基于uCLinux的嵌入式無(wú)線(xiàn)IPSec VPN網(wǎng)關(guān)

引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展以及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸能力的提高，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，如圖1所示，用戶(hù)的移動(dòng)設(shè)備可以通過(guò)CDMA/GPRS公眾無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接訪(fǎng)問(wèn)Internet，進(jìn)而訪(fǎng)問(wèn)自己的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，省去了自己組網(wǎng)的費(fèi)用，由于用戶(hù)都希望保障其數(shù)據(jù)的安全，所以采用VPN技術(shù)成為其必然選擇。

1 IPSec簡(jiǎn)介

　　IPSec的目標(biāo)是為IP提供互操作高質(zhì)量的基于密碼學(xué)的一整套安全服務(wù)，包括訪(fǎng)問(wèn)控制、無(wú)連接完整性、數(shù)據(jù)源驗(yàn)證、抗重放攻擊、保密性和有限的流量保密，這些服務(wù)都在IP層提供，可以為IP和上層協(xié)議提供保護(hù)。

　　IPSec的體系結(jié)構(gòu)在RFC2401中定義，它通過(guò)兩個(gè)傳輸安全協(xié)議——頭部認(rèn)證（AH）和封裝安全負(fù)載（ESP）以及密鑰管理的過(guò)程和相關(guān)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，AH提供無(wú)連接完整性、數(shù)據(jù)源驗(yàn)證和可選的抗重發(fā)攻擊服務(wù)，ESP可以提供保密性、有限的流量保密、無(wú)連接一致性、數(shù)據(jù)源驗(yàn)證和抗重發(fā)攻擊。AH和ESP都是基于密鑰分配和流量管理的訪(fǎng)問(wèn)控制的基礎(chǔ)，AH和ESP都有兩種模式：傳輸模式和隧道模式。傳輸模式用于保護(hù)主機(jī)間通信；而隧道模式將IP隧道里，主要用于保護(hù)網(wǎng)關(guān)間通信。

　　IPSec中用戶(hù)通道向IPSec提供自己的安全策略（SP）來(lái)控制IPSec的使用，包括對(duì)哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，需要使用哪些安全服務(wù)，使用何種加密算法，IPSec中安全關(guān)聯(lián)（SA）是一個(gè)基本概念，它是一個(gè)簡(jiǎn)單“連接”，使用AH或者ESP為其負(fù)載提供安全服務(wù)，則需要兩個(gè)和更多個(gè)SA，同時(shí)由于SA是單向的，因此如果是雙向保密通信，則每個(gè)方向至少需要一個(gè)SA。IPSec中有兩個(gè)與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，安全策略數(shù)據(jù)庫(kù)（SPD）和安全關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)（SAD），前者定義了如何處理所有流入和流出IP數(shù)據(jù)處理的策略，后者包含所有（有效）SA有關(guān)的參數(shù)。

　　AH/ESP中所使用的密鑰的分配和SA管理都依賴(lài)于一組獨(dú)立機(jī)制，包括人工和自動(dòng)兩種方式，IPSec定義了IKE協(xié)議用于自動(dòng)方式下的密鑰分配和SA管理，IKE中密鑰分配和SA管理的過(guò)程分成兩個(gè)階段，第一階段是密鑰協(xié)商雙方建立一個(gè)相互信任的、保密的安全通道，用戶(hù)保護(hù)第二階段密鑰協(xié)商過(guò)程，第二階段完成實(shí)際用于IPSec SA的協(xié)商。

　　IPSec的數(shù)據(jù)處理模型如圖2所示，對(duì)流入/流出的數(shù)據(jù)首先確定其安全策略，如果需要安全服務(wù)，則要找到其相應(yīng)的安全關(guān)聯(lián)，根據(jù)安全關(guān)聯(lián)，提供的參數(shù)進(jìn)行AH/ESP處理后完成流入/流出。

2 系統(tǒng)功能

　　本系統(tǒng)的主要功能是支持CDMA和GPRS兩種方式接入Internet，既可作為VPN服務(wù)器，又可作為VPN客戶(hù)端。IPSec的密鑰交換支持共享密鑰方式和基于X.509的公開(kāi)密鑰方式。

3 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示，無(wú)線(xiàn)接口采用的是Wavecom CDMA/GPRS模塊，基板采用的是Freescale Coldfire 5272。

4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　Linux的2.6內(nèi)核中加入了對(duì)IPSec的支持，本系統(tǒng)采用的是基于Linux2.6內(nèi)核的IPSec-tools，整個(gè)系統(tǒng)中IPSec的相關(guān)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，Linux2.6內(nèi)核在其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中提供對(duì)AH和ESP支持，同時(shí)包括SPD的實(shí)現(xiàn)和SAD的實(shí)現(xiàn)，IPSec-tools包括setkey和racoon兩個(gè)應(yīng)用程序。Setkey實(shí)現(xiàn)IPSec中SPD管理和SAD的人工管理，它需要使用Linux內(nèi)核支持IPSec用戶(hù)管理接口。Racoon是IPSec-tools中IKE的實(shí)現(xiàn)，它需要內(nèi)核支持PF_KEYv2的接口，同時(shí)為了支持基于X.509證書(shū)的公開(kāi)密鑰身份驗(yàn)證方式，racoon需要使用openssl提供的libcryto加密庫(kù)。AH/ESP所使用的加密算法需要內(nèi)核加密算法支持。

4.1 Linux內(nèi)核

　　在www.kernel.org下載并安裝linux2.6.12內(nèi)核，在www.ucLinux.org下載其uCLinux補(bǔ)丁。打上補(bǔ)丁后，通過(guò)make menuconfig進(jìn)入Linux的內(nèi)核配置界面，選定如下所有配置：

4.2 Openssl（libcrypto.a）

　　安裝Openssl 0.9.7 e源代碼后，進(jìn)入安裝目錄，修改其Configure文件使用m68k-elf-gcc作為編譯器。運(yùn)行Configure Linux-m68k完成配置后，編譯生成libcrypto.a。

4.3 IPSec-tools

　　依照ucLinux中任何加入新的用戶(hù)程序的文檔，在ucLinux的/user目錄中加入IPSec-tools0.5.2軟件包。進(jìn)入IPSec-tools的安裝目錄，并在該目錄下加入一個(gè)如下Makefile（在這個(gè)Makefile中需要指定內(nèi)核頭文件和openssl源代碼的安裝目錄）：

all：build ＄（MAKE）-C build

　　編譯生成setkey和racoon兩個(gè)應(yīng)用程序

5 IPSec-tools的使用

　　本系統(tǒng)的IPSec同時(shí)支持傳輸模式和隧道模式。作為VPN網(wǎng)關(guān)時(shí)只使用隧道模式。圖5是兩個(gè)IPSec網(wǎng)關(guān)間通信模型。192.168.1.100和192.168.2.100分別是兩個(gè)網(wǎng)關(guān)外部接口的IP地址，它們分別保護(hù)172.16.1.0/24和172.16.2.0/24兩個(gè)內(nèi)部子網(wǎng)，下面以圖5中外部IP為192.168.0.1的網(wǎng)關(guān)為例，介紹IPSec-tools中隧道模式下安全策略和密鑰管理的方法。

5.1 安全策略

　　IPSec-tools中安全策略的管理由Setkey完成。在setkey的配置文件setkey.conf中需要加入流入（in）、流出（out）、轉(zhuǎn)發(fā)（fwd）三條安全策略規(guī)則。

5.2 密鑰和SA的管理

（1）人工方式

　　Setkey.conf中SA規(guī)則定義IPSev密鑰和SA人工方式的管理。

（2）自動(dòng)方式

　　自動(dòng)方式的管理由racoon完成，racoon支持多種驗(yàn)證方式，包括預(yù)共享密鑰和X.509證書(shū)方式，racoon的配置文件racoon.conf主要包括Remote和sainfo兩大部分，分別對(duì)應(yīng)于IKE交換的第一階段和第二階段，Remote部分指定IKE交換第一階段的身份驗(yàn)證方式和加密、驗(yàn)證算法等參數(shù)，sainfo部分指定第二階段的加密和驗(yàn)證算法。

　　預(yù)共享密鑰方式下用戶(hù)的預(yù)共享密鑰保存在文件中，此時(shí)racoon.conf的配置如下（其中指定了預(yù)共享密鑰所存放的文件）：

　　在X.509證書(shū)方式下，racoon.conf的配置與共享密鑰方式的基本相同，其指定了證書(shū)所在目錄，自己的X.509的證書(shū)、自己的證書(shū)密鑰和CA的證書(shū)。有關(guān)racoon中證書(shū)的生成請(qǐng)參照racoon和openssl的使用手冊(cè)。

5.3 運(yùn)行

　　在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)接入Internet后，依次運(yùn)行setkey和racoon。

結(jié)語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和IPSec的結(jié)合使得無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展，目前本系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于金融、保險(xiǎn)、電力、監(jiān)控、交通、氣象等行業(yè)，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)許可的條件下，任何采用以太網(wǎng)或串口的設(shè)備，如PC機(jī)、工控機(jī)、ATM機(jī)、POS機(jī)、視頻服務(wù)等，都可以方便、安全地通過(guò)本系統(tǒng)連接到Internet上。

作者：清華大學(xué) 劉宇洪，薛濤，邵貝貝 來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》