān)將用于10Mbp s以太網(wǎng)環(huán)境中,設(shè)計(jì)采用目前在通信業(yè)中使用較廣的Mo2torola通信處理器PowerPC MPC8xx作為主CPU,選用其中一款性?xún)r(jià)比較高的控制器MPC855T,。在硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中,本著滿(mǎn)足性能要求,保證高可靠性和高性?xún)r(jià)比的原則,采用有多種硬件選項(xiàng)的設(shè)計(jì),來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,。嵌入式L inux操作系統(tǒng)的構(gòu)建
通常的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)大致可以分為硬件設(shè)計(jì)、裝載或引導(dǎo)嵌入式系統(tǒng),、在嵌入式系統(tǒng)上建立開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)應(yīng)用等四個(gè)步驟,。
利用ppcboot引導(dǎo)
ppcboot是德國(guó)Denk軟件工程中心開(kāi)發(fā)的引導(dǎo)程序,我們?cè)谘芯块_(kāi)發(fā)中使用了其中的ppcboot-1. 1. 5作為開(kāi)發(fā)藍(lán)本,對(duì)其代碼進(jìn)行了修改,以滿(mǎn)足硬件設(shè)計(jì)的要求。
ppcboot源碼樹(shù)的目錄結(jié)構(gòu)
CHANGELOG / /記錄歷次版本升級(jí)時(shí)的修改內(nèi)容
COPYING
CRED ITS
MAKEALL
Makefile / /制作文件
README / /必讀的文件
System. map / /當(dāng)編譯連接完成后,所生成的ppcboot二進(jìn)
/ /制中所有函數(shù),、數(shù)據(jù)的地址信息
board / /各種與板子硬件關(guān)聯(lián)的. c模塊
common / /一些通用ppcboot命令集的. c模塊
config. mk
cpu / /與MPC8xx硬件關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)初始化. c代碼
disk / /磁盤(pán)分區(qū)支持
doc / /技術(shù)文檔目錄
examp les / /一些簡(jiǎn)單的,、無(wú)需操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序
fs / /ppcboot中對(duì)文件系統(tǒng)的支持
include / /頭文件
net / /網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持
ppc PowerPC / /處理器運(yùn)行時(shí)環(huán)境支持
ppcboot / / elf32格式的ppcboot二進(jìn)制執(zhí)行文件
ppcboot. bin / / raw二進(jìn)制格式的ppcboot執(zhí)行文件
ppcboot. map / / s2record格式的ppcboot執(zhí)行文件
rtc / /實(shí)時(shí)時(shí)鐘支持
tools / /與ppcboot相關(guān)的一些工具軟件ppcboot的特點(diǎn)
經(jīng)修改后, ppcboot-1. 1. 5 具有如下特性: ( 1 ) 支持bootm,直接從flash引導(dǎo)L inux,并提供軟件工具集,可構(gòu)建出最終燒結(jié)用的影像; (2) 支持從doc或flash memory引導(dǎo)L inux,并提供工具集,可構(gòu)建出最終燒結(jié)用的影像; (3) 板上flash /doc讀、寫(xiě),、擦除功能; (4) 支持串行口kermit協(xié)議下載代碼或數(shù)據(jù); (5) 支持scc1以太網(wǎng)口啟動(dòng)tftp下傳數(shù)據(jù):如內(nèi)核,、ramdisk、autoscrip t等影像; ( 6) 支持串行口srecord下載代碼或數(shù)據(jù); (7) 支持autoscrip t; (8) 提供板上內(nèi)存讀寫(xiě),格式化顯示,可進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試。
當(dāng)完成ppcboot-1. 1. 5的改寫(xiě)后,對(duì)其進(jìn)行編譯,得到二進(jìn)制的ppcboot. bin代碼,然后將其燒錄在板上的BOOTEPROM中,這樣就可以在上電后完成對(duì)系統(tǒng)的引導(dǎo),。
建立Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)
修改和編譯嵌入式L inux內(nèi)核
Linux內(nèi)核有自己的結(jié)構(gòu)體系,進(jìn)程管理,、內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)是其最基本的三個(gè)子系統(tǒng)。圖2 為L(zhǎng) inux 內(nèi)核的結(jié)構(gòu),。圖中虛線框中部分可以看成是Linux內(nèi)核的單內(nèi)核結(jié)構(gòu),因此修改內(nèi)核必須注意各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào),。
Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用內(nèi)核版本為2. 4. 4的PowerPC嵌入式L inux操作系統(tǒng)作為VPN 網(wǎng)關(guān)的基本軟件平臺(tái)。為了支持硬件平臺(tái),需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行修改,并增加相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,。
(1) 驅(qū)動(dòng)程序列表,。
DOC 驅(qū)動(dòng)程序源碼: /home / sjw01 / linux/drivers/mtd /devices/ doc2000. c;
以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序源碼: / home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx _ io / enet_scc1. c fec. c;
RTC 驅(qū)動(dòng)程序源碼: /home / sjw01 / linux/drivers/unis _ rtc / rtc8xx. h rtc8xx. c setrtc8xx. cMkaefile setrtc8xx;
串口驅(qū)動(dòng)程序源碼: /home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx_ io / uart. c;
flash memory 驅(qū)動(dòng)程序源碼: /home / sjw01 / linux/drivers/mtd / map s/unis. c。
(2) 交叉編譯環(huán)境,。
使用hardhat CDK2. 0作為開(kāi)發(fā)工具,需將下面的路徑加入用戶(hù)環(huán)境變量＄PATH 中: /op t/hardhat/devkit/ppc /8xx/bin; #export PATH = ＄PATH: /op t/hardhat/devkit/ppc /8xx/bin或編輯“. bash_p rofile”文件的PATH行,。對(duì)于應(yīng)用軟件,一般情況下只要替換編譯器cc為ppc_8xx-gcc,重新編譯一下源代碼即可。構(gòu)建目標(biāo)文件系統(tǒng)
配置DOC或FlashMemory中的文件系統(tǒng)是件很講究的事情,主要是因?yàn)镈OC /Flash容量有限,在保證正常功能的前提下,要盡可能地少占用資源,。
總體上,文件分成如下幾類(lèi): (1)共享庫(kù)類(lèi):這類(lèi)文件必不可少,。(2) L inux/GNU系統(tǒng)實(shí)用工具:盡量用busybox、tinylogin代替,能減則減,。(3)配置文件:多出現(xiàn)在/ etc下,不太占地方,但要注意協(xié)調(diào)關(guān)系,。(4)用戶(hù)應(yīng)用程序:編譯時(shí)盡量使用動(dòng)態(tài)連接,編譯后strip一下,放到固定位置。
目標(biāo)文件系統(tǒng)列表如表1所示,。
所有配置文件,、可執(zhí)行文件、庫(kù)文件的位置均符合L inux操作系統(tǒng)的慣例,。
IPSec實(shí)現(xiàn)中的硬件加密算法
在VPN安全網(wǎng)關(guān)中,加密算法的安全,、高效,是VPN網(wǎng)關(guān)安全性和有效性的重要保證。為此,在設(shè)計(jì)中采用了一種硬件加密模塊的方式,使得我們的VPN網(wǎng)關(guān)可以在硬件上使用不同的加密算法,。在我們的默認(rèn)配置中,使用國(guó)密辦批準(zhǔn)的分組加密算法芯片SSF10,。
為了使用硬件加密模塊,需要在L inux內(nèi)核的IPSec實(shí)現(xiàn)中添加和修改相應(yīng)的代碼,下面對(duì)其簡(jiǎn)單說(shuō)明。由于IPSec實(shí)現(xiàn)在內(nèi)核中的特殊位置,并且MPC855T的主頻較低(80MHz) ,采用訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件的方式訪問(wèn)硬件SSF10加密模塊會(huì)造成速率大幅降低,。因此,我們采用I/O直接訪問(wèn)硬件SSF10芯片,。這需要將模塊驅(qū)動(dòng)中的操作分散到IPSec實(shí)現(xiàn)的相關(guān)部分,替換原來(lái)的軟件加密算法,。同理,可以使用硬件DES/3DES,、硬件AES算法和其他國(guó)密辦批準(zhǔn)的算法,用硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密。對(duì)IPSec的一個(gè)實(shí)現(xiàn)freeswan算法部分進(jìn)行修改,使其可以實(shí)現(xiàn)硬件算法,。與硬件加密算法有關(guān)的文件如下:
freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec /Config. in;
freeswan-1. 94 / libdes/des_enc. c;
freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ip sec_sa. h;
freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ip sec_tunnel. c;
freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ssf10. h;
freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ip sec_init. c;
freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec /pfkey_v2_parser. c;
freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec_rcv. c,。
完成修改后, 使用內(nèi)核make menuconfig 命令, 選中Networking op tions→[* ] IPSEC: Use SSF10..,重新編譯即可使用SSF10硬件算法模塊。
結(jié)束語(yǔ)
為了滿(mǎn)足VPN安全網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的目標(biāo),本文在基于Motorola PowerPC和嵌入式L inux的VPN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中使用Motorola通信處理器PowerPC,、采用L inux和加密算法,構(gòu)建出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VPN安全網(wǎng)關(guān),。理論分析表明,本文提出的VPN安全網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案、嵌入式L inux操作系統(tǒng)的構(gòu)建方法以及硬件加密模塊的實(shí)現(xiàn)方法能夠滿(mǎn)足10Mbp s的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供虛擬專(zhuān)用網(wǎng)的安全服務(wù)。但是,由于其定位在低端,不適合在100Mbp s的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用,。如果要在100Mbp s的環(huán)境中使用VPN網(wǎng)關(guān),就要考慮使用基于PowerPCMPC82xx的硬件平臺(tái),。