基于uCLinux的嵌入式無線IPSec VPN網關

引言

隨著網絡和無線通信技術的發展以及無線數據傳輸能力的提高，無線數據傳輸的應用領域不斷擴展，如圖1所示，用戶的移動設備可以通過cdma/gprs公眾無線網絡直接訪問internet，進而訪問自己的內部結構，省去了自己組網的費用，由于用戶都希望保障其數據的安全，所以采用vpn技術成為其必然選擇。

1 ipsec簡介

ipsec的目標是為ip提供互操作高質量的基于密碼學的一整套安全服務，包括訪問控制、無連接完整性、數據源驗證、抗重放攻擊、保密性和有限的流量保密，這些服務都在ip層提供，可以為ip和上層協議提供保護。

ipsec的體系結構在rfc2401中定義，它通過兩個傳輸安全協議——頭部認證（ah）和封裝安全負載（esp）以及密鑰管理的過程和相關協議來實現其目標，ah提供無連接完整性、數據源驗證和可選的抗重發攻擊服務，esp可以提供保密性、有限的流量保密、無連接一致性、數據源驗證和抗重發攻擊。ah和esp都是基于密鑰分配和流量管理的訪問控制的基礎，ah和esp都有兩種模式：傳輸模式和隧道模式。傳輸模式用于保護主機間通信；而隧道模式將ip隧道里，主要用于保護網關間通信。

ipsec中用戶通道向ipsec提供自己的安全策略（sp）來控制ipsec的使用，包括對哪些數據進行保護，需要使用哪些安全服務，使用何種加密算法，ipsec中安全關聯（sa）是一個基本概念，它是一個簡單“連接”，使用ah或者esp為其負載提供安全服務，則需要兩個和更多個sa，同時由于sa是單向的，因此如果是雙向保密通信，則每個方向至少需要一個sa。ipsec中有兩個與安全相關的數據庫，安全策略數據庫（spd）和安全關聯數據庫（sad），前者定義了如何處理所有流入和流出ip數據處理的策略，后者包含所有（有效）sa有關的參數。

ah/esp中所使用的密鑰的分配和sa管理都依賴于一組獨立機制，包括人工和自動兩種方式，ipsec定義了ike協議用于自動方式下的密鑰分配和sa管理，ike中密鑰分配和sa管理的過程分成兩個階段，第一階段是密鑰協商雙方建立一個相互信任的、保密的安全通道，用戶保護第二階段密鑰協商過程，第二階段完成實際用于ipsec sa的協商。

ipsec的數據處理模型如圖2所示，對流入/流出的數據首先確定其安全策略，如果需要安全服務，則要找到其相應的安全關聯，根據安全關聯，提供的參數進行ah/esp處理后完成流入/流出。

2 系統功能

本系統的主要功能是支持cdma和gprs兩種方式接入internet，既可作為vpn服務器，又可作為vpn客戶端。ipsec的密鑰交換支持共享密鑰方式和基于x.509的公開密鑰方式。

3 系統的硬件實現

系統硬件構成如圖3所示，無線接口采用的是wavecom cdma/gprs模塊，基板采用的是freescale coldfire 5272。

4 系統的軟件實現

linux的2.6內核中加入了對ipsec的支持，本系統采用的是基于linux2.6內核的ipsec-tools，整個系統中ipsec的相關軟件結構如圖4所示，linux2.6內核在其網絡協議棧中提供對ah和esp支持，同時包括spd的實現和sad的實現，ipsec-tools包括setkey和racoon兩個應用程序。setkey實現ipsec中spd管理和sad的人工管理，它需要使用linux內核支持ipsec用戶管理接口。racoon是ipsec-tools中ike的實現，它需要內核支持pf_keyv2的接口，同時為了支持基于x.509證書的公開密鑰身份驗證方式，racoon需要使用openssl提供的libcryto加密庫。ah/esp所使用的加密算法需要內核加密算法支持。

4.1 linux內核

在www.kernel.org下載并安裝linux2.6.12內核，在www.uclinux.org下載其uclinux補丁。打上補丁后，通過make menuconfig進入linux的內核配置界面，選定如下所有配置：

4.2 openssl（libcrypto.a）

安裝openssl 0.9.7 e源代碼后，進入安裝目錄，修改其configure文件使用m68k-elf-gcc作為編譯器。運行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程序的文檔，在uclinux的/user目錄中加入ipsec-tools0.5.2軟件包。進入ipsec-tools的安裝目錄，并在該目錄下加入一個如下makefile（在這個makefile中需要指定內核頭文件和openssl源代碼的安裝目錄）：

all：build ＄（make）-c build

5 ipsec-tools的使用

本系統的ipsec同時支持傳輸模式和隧道模式。作為vpn網關時只使用隧道模式。圖5是兩個ipsec網關間通信模型。192.168.1.100和192.168.2.100分別是兩個網關外部接口的ip地址，它們分別保護172.16.1.0/24和172.16.2.0/24兩個內部子網，下面以圖5中外部ip為192.168.0.1的網關為例，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）、轉發（fwd）三條安全策略規則。

5.2 密鑰和sa的管理

（1）人工方式

setkey.conf中sa規則定義ipsev密鑰和sa人工方式的管理。

（2）自動方式

自動方式的管理由racoon完成，racoon支持多種驗證方式，包括預共享密鑰和x.509證書方式，racoon的配置文件racoon.conf主要包括remote和sainfo兩大部分，分別對應于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證方式和加密、驗證算法等參數，sainfo部分指定第二階段的加密和驗證算法。

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

在x.509證書方式下，racoon.conf的配置與共享密鑰方式的基本相同，其指定了證書所在目錄，自己的x.509的證書、自己的證書密鑰和ca的證書。有關racoon中證書的生成請參照racoon和openssl的使用手冊。

5.3 運行

在無線網關接入internet后，依次運行setkey和racoon。

結語

無線數據傳輸和ipsec的結合使得無線數據傳輸的應用領域進一步擴展，目前本系統已廣泛應用于金融、保險、電力、監控、交通、氣象等行業，在移動網絡許可的條件下，任何采用以太網或串口的設備，如pc機、工控機、atm機、pos機、視頻服務等，都可以方便、安全地通過本系統連接到internet上。