基于uCLinux的嵌入式无线IPSec VPN网关

引言

　　随着网络和无线通信技术的发展以及无线数据传输能力的提高，无线数据传输的应用领域不断扩展，如图1所示，用户的移动设备可以通过CDMA/GPRS公众无线网络直接访问Internet，进而访问自己的内部结构，省去了自己组网的费用，由于用户都希望保障其数据的安全，所以采用VPN技术成为其必然选择。

1 IPSec简介

　　IPSec的目标是为IP提供互操作高质量的基于密码学的一整套安全服务，包括访问控制、无连接完整性、数据源验证、抗重放攻击、保密性和有限的流量保密，这些服务都在IP层提供，可以为IP和上层协议提供保护。

　　IPSec的体系结构在RFC2401中定义，它通过两个传输安全协议——头部认证（AH）和封装安全负载（ESP）以及密钥管理的过程和相关协议来实现其目标，AH提供无连接完整性、数据源验证和可选的抗重发攻击服务，ESP可以提供保密性、有限的流量保密、无连接一致性、数据源验证和抗重发攻击。AH和ESP都是基于密钥分配和流量管理的访问控制的基础，AH和ESP都有两种模式：传输模式和隧道模式。传输模式用于保护主机间通信；而隧道模式将IP隧道里，主要用于保护网关间通信。

　　IPSec中用户通道向IPSec提供自己的安全策略（SP）来控制IPSec的使用，包括对哪些数据进行保护，需要使用哪些安全服务，使用何种加密算法，IPSec中安全关联（SA）是一个基本概念，它是一个简单“连接”，使用AH或者ESP为其负载提供安全服务，则需要两个和更多个SA，同时由于SA是单向的，因此如果是双向保密通信，则每个方向至少需要一个SA。IPSec中有两个与安全相关的数据库，安全策略数据库（SPD）和安全关联数据库（SAD），前者定义了如何处理所有流入和流出IP数据处理的策略，后者包含所有（有效）SA有关的参数。

　　AH/ESP中所使用的密钥的分配和SA管理都依赖于一组独立机制，包括人工和自动两种方式，IPSec定义了IKE协议用于自动方式下的密钥分配和SA管理，IKE中密钥分配和SA管理的过程分成两个阶段，第一阶段是密钥协商双方建立一个相互信任的、保密的安全通道，用户保护第二阶段密钥协商过程，第二阶段完成实际用于IPSec SA的协商。

　　IPSec的数据处理模型如图2所示，对流入/流出的数据首先确定其安全策略，如果需要安全服务，则要找到其相应的安全关联，根据安全关联，提供的参数进行AH/ESP处理后完成流入/流出。

2 系统功能

　　本系统的主要功能是支持CDMA和GPRS两种方式接入Internet，既可作为VPN服务器，又可作为VPN客户端。IPSec的密钥交换支持共享密钥方式和基于X.509的公开密钥方式。

3 系统的硬件实现

　　系统硬件构成如图3所示，无线接口采用的是Wavecom CDMA/GPRS模块，基板采用的是Freescale Coldfire 5272。

4 系统的软件实现

　　Linux的2.6内核中加入了对IPSec的支持，本系统采用的是基于Linux2.6内核的IPSec-tools，整个系统中IPSec的相关软件结构如图4所示，Linux2.6内核在其网络协议栈中提供对AH和ESP支持，同时包括SPD的实现和SAD的实现，IPSec-tools包括setkey和racoon两个应用程序。Setkey实现IPSec中SPD管理和SAD的人工管理，它需要使用Linux内核支持IPSec用户管理接口。Racoon是IPSec-tools中IKE的实现，它需要内核支持PF_KEYv2的接口，同时为了支持基于X.509证书的公开密钥身份验证方式，racoon需要使用openssl提供的libcryto加密库。AH/ESP所使用的加密算法需要内核加密算法支持。

4.1 Linux内核

　　在www.kernel.org下载并安装linux2.6.12内核，在www.ucLinux.org下载其uCLinux补丁。打上补丁后，通过make menuconfig进入Linux的内核配置界面，选定如下所有配置：

4.2 Openssl（libcrypto.a）

　　安装Openssl 0.9.7 e源代码后，进入安装目录，修改其Configure文件使用m68k-elf-gcc作为编译器。运行Configure Linux-m68k完成配置后，编译生成libcrypto.a。

4.3 IPSec-tools

　　依照ucLinux中任何加入新的用户程序的文档，在ucLinux的/user目录中加入IPSec-tools0.5.2软件包。进入IPSec-tools的安装目录，并在该目录下加入一个如下Makefile（在这个Makefile中需要指定内核头文件和openssl源代码的安装目录）：

all：build ＄（MAKE）-C build

　　编译生成setkey和racoon两个应用程序

5 IPSec-tools的使用

　　本系统的IPSec同时支持传输模式和隧道模式。作为VPN网关时只使用隧道模式。图5是两个IPSec网关间通信模型。192.168.1.100和192.168.2.100分别是两个网关外部接口的IP地址，它们分别保护172.16.1.0/24和172.16.2.0/24两个内部子网，下面以图5中外部IP为192.168.0.1的网关为例，介绍IPSec-tools中隧道模式下安全策略和密钥管理的方法。

5.1 安全策略

　　IPSec-tools中安全策略的管理由Setkey完成。在setkey的配置文件setkey.conf中需要加入流入（in）、流出（out）、转发（fwd）三条安全策略规则。

5.2 密钥和SA的管理

（1）人工方式

　　Setkey.conf中SA规则定义IPSev密钥和SA人工方式的管理。

（2）自动方式

　　自动方式的管理由racoon完成，racoon支持多种验证方式，包括预共享密钥和X.509证书方式，racoon的配置文件racoon.conf主要包括Remote和sainfo两大部分，分别对应于IKE交换的第一阶段和第二阶段，Remote部分指定IKE交换第一阶段的身份验证方式和加密、验证算法等参数，sainfo部分指定第二阶段的加密和验证算法。

　　预共享密钥方式下用户的预共享密钥保存在文件中，此时racoon.conf的配置如下（其中指定了预共享密钥所存放的文件）：

　　在X.509证书方式下，racoon.conf的配置与共享密钥方式的基本相同，其指定了证书所在目录，自己的X.509的证书、自己的证书密钥和CA的证书。有关racoon中证书的生成请参照racoon和openssl的使用手册。

5.3 运行

　　在无线网关接入Internet后，依次运行setkey和racoon。

结语

　　无线数据传输和IPSec的结合使得无线数据传输的应用领域进一步扩展，目前本系统已广泛应用于金融、保险、电力、监控、交通、气象等行业，在移动网络许可的条件下，任何采用以太网或串口的设备，如PC机、工控机、ATM机、POS机、视频服务等，都可以方便、安全地通过本系统连接到Internet上。

作者：清华大学 刘宇洪，薛涛，邵贝贝 来源：《单片机与嵌入式系统应用》