基于PowerPC的VPN網關設計

　　嵌入式L inux操作系統的構建

　　通常的嵌入式系統開發大致可以分為硬件設計、裝載或引導嵌入式系統、在嵌入式系統上建立開發平臺以及開發應用等四個步驟。

　　利用ppcboot引導

　　ppcboot是德國Denk軟件工程中心開發的引導程序,我們在研究開發中使用了其中的ppcboot-1. 1. 5作為開發藍本,對其代碼進行了修改,以滿足硬件設計的要求。

　　ppcboot源碼樹的目錄結構

　　CHANGELOG　/ /記錄歷次版本升級時的修改內容

　　COPYING

　　CRED ITS

　　MAKEALL

　　Makefile　/ /制作文件

　　README　/ /必讀的文件

　　System. map　/ /當編譯連接完成后,所生成的ppcboot二進

　　/ /制中所有函數、數據的地址信息

　　board　/ /各種與板子硬件關聯的. c模塊

　　common　/ /一些通用ppcboot命令集的. c模塊

　　config. mk

　　cpu　/ /與MPC8xx硬件關聯的系統初始化. c代碼

　　disk　/ /磁盤分區支持

　　doc　/ /技術文檔目錄

　　examp les　/ /一些簡單的、無需操作系統的應用程序

　　fs　/ /ppcboot中對文件系統的支持

　　include　/ /頭文件

　　net　/ /網絡協議支持

　　ppc PowerPC　/ /處理器運行時環境支持

　　ppcboot　/ / elf32格式的ppcboot二進制執行文件

　　ppcboot. bin　/ / raw二進制格式的ppcboot執行文件

　　ppcboot. map　/ / s2record格式的ppcboot執行文件

　　rtc　/ /實時時鐘支持

　　tools　/ /與ppcboot相關的一些工具軟件

　　ppcboot的特點

　　經修改后, ppcboot-1. 1. 5 具有如下特性: ( 1 ) 支持bootm,直接從flash引導L inux,并提供軟件工具集,可構建出最終燒結用的影像; (2) 支持從doc或flash memory引導L inux,并提供工具集,可構建出最終燒結用的影像; (3) 板上flash /doc讀、寫、擦除功能; (4) 支持串行口kermit協議下載代碼或數據; (5) 支持scc1以太網口啟動tftp下傳數據:如內核、ramdisk、autoscrip t等影像; ( 6) 支持串行口srecord下載代碼或數據; (7) 支持autoscrip t; (8) 提供板上內存讀寫,格式化顯示,可進行簡單測試。

　　當完成ppcboot-1. 1. 5的改寫后,對其進行編譯,得到二進制的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系統的引導。

　　建立L inux開發平臺

　　修改和編譯嵌入式L inux內核

　　Linux內核有自己的結構體系,進程管理、內存管理和文件系統是其最基本的三個子系統。圖2 為L inux 內核的結構。圖中虛線框中部分可以看成是Linux內核的單內核結構,因此修改內核必須注意各子系統間的協調。

　　Linux開發平臺使用內核版本為2. 4. 4的PowerPC嵌入式L inux操作系統作為VPN 網關的基本軟件平臺。為了支持硬件平臺,需要對內核進行修改,并增加相應設備的驅動程序。

　　(1) 驅動程序列表。

　　DOC 驅動程序源碼: /home / sjw01 / linux/drivers/mtd /devices/ doc2000. c;

　　以太網驅動程序源碼: / home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx _ io / enet_scc1. c fec. c;

　　RTC 驅動程序源碼: /home / sjw01 / linux/drivers/unis _ rtc / rtc8xx. h rtc8xx. c setrtc8xx. cMkaefile setrtc8xx;

　　串口驅動程序源碼: /home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx_ io / uart. c;

　　flash memory 驅動程序源碼: /home / sjw01 / linux/drivers/mtd / map s/unis. c。

　　(2) 交叉編譯環境。

　　使用hardhat CDK2. 0作為開發工具,需將下面的路徑加入用戶環境變量$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。對于應用軟件,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。

　　構建目標文件系統

　　配置DOC或FlashMemory中的文件系統是件很講究的事情,主要是因為DOC /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: (1)共享庫類:這類文件必不可少。(2) L inux/GNU系統實用工具:盡量用busybox、tinylogin代替,能減則減。(3)配置文件:多出現在/ etc下,不太占地方,但要注意協調關系。(4)用戶應用程序:編譯時盡量使用動態連接,編譯后strip一下,放到固定位置。

　　目標文件系統列表如表1所示。

　　所有配置文件、可執行文件、庫文件的位置均符合L inux操作系統的慣例。

　　IPSec實現中的硬件加密算法

　　在VPN安全網關中,加密算法的安全、高效,是VPN網關安全性和有效性的重要保證。為此,在設計中采用了一種硬件加密模塊的方式,使得我們的VPN網關可以在硬件上使用不同的加密算法。在我們的默認配置中,使用國密辦批準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內核的IPSec實現中添加和修改相應的代碼,下面對其簡單說明。由于IPSec實現在內核中的特殊位置,并且MPC855T的主頻較低 (80MHz) ,采用訪問設備驅動文件的方式訪問硬件SSF10加密模塊會造成速率大幅降低。因此,我們采用I/O直接訪問硬件SSF10芯片。這需要將模塊驅動中的操作分散到IPSec實現的相關部分,替換原來的軟件加密算法。同理,可以使用硬件DES/3DES、硬件AES算法和其他國密辦批準的算法,用硬件實現數據加密。對IPSec的一個實現freeswan算法部分進行修改,使其可以實現硬件算法。與硬件加密算法有關的文件如下:

　　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。

　　結束語

　　為了滿足VPN安全網關設計的目標,本文在基于Motorola PowerPC和嵌入式L inux的VPN網關設計中使用Motorola通信處理器PowerPC、采用L inux和加密算法,構建出了具有自主知識產權的VPN安全網關。理論分析表明,本文提出的VPN安全網關設計方案、嵌入式L inux操作系統的構建方法以及硬件加密模塊的實現方法能夠滿足10Mbp s的網絡環境中提供虛擬專用網的安全服務。但是,由于其定位在低端,不適合在100Mbp s的網絡環境中使用。如果要在100Mbp s的環境中使用VPN網關,就要考慮使用基于PowerPCMPC82xx的硬件平臺。

linux操作系統文章專題：linux操作系統詳解（linux不再難懂）