嵌入式網絡地址監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計

很多中小型企業(yè)在網絡安全方面的投入很少，通常僅依靠帶簡單防火墻功能的寬帶路由器設備，這雖然能夠防止外部黑客的入侵，但對處在防火墻內部的員工或訪客造成的安全問題沒有任何作用。由于安全意識的缺失，在網絡布線工程完成之后，就很少投入人力物力，很少配備專職的網絡管理員，因此很容易出現各式各樣的網絡安全事件。最常見的問題是網絡IP地址盜用問題。

本文給出一種利用SoPC(System-on-a-Programmable-Chip)技術實現的、面向中小網絡、低價位、可靠的嵌入式IP地址防盜監(jiān)控方案。從管理學層面對網內IP地址的管理進行探討;在技術層面研究網絡協議，分析發(fā)生原理，找出IP地址盜用問題的原因和表現形式，從而找出根治辦法,在實現層面對開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)進行深入分析和裁剪，利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術，實現基于嵌入式硬件的網絡監(jiān)控，能顯著降低企業(yè)中兼職網管的工作量，確保網絡正常使用。

1 地址防盜機理

1.1 地址盜用分析

經過對企業(yè)網絡跟蹤監(jiān)控發(fā)現，地址盜用的用戶，除Legitimate(合法的)用戶以外，還有3種類型的惡意用戶：Masquerader(偽裝者)、Misfeasor(違法者)和Clandestined User(秘密活動者)[1]。

(1) Masquerader：此類人可能是為了逃避網絡計費，事先收集到別的用戶地址，用IP地址盜用的辦法，將網絡流量計費轉嫁到他人身上。

(2) Misfeasor：此類人一般是合法用戶，由于重裝系統(tǒng)等因素重新設定IP地址，但是輸入錯誤或是忘記自己的合法地址而胡亂設置。近兩年ARP類病毒或木馬也造成類似的網絡故障。

(3) Clandestined User：此類人可能是無上網權限的人或外來人員，為了某種目的，隱藏自己的身份或企圖冒充合法用戶身份來逃避追蹤。

1.2 對策分析

為了解決這些問題，大型網絡一般采用可網管型交換機進行地址綁定，更好的方式是用認證計費系統(tǒng)，但硬件改造投資比較大，不適合小規(guī)模網絡。中小型企業(yè)網中更多的是依靠兼職網管人工操作，工作量非常大。故采用嵌入式技術開發(fā)廉價的網絡地址監(jiān)控系統(tǒng)，以實現實時監(jiān)控和自動化響應與處理。

對網絡進行全天候監(jiān)控，將網絡上所有ARP廣播信息截獲，提取信息生成IP-MAC二元組對照表。對當前網段所有未用IP地址也生成特殊的IP-MAC二元組，即MAC字段設為000000000001這種非法的值。該表經由網管員確認后，作為合法用戶表。如果網管員無暇處理時，自動對某一時間段的數據利用概率統(tǒng)計算法生成該表。

對于Masquerader和Misfeasor：對照合法用戶列表，只需發(fā)現ARP廣播包中IP-MAC二元組不相符合，就表明有盜用的嫌疑。如果此用戶是Legitimate，會自行重復修改IP地址，不斷試驗，此時發(fā)送一個ARP-Relay包，告知該IP已經使用，則對方的PC機會提示“IP地址重復”并自動禁用網卡的TCP/IP棧。系統(tǒng)自動記錄盜用次數，如果發(fā)現超過設定次數，最終封閉MAC地址，并產生Alert消息，由網管員通過行政手段處理。ARP類病毒或木馬，一種是盜用網關設備的地址，攔截用戶發(fā)送的數據；一種是盜用用戶的IP從中截獲數據。還有些蠕蟲病毒為了加快傳播，會發(fā)送虛假的IP數據包，處理方法同上。

對于Clandestined User：通常先利用可上網的電腦來探測網絡，找出合法IP及對應的MAC地址，通過修改網卡的Flash芯片或者修改注冊表，獲得合法地址，繼而進行秘密活動。這是最復雜的情況，即使合法用戶和盜用者同時開機，也不會出現IP沖突的提示。但對于可網管型的交換機內部維護的FDB(Forwarding Database)地址表中，相應的MAC地址對應的端口就會經常變化，據此就能予以辨別，隨后詳細記錄日志，并發(fā)送警報信息通知管理員處理。這樣就需要監(jiān)控器能讀取FDB表，才能得知是否有相同的MAC從不同端口進入，進而關閉該端口，隔離破壞者。

1.3 封鎖方法

為了封鎖用戶上網，一般需要可網管交換機的配合。一般中小企業(yè)的核心交換機通常都是可網管型的，但是配置交換機需要專業(yè)人士，本設備可以實現自動配置，降低了對網管的技術要求。與交換機交互設置的常見方案為采用SNMP協議，但由于編程復雜，且很多交換機廠商并沒有嚴格遵循SNMP協議，故很難實現。本設備采用另外一種方法，就是模擬管理員手工配置交換機的過程，先利用Telnet協議登錄交換機，輸入用戶名和密碼，再輸入超級管理員密碼，發(fā)送配置指令。例如要禁止MAC地址為000c.2927.fe4d的計算機，在港灣的交換機上輸入命令：

C:telnet xxx.xxx.xxxx.xxx(核心交換機IP）

Login:admin 輸入用戶名和密碼

Password:

Harbour>en 進入特權模式，輸入超極管理員密碼

2 系統(tǒng)功能設計

2.1 功能

(1) IP沖突檢測與處理：判斷IP的合法性，再對檢測出的非法IP依據既定的處理方式進行處理，從而有效防止局域網內的IP沖突和盜用。

(2) 計算機聯網信息統(tǒng)計：適時分析網內計算機的活動狀況，把在線狀態(tài)、活動時間等作為日志信息保存。為網絡管理員提供材料作為IP地址管理與分析的依據。

(3) 服務器通信：系統(tǒng)設置了NTP和FTP兩個服務器。NTP時間服務器部署在局域網內，做為本系統(tǒng)時間同步的時鐘源；FTP服務器用于保存系統(tǒng)日志文件，并存有系統(tǒng)使用的配置文件信息以及合法IP-MAC地址信息。

(4) 時間同步：時間同步是從局域網內的NTP時間服務器獲取當前標準時間，從而可以為本系統(tǒng)提供時間校準與維護。

硬件實現的基本功能如表1所示，軟件實現的基本功能如表2所示。


2.2 開發(fā)平臺

本開發(fā)平臺可選用SoPC技術[2]、單片機(MCU)和ARM嵌入式系統(tǒng)。由于單片機對TCP/IP協議棧支持很差，而ARM雖處理能力強，但有些大材小用，因此最終采用SoPC技術實現。在Altera DE2上進行原型設計與開發(fā)測試，最終使用HardCopy系列器件實現產品化。

2.3 系統(tǒng)使用方法

根據TCP/IP棧中ARP協議原理，計算機在開始通信前都會發(fā)出廣播包，告知本機使用的IP地址信息，并獲取網管及各個服務器的IP-MAC信息。因此與其他網絡監(jiān)控或入侵檢測系統(tǒng)不同，所安裝的網絡無需改造，也不用增加TAP(網絡分接器)或集線器等設備，接到核心交換機的任意端口即可。

3 硬件系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)以嵌入式處理器NiosII[4]為核心，設計了顯示系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、鍵盤控制系統(tǒng)、網絡數據接口。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

為了完成監(jiān)視和控制功能，還需要利用網絡中的網管專用機提供FTP服務器完成日志的備份和配置信息的更新，并利用因特網上的NTP網絡時間服務器進行自動校時服務。

系統(tǒng)硬件在SoPC Builder上設計，采用的IP軟核清單如表3所示。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1操作系統(tǒng)選型

嵌入式操作系統(tǒng)有μcLinux、μC/OSII[3]、eCos。每個操作系統(tǒng)各有特色，從移植的難易程度、內核的大小、實時性等因素出發(fā)，選擇μC/OSII。NiosII IDE中嵌入了μC/OSII，可以快速地為NiosII處理器建立RTOS應用。這個內核是可移植、可固化、可裁剪，具有搶占式的實時多任務功能的操作系統(tǒng)。

4.2 TCP/IP協議棧選型

支持TCP/IP協議棧的主要有μIP、TinyTcp、μC/IP、lwIP幾種，每一種都有其特點與使用范圍。lwIP是開源的輕量型協議棧，沒有操作系統(tǒng)針對性，通過系統(tǒng)模擬層將協議棧中與平臺相關的代碼抽象出來，具有靈活可移植性，并且lwIP網絡應用開發(fā)提供了API接口，極大的方便了應用開發(fā)。由于本系統(tǒng)開發(fā)中選用的操作系統(tǒng)是μC/OS，且Nios II IDE支持lwIP協議棧，使得移植更方便，所以選用lwIP。

4.3 應用軟件功能設計

應用軟件是建立在操作系統(tǒng)基礎上的軟件系統(tǒng)，得益于μC/OSII良好的實時多進程的優(yōu)點，能夠同時完成人機交互、數據處理等主要工作。最核心的功能模塊是IP沖突檢測與處理模塊，主要完成對ARP包的解析、判斷是否合法、記錄日志等工作。另一個模塊是包發(fā)送模塊，它是主動方式運作，能夠掃描整個網絡，強制更新ARP表，對照合法的IP-MAC地址列表找出盜用者，還可以對盜用IP地址的人發(fā)出警告，阻止其上網，還可以探測并記錄各主機的開機或關機狀態(tài)。

4.4 文件系統(tǒng)選型

本系統(tǒng)采用SD卡存儲數據，在其上建立文件存取時，首先要建立文件系統(tǒng)。表4是三種類型數據文件所需的文件操作、保密要求及其空間占用情況。

Altera公司雖提供了Zip File System，但它在存儲介質、存儲量以及寫入操作方面已經不能滿足要求；而SD卡的可拔插性和FAT/FAT32的通用性，使建立在SD卡上的FAT/FAT32并不具有很強的保密性，同時在寫入數據到文件之前需要查表，不能滿足高速的要求，而且實現文件系統(tǒng)的建立也需要一定的代碼量；NTFS雖然具有保密性，但其存取速度同樣不能滿足要求，實現起來則更為復雜?；谝陨显?，本系統(tǒng)在實現了基本的SD卡讀取操作后，對SD卡存取空間進行了劃分，實現了一個簡單、高效同時具有保密性的自定義文件系統(tǒng)。對分區(qū)數據的讀寫操作是通過對SD卡驅動的直接讀寫操作進行簡單封裝實現的，同時數據的存儲無需查表等額外操作，因此具有高效性。分區(qū)數據的記錄則是將需要存儲的數據放入程序內部的數據結構后寫入SD卡來存儲的，具有一定的保密性。

4.5 網絡服務規(guī)劃

本設備可以作為手持式設備臨時地調試監(jiān)控，也可以固定在機柜中進行長期觀察。為了方便網絡管理員的操作，提供了Telnet遠程操作功能，可以自動將系統(tǒng)日志、警報信息等上傳至網管專用機上，還能自動下載最新的配置文件進行設置，并且，為了生成規(guī)范的日志，還提供了自動校時功能。這些功能依次對應Telnet服務模塊、FTP服務模塊、NTP服務模塊。

4.6 軟件流程圖

應用軟件中最重要的模塊是IP沖突檢測與處理的實現。IP沖突檢測是在捕獲ARP包的基礎上對ARP包中的源IP和源MAC進行分析，從而判斷該數據包的IP地址是否產生了沖突或者是非法的IP地址。其中檢測通過包的主分析進程完成，其流程圖如圖2所示。處理操作通過包發(fā)送進程完成，其流程如圖3所示。

基于SoPC技術，利用QuartusII開發(fā)軟件，在以Nios II為核心的嵌入式系統(tǒng)設計平臺上進行設計，能靈活、快捷地完成系統(tǒng)設計開發(fā)。該設備使用方便、靈活、高效價格低廉，可作手持式臨時調試監(jiān)控，也可長期固定實現網絡監(jiān)視和IP盜用處理，非常適合于中小企業(yè)網。