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基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)硬件防火墻的實現(xiàn)

作者: 時間:2007-03-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:隨著的普及,安全問題正在威脅著每一個用戶。由于黑客攻擊和信息泄漏等安全問題并不像病毒那樣直截了當(dāng)?shù)膶?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(tǒng)進行破壞,而是故意隱藏自己的行動,所以往往不能引起人們的重視。但是,一旦安全問題發(fā)生,通常會帶來嚴重的后果。目前最常見的網(wǎng)絡(luò)安全防范工具是軟件,這種的缺點就是占用有限資源,隨著的等級提高,該防火墻將嚴重阻礙通信的質(zhì)量。本文對網(wǎng)絡(luò)防火墻的具體分析,來討論通過網(wǎng)絡(luò)防火墻的過程。
關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)防火墻,系統(tǒng),UCOSII,TCP/IP,USB2.0

1 引言

網(wǎng)絡(luò)防火墻是一種控制用戶計算機網(wǎng)絡(luò)訪問的軟件或。通過對它的各種規(guī)則設(shè)置,使得合法的鏈路得以建立;而非法的連接將被禁止,同時通過各種手段屏蔽掉用戶的隱私信息,以保障用戶的對網(wǎng)絡(luò)訪問的安全。目前一般個人電腦是用的軟件防火墻,隨著微電子的快速發(fā)展,我們可以完全利用系統(tǒng)來硬件防火墻,從而提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)訪問性能。

2 網(wǎng)絡(luò)防火墻的硬件

2.1 網(wǎng)絡(luò)防火墻的硬件結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中,主芯片采用菲利普的LPC2210,它是一款采用ARM7TDMI的核,工作頻率可高達60M。網(wǎng)絡(luò)芯片采用的Realtek公司的RTL8019AS,它是一款10M的網(wǎng)絡(luò)芯片。PC機的通信芯片采用Cypress的USB2.0的接口芯片CY7C68013,它可以完成PC機和硬件防火墻的高速通信。在本系統(tǒng)中還提供2M字節(jié)的FLASH和512K字節(jié)的RAM,它們分別由芯片SST39VF160和IS61LV25616AL來實現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1:

2.2 主芯片LPC2210

LPC2210是一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S的微控制器對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%而性能的損失卻很小。

由于LPC2210的144腳封裝極低的功耗多個32位定時器8路10位ADCPWM輸出以及多達9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制醫(yī)療系統(tǒng)訪問控制和POS機 。

通過配置總線LPC2210最多可提供76個GPIO由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器嵌入式軟modern以及其它各種類型的應(yīng)用。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信芯片RTL8019

RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片是REALTEK公司生產(chǎn)的,ISA接口的10M以太網(wǎng)通信芯片。 它采用全雙工方式來進行接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù),非常容易和微處理器接口。該芯片集成了以太網(wǎng)的物理層以及以太網(wǎng)的收發(fā)器,數(shù)據(jù)封包形式完全符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 USB2.0接口芯片CY7C68013

CY7C68013是Cypress公司生產(chǎn)的一款USB2.0的接口芯片。它內(nèi)部集成了8051的核,可以單獨對該芯片編程。由該芯片完成USB2.0接口,跟PC機的通信速率可以高達10Mbyte/s。我們利用該款芯片來實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)FIFO,即對微處理器來講,它只要將數(shù)據(jù)寫入該FIFO,然后該芯片就會將數(shù)據(jù)按照USB2.0的協(xié)議發(fā)送給PC機。

3網(wǎng)絡(luò)防火墻的軟件實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中,軟件一共分為兩個部分:即嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)部分和PC機用戶界面實現(xiàn)部分。嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)部分主要完成對網(wǎng)絡(luò)封包的過濾以及完成與PC的人機界面的接口。用戶可以通過USB2.0接口對網(wǎng)絡(luò)硬件防火墻進行設(shè)置,然后嵌入式系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的安全規(guī)則來完成對網(wǎng)絡(luò)封包進行過濾。

31底層軟件的實現(xiàn)

這部分軟件是網(wǎng)絡(luò)硬件防火墻實現(xiàn)的關(guān)鍵,它主要完成四個方面的工作,即對網(wǎng)絡(luò)封包的過濾,日志的記錄并發(fā)送,對用戶的報警以及跟PC機的接口。在本系統(tǒng)中我們采用實時操作系統(tǒng)UCOS,配合自己編寫的TCP/IP協(xié)議棧來實現(xiàn)對各個網(wǎng)絡(luò)層次封包的過濾。

311 UC/OSIIARM7下的移植

UCOSII是一個完整、可移植、可固化及可剪裁的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。它用ANSI C編寫,包含一小部分匯編代碼,使之可以供不同架構(gòu)的微處理器使用。移植該實時操作系統(tǒng)是實現(xiàn)底層軟件的第一步。移植操作系統(tǒng)其實是一件不簡單的事情,它必須要求開發(fā)人員對目標(biāo)硬件平臺有很深的了解;對UCOS的原理有相當(dāng)?shù)牧私猓粚λ褂玫木幾g器有較深入的了解。只有具備以上三點,才能成功移植該實時操作系統(tǒng)。要移植UCOS,只要編寫三個文件即可,它們分別是:OS_CPU.H,OS_CPU_C.C,OS_CPU_A.ASM。下面就簡單介紹該移植的實現(xiàn)過程。

第一個是編寫OS_CPU.H。在該文件中主要完成以下幾個方面的工作。首先是幾個數(shù)據(jù)類型的定義,如INT8U、INT16U、INT16S等,之所以這樣做是因為ANSI C中并沒有明確定義short、int等數(shù)據(jù)類型的實際長度,它與處理器的類型有關(guān),隱含著不可移植性。代之以移植性強的INT8U、INT16U等數(shù)據(jù)類型,即直觀又可移植。其次就是完成兩個中斷處理宏的定義,一個是關(guān)中斷宏OS_ENTER_CRITICAL( ),另一個就是開中斷宏OS_EXIT_CRITICAL( )。考慮到不是所有版本的C語言都支持C語言級的開關(guān)中斷,所以編寫此宏來實現(xiàn)C語言級的開關(guān)中斷。最后就是定義棧生長方向和棧的寬度,它們分別用變量OS_STK_GROWTH和OS_STK。

第二個是編寫OS_CPU_C.C。在該文件中主要完成函數(shù)OSTaskStkInit( )的編寫,該函數(shù)主要完成任務(wù)堆棧的的初始化工作,如初始化各個寄存器的狀態(tài),以及用戶添加的一些任務(wù)變量等。

第三個是編寫OS_CPU_A.ASM。該文件的是移植的關(guān)鍵所在,在本文件中必須完成四個函數(shù)的編寫工作,它們分別為OSIntCtxSw( ),OSCtxSw( ), OSStartHighRdy( )和OSTickISR( )。其中前兩個函數(shù)是重中之重,它們必須用匯編語言編寫,主要完成任務(wù)環(huán)境的切換工作。

在ARM7硬件平臺下移植UCOSII要注意幾個問題,首先是在移植系統(tǒng)函數(shù)或者系統(tǒng)宏時要盡量的調(diào)用軟件中斷,這樣有助于簡化移植工作;其次在初始化任務(wù)堆棧時,可以添加任務(wù)變量OSEnterSum這個變量來監(jiān)視中斷開關(guān)次數(shù),這是關(guān)于移植的一個技巧;最后要注意為了方便編寫中斷服務(wù)程序,在移植時還要提供相應(yīng)的匯編宏來簡化用戶層代碼的編寫。

312 TCP/IP協(xié)議棧在UCOSII下的實現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議分為四層,分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層,物理層。本系統(tǒng)中物理層主要包括8019的驅(qū)動程序,網(wǎng)絡(luò)層包括IP協(xié)議和ARP協(xié)議,傳輸層主要包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議,應(yīng)用層主要包括FTP、HTTP、SNMP和一些用戶應(yīng)用程序。由于該協(xié)議實現(xiàn)很復(fù)雜,這也是本系統(tǒng)實現(xiàn)的難點,下面給出該協(xié)議棧實現(xiàn)的函數(shù)框圖:

圖3

箭頭表示函數(shù)的調(diào)用關(guān)系,該協(xié)議棧是一個較完整的TCP/IP協(xié)議棧,它提供標(biāo)準(zhǔn)的SOCKET API函數(shù),非常方便用戶來實現(xiàn)INTERNET通信。并集成了簡單的路由協(xié)議,可以跨越網(wǎng)關(guān)收發(fā)數(shù)據(jù)。TCP/TP協(xié)議棧的實現(xiàn)都是通過調(diào)用圖2框圖來實現(xiàn)的。

313 各協(xié)議層下網(wǎng)絡(luò)封包過濾的實現(xiàn)

實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議,在該基礎(chǔ)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)封包的過濾只是個原理的實現(xiàn)問題。在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)封包過濾時,一般不會直接在協(xié)議里面進行數(shù)據(jù)包的過濾,而是在TCP/IP協(xié)議棧的各個層次下嵌入用戶過濾層,從而實現(xiàn)對改層數(shù)據(jù)包的過濾。比如要將PING程序的回顯屏蔽掉,只要在傳輸層之上嵌入用戶過濾層,該用戶層作用是,當(dāng)傳輸層向用戶層提交接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時,該用戶層必須對所有的IP數(shù)據(jù)包進行檢查。若檢查到某個IP數(shù)據(jù)包含有PING請求時,該用戶層就會將該數(shù)據(jù)包屏蔽掉,即它不會將該數(shù)據(jù)包提交到網(wǎng)絡(luò)層的。若IP數(shù)據(jù)包正常時,它就會將數(shù)據(jù)包直接提交到網(wǎng)絡(luò)層。這樣,添加了該層協(xié)議之后,就可以對傳輸層的協(xié)議包進行過濾。同樣的道理,可以在各個協(xié)議層下添加用戶過濾層來實現(xiàn)各種協(xié)議數(shù)據(jù)包的過濾。具體的實現(xiàn)過程見圖4:


314 USB2.0接口模塊的實現(xiàn)

該模塊采用CY7C68013,該芯片本身提供高速FIFO通道來實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)到USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換,只要在程序初始化時,將該芯片置成SLAVE FIFO模式,那該芯片就會扮演一個協(xié)議轉(zhuǎn)換器的角色。它的工作原理見圖4。

由上圖可以看出,LPC2210只要周期的查詢標(biāo)志位,來判斷FIFO是滿還是空,如果接收FIFO有數(shù)據(jù)就立刻將數(shù)據(jù)讀進來進行處理;若發(fā)送FIFO滿,這時就不能將數(shù)據(jù)發(fā)送到FIFO中。CY7C68013的初始化程序片段如下:

IFCONFIG = 0xCB; //設(shè)置68013工作在SLAVE FIFO模式

PINFLAGSAB = 0x98; //將FLAGA,F(xiàn)LAGB分別設(shè)置成FIFO滿和空標(biāo)志

FIFORESET = 0x02; //復(fù)位各個FIFO緩沖

FIFORESET = 0x04;

FIFORESET = 0x06;

FIFORESET = 0x08;

EP2FIFOCFG = 0x00; //將FIFO設(shè)置成自動輸出,并是傳輸數(shù)據(jù)寬度為16位

只要在CY7C68013中添加以上初始化程序,就可以將該芯片變成一個USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器,其傳輸速率可達10Mbyte/S。

32 PC機人機界面的實現(xiàn)

該部分軟件可以稱為上位機軟件,主要是在WINDOWS環(huán)境下實現(xiàn)的用戶界面。該用戶界面一共分為四個部分:封包監(jiān)視、日志查詢、控管規(guī)則以及系統(tǒng)設(shè)置。這四個部分都是通過USB2.0接口與硬件防火墻進行通信,用戶通過它們就可以很方便的實現(xiàn)對具體網(wǎng)絡(luò)封包的過濾,對日志進行查詢以及對網(wǎng)絡(luò)控管規(guī)則的設(shè)置。

封包的監(jiān)視:該模塊就是指硬件防火墻根據(jù)用戶設(shè)置的控制規(guī)則對網(wǎng)絡(luò)封包進行過濾,當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)封包被攔截之后,硬件防火墻會通過USB接口模塊將攔截信息傳給該模塊。該模塊接收到攔截信息后,就會在PC機上以一定的形式顯示出來。

日志管理:該模塊是用來設(shè)置查詢條件并顯示查詢結(jié)果。該模塊是非常實用的,用戶可以從某個日志文件中查找符合條件的記錄并顯示,這極大的方便了用戶對網(wǎng)絡(luò)封包數(shù)據(jù)的分析。

控管規(guī)則:該模塊是人機界面的最重要部分,它用來設(shè)置和顯示應(yīng)用程序以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的控管規(guī)則,這個模塊需要提供對控管規(guī)則進行增加、修改和刪除的功能按鈕。比如,用戶希望對某個IP地址或者IP范圍進行屏蔽,就可以通過添加控制規(guī)則來實現(xiàn)該目的。

系統(tǒng)設(shè)置:該模塊其實是一個輔助模塊,由它來設(shè)置系統(tǒng)的配置參數(shù)。這些參數(shù)分為公共設(shè)置和報警設(shè)置,其中公共設(shè)置包括日志設(shè)置,是否自動啟動以及是否顯示歡迎界面。報警設(shè)置包括攔截時是否用聲音報警和是否閃爍圖標(biāo)報警等。

4結(jié)語

我們設(shè)計的針對個人PC用戶的硬件防火墻,具有成本低,性能優(yōu)越的優(yōu)點,它可以極大的節(jié)約系統(tǒng)資源,為個人用戶提供高效可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及,個人網(wǎng)絡(luò)硬件防火墻將會有很大的發(fā)展空間,它的出現(xiàn)將極大的保障用戶的對網(wǎng)絡(luò)訪問的安全。

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