基于嵌入式Linux操作系统实现VPN安全网关的设计方案

随着对因特网通信安全性需求的日益增加，VPN安全网关已广泛应用于企事业单位。高安全性、可靠性和高性价比是提高VPN网关竞争力的有力手段。本文根据VPN的基本概念，提出了VPN安全网关设计方案、嵌入式Linux操作系统的构建方法，并简述了硬件加密模块的实现方法。

因特网的迅速普及为企事业、政府、金融机构等部门提供了更为迅捷经济的通信方式，提高了他们的工作和管理效率;但另一方面，日益不安全的网络环境却严重威胁到这些用户的利益。如何保证公网上传输数据的安全，已成为一个迫切需要解决的问题。为此，需开发一种由VPN （Virtual Private Network，简称VPN ）安全网关、VPN 客户端和VPN安全管理中心三部份组成的VPN安全系统。

目前，国内大部分VPN 网关在硬件平台上使用基于x86 CPU的商用工控机主板。由于商用工控机是为一般的工业控制而设计的，作为VPN网关使用时，存在功能冗余、成本及可靠性难于控制等问题。因此，有必要自己设计一款性价比较高的硬件平台供VPN网关使用。Motorola通信处理器PowerPC在通信业中使用广泛，并具有良好的性价比，可以满足VPN安全网关的设计需要。另外，安全产品涉及一个国家的主权和敏感的安全信息，作为保证安全极为重要的操作系统和加密算法应该完全为自己掌握。因此，采用具有自主知识产权的操作系统和加密算法尤为重要。而L inux操作系统源代码的开放性及其在网络产品中的优异表现，使得我们可以用其构建具有自主知识产权的VPN安全网关。

VPN概念

什么是VPN

VPN即虚拟专用网，是通过一定的安全机制在公用的网络如因特网中建立起与公网相对独立和封闭的信息通道，以保护企业各子网之间、子网和移动用户之间、移动用户和服务器之间的通信数据的安全。VPN利用公网的资源，让用户拥有同专网相同的安全性，并享受因特网带来的经济实惠和方便迅捷。

VPN如何保护通信安全

不同类型的VPN所采用的协议不同，使用的安全机制也不同。关于VPN的协议比较多，但目前最完善的、安全性最高的应属IPSec协议。它可使用CA数字证书来实现通信双方的身份认证;使用对称加密算法来对数据进行加密，保证数据的安全性;使用单向散列函数对数据计算摘要，并对摘要进行加密来保证数据的完整性。此外，VPN节点之间通信，不可能每次都手工配置密钥，手工方式既不安全也不方便，可以采用因特网自动密钥交换协议来进行密钥的协商，设置每次会话密钥的生命期，在快要结束生命期时，自动协商下一个会话密钥。

当企业虚拟专网建立时，需要在各个子网的出口配置安全网关。安全网关负责对流出数据进行加密和计算校验和，对进入数据进行检验和解密，并实施访问控制。VPN安全网关在其中具有举足轻重的作用。比如，当一台主机与另外一台主机通信时，会首先启动IKE （自动密钥协商）进程协商各种工作参数，包括加密算法、验证算法、密钥长度、密钥值等，并进行双向的身份认证，所有这些成为一个安全关联（ Security Association） 。

VPN的使用

VPN安全网关与VPN Client软件配合使用，通过灵活配置隧道策略，不仅可以解决通信的安全问题，还可以解决用户对公司总部网络的访问授权问题。图1 是一个VPN安全系统的典型网络拓扑图。

当网关与Client相连时，远程用户通过因特网访问公司总部时会首先通过VPN安全网关，安全网关会对用户进行身份验证、协商密钥，最终建立安全隧道并实现访问控制。不同的用户可能有着不同的访问权限。例如， Client1作为公司的主管，可以访问服务器A、B、C，而Client2作为普通员工，只能访问服务器A。通过中心管理员为不同的Client配置不同的策略，可以实现用户访问服务器的权限。此种应用适合移动用户接入公司内网。

当网关与网关相连时，通过VPN管理中心或终端方式为需要相互通信的两台网关间配置对应的隧道，位于两台私口后的主机就能通过加密隧道进行通信，防止数据被丢失、篡改并保证数据的完整。

VPN安全网关设计方案概述

VPN系统体系结构

VPN的主要作用是采用加密、认证和网络技术在公共互联网上构建相互信任方之间的安全加密信息传输通道，以期达到专用网络的效果。VPN网关在其中将发挥非常重要的核心作用。

由图1可知，VPN网关工作在本地局域网及与其通信的远程局域网的网关位置，具有加密和认证功能。相互信任的局域网间进行通信时，仍然使用互联网作为中间信道。但是，通过VPN网关的加密功能确保信息在不安全的互联网上流通时是密文形式。这样，即便信息被截取，也无法偷窥或篡改其内容，保证通过互联网连接的局域网间通信的安全性、机密性、可认证性和完整性等安全性能。

VPN安全网关的设计目标

（1） 完整实现IPSec协议簇，完全支持VPN的要求。

（2） 要建立在具有自主版权的、安全性完全控制在自己手中的内核操作系统之上。

（3） 要确保自身的安全、协议的安全和信息通道的安全。采用国密办批准的加密算法，由硬件实现数据加解密。

（4） 要具有较高的性价比，满足低端网络的要求。明文吞吐率10Mbp s;启用IPSec协议，以隧道方式加密传输时，吞吐率大于4Mbp s。

（5） 设计与实现要采用先进的硬、软件技术和方法。

（6） 尽可能方便管理、灵活配置和界面友好。

技术思想

（1） 软件： ①自主开发的嵌入式安全操作系统内核;②由于L inux OS的源代码的开放性及其在网络产品中的优异表现，因而可以用其构建具有自主知识产权的VPN安全网关（采用嵌入式L inux 2. 4. 4 For PowerPC，内核根据需要裁减，并加入相应的硬件驱动程序，完成对FlashMemory和DOC文件系统的支持） ;③网络协议和IPSec协议层; ④数据加/解密算法由采用国密办批准的硬件加密芯片SSF10B实现; ⑤管理系统层需支持手工和通过SMC （安全管理中心）配置IPSec策略。

（2） 硬件：根据设计要求，该VPN网关将用于10Mbp s以太网环境中，设计采用目前在通信业中使用较广的Mo2torola通信处理器PowerPC MPC8xx作为主CPU，选用其中一款性价比较高的控制器MPC855T。在硬件平台的设计中，本着满足性能要求，保证高可靠性和高性价比的原则，采用有多种硬件选项的设计，来满足设计要求。嵌入式L inux操作系统的构建

通常的嵌入式系统开发大致可以分为硬件设计、装载或引导嵌入式系统、在嵌入式系统上建立开发平台以及开发应用等四个步骤。

利用ppcboot引导

ppcboot是德国Denk软件工程中心开发的引导程序，我们在研究开发中使用了其中的ppcboot-1. 1. 5作为开发蓝本，对其代码进行了修改，以满足硬件设计的要求。

ppcboot源码树的目录结构

CHANGELOG　/ /记录历次版本升级时的修改内容

COPYING

CRED ITS

MAKEALL

Makefile　/ /制作文件

README　/ /必读的文件

System. map　/ /当编译连接完成后，所生成的ppcboot二进

/ /制中所有函数、数据的地址信息

board　/ /各种与板子硬件关联的。 c模块

common　/ /一些通用ppcboot命令集的。 c模块

config. mk

cpu　/ /与MPC8xx硬件关联的系统初始化。 c代码

disk　/ /磁盘分区支持

doc　/ /技术文档目录

examp les　/ /一些简单的、无需操作系统的应用程序

fs　/ /ppcboot中对文件系统的支持

include　/ /头文件

net　/ /网络协议支持

ppc PowerPC　/ /处理器运行时环境支持

ppcboot　/ / elf32格式的ppcboot二进制执行文件

ppcboot. bin　/ / raw二进制格式的ppcboot执行文件

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

rtc　/ /实时时钟支持

tools　/ /与ppcboot相关的一些工具软件ppcboot的特点

经修改后， ppcboot-1. 1. 5 具有如下特性： （ 1 ） 支持bootm，直接从flash引导L inux，并提供软件工具集，可构建出最终烧结用的影像; （2） 支持从doc或flash memory引导L inux，并提供工具集，可构建出最终烧结用的影像; （3） 板上flash /doc读、写、擦除功能; （4） 支持串行口kermit协议下载代码或数据; （5） 支持scc1以太网口启动tftp下传数据：如内核、ramdisk、autoscrip t等影像; （ 6） 支持串行口srecord下载代码或数据; （7） 支持autoscrip t; （8） 提供板上内存读写，格式化显示，可进行简单测试。

当完成ppcboot-1. 1. 5的改写后，对其进行编译，得到二进制的ppcboot. bin代码，然后将其烧录在板上的BOOTEPROM中，这样就可以在上电后完成对系统的引导。

建立L inux开发平台

修改和编译嵌入式L inux内核

Linux内核有自己的结构体系，进程管理、内存管理和文件系统是其最基本的三个子系统。图2 为L inux 内核的结构。图中虚线框中部分可以看成是Linux内核的单内核结构，因此修改内核必须注意各子系统间的协调。

Linux开发平台使用内核版本为2. 4. 4的PowerPC嵌入式L inux操作系统作为VPN 网关的基本软件平台。为了支持硬件平台，需要对内核进行修改，并增加相应设备的驱动程序。

（1） 驱动程序列表。

DOC 驱动程序源码： /home / sjw01 / linux/drivers/mtd /devices/ doc2000. c;

以太网驱动程序源码： / home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx _ io / enet_scc1. c fec. c;

RTC 驱动程序源码： /home / sjw01 / linux/drivers/unis _ rtc / rtc8xx. h rtc8xx. c setrtc8xx. cMkaefile setrtc8xx;

串口驱动程序源码： /home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx_ io / uart. c;

flash memory 驱动程序源码： /home / sjw01 / linux/drivers/mtd / map s/unis. c。

（2） 交叉编译环境。

使用hardhat CDK2. 0作为开发工具，需将下面的路径加入用户环境变量＄PATH 中： /op t/hardhat/devkit/ppc /8xx/bin; #export PATH = ＄PATH： /op t/hardhat/devkit/ppc /8xx/bin或编辑“。 bash_p rofile”文件的PATH行。对于应用软件，一般情况下只要替换编译器cc为ppc_8xx-gcc，重新编译一下源代码即可。构建目标文件系统

配置DOC或FlashMemory中的文件系统是件很讲究的事情，主要是因为DOC /Flash容量有限，在保证正常功能的前提下，要尽可能地少占用资源。

总体上，文件分成如下几类： （1）共享库类：这类文件必不可少。（2） L inux/GNU系统实用工具：尽量用busybox、tinylogin代替，能减则减。（3）配置文件：多出现在/ etc下，不太占地方，但要注意协调关系。（4）用户应用程序：编译时尽量使用动态连接，编译后strip一下，放到固定位置。

目标文件系统列表如表1所示。

所有配置文件、可执行文件、库文件的位置均符合L inux操作系统的惯例。

IPSec实现中的硬件加密算法

在VPN安全网关中，加密算法的安全、高效，是VPN网关安全性和有效性的重要保证。为此，在设计中采用了一种硬件加密模块的方式，使得我们的VPN网关可以在硬件上使用不同的加密算法。在我们的默认配置中，使用国密办批准的分组加密算法芯片SSF10。

为了使用硬件加密模块，需要在L inux内核的IPSec实现中添加和修改相应的代码，下面对其简单说明。由于IPSec实现在内核中的特殊位置，并且MPC855T的主频较低（80MHz） ，采用访问设备驱动文件的方式访问硬件SSF10加密模块会造成速率大幅降低。因此，我们采用I/O直接访问硬件SSF10芯片。这需要将模块驱动中的操作分散到IPSec实现的相关部分，替换原来的软件加密算法。同理，可以使用硬件DES/3DES、硬件AES算法和其他国密办批准的算法，用硬件实现数据加密。对IPSec的一个实现freeswan算法部分进行修改，使其可以实现硬件算法。与硬件加密算法有关的文件如下：

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， 使用内核make menuconfig 命令， 选中Networking op tions→［* ］ IPSEC： Use SSF10.。，重新编译即可使用SSF10硬件算法模块。

结束语

为了满足VPN安全网关设计的目标，本文在基于Motorola PowerPC和嵌入式L inux的VPN网关设计中使用Motorola通信处理器PowerPC、采用L inux和加密算法，构建出了具有自主知识产权的VPN安全网关。理论分析表明，本文提出的VPN安全网关设计方案、嵌入式L inux操作系统的构建方法以及硬件加密模块的实现方法能够满足10Mbp s的网络环境中提供虚拟专用网的安全服务。但是，由于其定位在低端，不适合在100Mbp s的网络环境中使用。如果要在100Mbp s的环境中使用VPN网关，就要考虑使用基于PowerPCMPC82xx的硬件平台。

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