基于PowerPC的VPN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

　　摘　要:隨著對(duì)因特網(wǎng)通信安全性需求的日益增加,VPN安全網(wǎng)關(guān)已廣泛應(yīng)用于企事業(yè)單位。高安全性、可靠性和高性價(jià)比是提高VPN網(wǎng)關(guān)競(jìng)爭(zhēng)力的有力手段。本文根據(jù)VPN的基本概念,提出了VPN安全網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案、嵌入式L inux操作系統(tǒng)的構(gòu)建方法,并簡(jiǎn)述了硬件加密模塊的實(shí)現(xiàn)方法。

　　關(guān)鍵詞：虛擬專用網(wǎng);PowerPC;嵌入式Linux操作系統(tǒng);IP安全

　　引言

　　因特網(wǎng)的迅速普及為企事業(yè)、政府、金融機(jī)構(gòu)等部門提供了更為迅捷經(jīng)濟(jì)的通信方式,提高了他們的工作和管理效率;但另一方面,日益不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卻嚴(yán)重威脅到這些用戶的利益。如何保證公網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)的安全,已成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。為此,需開(kāi)發(fā)一種由VPN (Virtual Private Network,簡(jiǎn)稱VPN )安全網(wǎng)關(guān)、VPN 客戶端和VPN安全管理中心三部份組成的VPN安全系統(tǒng)。

　　目前,國(guó)內(nèi)大部分VPN 網(wǎng)關(guān)在硬件平臺(tái)上使用基于x86 CPU的商用工控機(jī)主板。由于商用工控機(jī)是為一般的工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的,作為VPN網(wǎng)關(guān)使用時(shí),存在功能冗余、成本及可靠性難于控制等問(wèn)題。因此,有必要自己設(shè)計(jì)一款性價(jià)比較高的硬件平臺(tái)供VPN網(wǎng)關(guān)使用。Motorola通信處理器PowerPC在通信業(yè)中使用廣泛,并具有良好的性價(jià)比,可以滿足VPN安全網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)需要。另外,安全產(chǎn)品涉及一個(gè)國(guó)家的主權(quán)和敏感的安全信息,作為保證安全極為重要的操作系統(tǒng)和加密算法應(yīng)該完全為自己掌握。因此,采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)和加密算法尤為重要。而L inux操作系統(tǒng)源代碼的開(kāi)放性及其在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中的優(yōu)異表現(xiàn),使得我們可以用其構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VPN安全網(wǎng)關(guān)。

　　VPN概念

　　什么是VPN

　　VPN即虛擬專用網(wǎng),是通過(guò)一定的安全機(jī)制在公用的網(wǎng)絡(luò)如因特網(wǎng)中建立起與公網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立和封閉的信息通道,以保護(hù)企業(yè)各子網(wǎng)之間、子網(wǎng)和移動(dòng)用戶之間、移動(dòng)用戶和服務(wù)器之間的通信數(shù)據(jù)的安全。VPN利用公網(wǎng)的資源,讓用戶擁有同專網(wǎng)相同的安全性,并享受因特網(wǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和方便迅捷。

　　VPN如何保護(hù)通信安全

　　不同類型的VPN所采用的協(xié)議不同,使用的安全機(jī)制也不同。關(guān)于VPN的協(xié)議比較多,但目前最完善的、安全性最高的應(yīng)屬IPSec協(xié)議。它可使用CA數(shù)字證書來(lái)實(shí)現(xiàn)通信雙方的身份認(rèn)證;使用對(duì)稱加密算法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,保證數(shù)據(jù)的安全性;使用單向散列函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算摘要,并對(duì)摘要進(jìn)行加密來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性。此外,VPN節(jié)點(diǎn)之間通信,不可能每次都手工配置密鑰,手工方式既不安全也不方便,可以采用因特網(wǎng)自動(dòng)密鑰交換協(xié)議來(lái)進(jìn)行密鑰的協(xié)商,設(shè)置每次會(huì)話密鑰的生命期,在快要結(jié)束生命期時(shí),自動(dòng)協(xié)商下一個(gè)會(huì)話密鑰。

　　當(dāng)企業(yè)虛擬專網(wǎng)建立時(shí),需要在各個(gè)子網(wǎng)的出口配置安全網(wǎng)關(guān)。安全網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)對(duì)流出數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和計(jì)算校驗(yàn)和,對(duì)進(jìn)入數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和解密,并實(shí)施訪問(wèn)控制。VPN安全網(wǎng)關(guān)在其中具有舉足輕重的作用。比如,當(dāng)一臺(tái)主機(jī)與另外一臺(tái)主機(jī)通信時(shí),會(huì)首先啟動(dòng)IKE (自動(dòng)密鑰協(xié)商)進(jìn)程協(xié)商各種工作參數(shù),包括加密算法、驗(yàn)證算法、密鑰長(zhǎng)度、密鑰值等,并進(jìn)行雙向的身份認(rèn)證,所有這些成為一個(gè)安全關(guān)聯(lián)( Security Association) 。

　　VPN的使用

　　VPN安全網(wǎng)關(guān)與VPN Client軟件配合使用,通過(guò)靈活配置隧道策略,不僅可以解決通信的安全問(wèn)題,還可以解決用戶對(duì)公司總部網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)授權(quán)問(wèn)題。圖1 是一個(gè)VPN安全系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

　　當(dāng)網(wǎng)關(guān)與Client相連時(shí),遠(yuǎn)程用戶通過(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)公司總部時(shí)會(huì)首先通過(guò)VPN安全網(wǎng)關(guān),安全網(wǎng)關(guān)會(huì)對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證、協(xié)商密鑰,最終建立安全隧道并實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制。不同的用戶可能有著不同的訪問(wèn)權(quán)限。例如, Client1作為公司的主管,可以訪問(wèn)服務(wù)器A、B、C,而Client2作為普通員工,只能訪問(wèn)服務(wù)器A。通過(guò)中心管理員為不同的Client配置不同的策略,可以實(shí)現(xiàn)用戶訪問(wèn)服務(wù)器的權(quán)限。此種應(yīng)用適合移動(dòng)用戶接入公司內(nèi)網(wǎng)。

　　當(dāng)網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)相連時(shí),通過(guò)VPN管理中心或終端方式為需要相互通信的兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)間配置對(duì)應(yīng)的隧道,位于兩臺(tái)私口后的主機(jī)就能通過(guò)加密隧道進(jìn)行通信,防止數(shù)據(jù)被丟失、篡改并保證數(shù)據(jù)的完整。

　　VPN安全網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案概述

　　VPN系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　VPN的主要作用是采用加密、認(rèn)證和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在公共互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建相互信任方之間的安全加密信息傳輸通道,以期達(dá)到專用網(wǎng)絡(luò)的效果。VPN網(wǎng)關(guān)在其中將發(fā)揮非常重要的核心作用。

　　由圖1可知,VPN網(wǎng)關(guān)工作在本地局域網(wǎng)及與其通信的遠(yuǎn)程局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)位置,具有加密和認(rèn)證功能。相互信任的局域網(wǎng)間進(jìn)行通信時(shí),仍然使用互聯(lián)網(wǎng)作為中間信道。但是,通過(guò)VPN網(wǎng)關(guān)的加密功能確保信息在不安全的互聯(lián)網(wǎng)上流通時(shí)是密文形式。這樣,即便信息被截取,也無(wú)法偷窺或篡改其內(nèi)容,保證通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接的局域網(wǎng)間通信的安全性、機(jī)密性、可認(rèn)證性和完整性等安全性能。

　　VPN安全網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　(1) 完整實(shí)現(xiàn)IPSec協(xié)議簇,完全支持VPN的要求。

　　(2) 要建立在具有自主版權(quán)的、安全性完全控制在自己手中的內(nèi)核操作系統(tǒng)之上。

　　(3) 要確保自身的安全、協(xié)議的安全和信息通道的安全。采用國(guó)密辦批準(zhǔn)的加密算法,由硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加解密。

　　(4) 要具有較高的性價(jià)比,滿足低端網(wǎng)絡(luò)的要求。明文吞吐率10Mbp s;啟用IPSec協(xié)議,以隧道方式加密傳輸時(shí),吞吐率大于4Mbp s。

　　(5) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要采用先進(jìn)的硬、軟件技術(shù)和方法。

　　(6) 盡可能方便管理、靈活配置和界面友好。

　　技術(shù)思想

　　(1) 軟件: ①自主開(kāi)發(fā)的嵌入式安全操作系統(tǒng)內(nèi)核;②由于L inux OS的源代碼的開(kāi)放性及其在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中的優(yōu)異表現(xiàn),因而可以用其構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VPN安全網(wǎng)關(guān)(采用嵌入式L inux 2. 4. 4 For PowerPC,內(nèi)核根據(jù)需要裁減,并加入相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序,完成對(duì)FlashMemory和DOC文件系統(tǒng)的支持) ;③網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和IPSec協(xié)議層; ④數(shù)據(jù)加/解密算法由采用國(guó)密辦批準(zhǔn)的硬件加密芯片SSF10B實(shí)現(xiàn); ⑤管理系統(tǒng)層需支持手工和通過(guò)SMC (安全管理中心)配置IPSec策略。

　　(2) 硬件:根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該VPN網(wǎng)關(guān)將用于10Mbp s以太網(wǎng)環(huán)境中,設(shè)計(jì)采用目前在通信業(yè)中使用較廣的Mo2torola通信處理器PowerPC MPC8xx作為主CPU,選用其中一款性價(jià)比較高的控制器MPC855T。在硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中,本著滿足性能要求,保證高可靠性和高性價(jià)比的原則,采用有多種硬件選項(xiàng)的設(shè)計(jì),來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。

linux操作系統(tǒng)文章專題：linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）