朱龍,劉長(zhǎng)君
(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖書(shū)館,四川 廣元628040)
隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,SOHO(小型辦公和家庭辦公)用戶(hù)數(shù)量迅速增加.為了向SOHO用戶(hù)提供低成本、高性能的網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)防護(hù),小型路由器和防火墻產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生[1].小型路由器和防火墻大多是在嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行比較成熟的商業(yè)軟件系統(tǒng),如Router OS,Mono Wall等.但使用商業(yè)軟件系統(tǒng)不可避免地會(huì)引入較高的軟件成本和版權(quán)問(wèn)題.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在,其處理能力已經(jīng)較為強(qiáng)大.在此基礎(chǔ)上,本文在嵌入式平臺(tái)上,設(shè)計(jì)一款同時(shí)具備路由功能和防火墻功能的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備,并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)防護(hù)性能進(jìn)行測(cè)試.
設(shè)計(jì)選用的硬件平臺(tái)為華恒公司的PPC860嵌入式開(kāi)發(fā)板,包含核心板和基板.核心板搭載了MPC860處理器,16MB的SDRAM及4MB的FLASH存儲(chǔ)器;基板為用戶(hù)提供了外設(shè)接口,有10 MB以太網(wǎng)接口、100MB快速以太網(wǎng)接口,以及串口和用于調(diào)試的BDM口.
嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中常用的開(kāi)發(fā)方式是交叉編譯,即在宿主機(jī)上編寫(xiě)程序,用交叉編譯、匯編、鏈接工具形成可執(zhí)行程序,然后在目標(biāo)板上通過(guò)串口和以太網(wǎng)口以mount的方式下載宿主機(jī)中的可執(zhí)行程序并調(diào)試、運(yùn)行[2].在本設(shè)計(jì)中,宿主機(jī)中所使用的編譯工具,是開(kāi)發(fā)板自帶開(kāi)發(fā)套件中用于Power PC處理器指令集的powerpc-gcc編譯器.在宿主機(jī)中用powerpc-gcc編譯器編譯、鏈接源程序,生成可用于開(kāi)發(fā)板的可執(zhí)行程序,供開(kāi)發(fā)板通過(guò)交叉編譯環(huán)境下載調(diào)試、運(yùn)行.交叉編譯環(huán)境的搭建過(guò)程如下:
1)配置宿主機(jī)NFS(Network File System,網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))和TFTP服務(wù)器;
2)通過(guò)交換機(jī)建立宿主機(jī)到目標(biāo)板的網(wǎng)絡(luò)連接(也可以用交叉線(xiàn)直連宿主機(jī)與目標(biāo)板);
3)建立宿主機(jī)到目標(biāo)板的串口連接;
4)通過(guò)minicom程序經(jīng)串口控制目標(biāo)板,使其通過(guò)以太網(wǎng)口下載宿主機(jī)可執(zhí)行程序,調(diào)試、運(yùn)行.
在設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)平臺(tái)選擇上,選用了2.4版本的Linux內(nèi)核.雖然2.6版本內(nèi)核已經(jīng)比較成熟,但其搶占內(nèi)核和崩潰恢復(fù)機(jī)制對(duì)本設(shè)計(jì)性能提高不大,因此選擇比較穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)支持較好的2.4版本Linux內(nèi)核.在Linux內(nèi)核之上的軟件架構(gòu)按照功能劃分為路由模塊和防火墻功能模塊.路由模塊采用的是Zebra-0.95a開(kāi)源路由軟件,同時(shí)為用戶(hù)提供靈活的Telnet配置方式;防火墻功能模塊則是采用了Linux系統(tǒng)中常見(jiàn)的Netfilter/Iptables防火墻架構(gòu),通過(guò)Iptables工具配置防火墻規(guī)則,然后由Linux內(nèi)核中的Netfilter機(jī)制實(shí)現(xiàn)規(guī)則的應(yīng)用.在系統(tǒng)軟件架構(gòu)的最高層提供了用戶(hù)基于Web管理的方式[3-4].
圖1 系統(tǒng)功能模塊分析圖Fig.1 System function module diagram
通過(guò)頁(yè)面服務(wù)器Boa向用戶(hù)提供Web的配置界面,以便對(duì)防火墻規(guī)則和簡(jiǎn)單路由進(jìn)行配置,配置的實(shí)現(xiàn)則是由Boa執(zhí)行后臺(tái)CGI程序完成;Linux內(nèi)核及相應(yīng)的功能模塊存儲(chǔ)在只讀的Cramfs文件系統(tǒng)中;用戶(hù)信息及路由、安全配置文件保存在讀寫(xiě)的JFFS2文件系統(tǒng)中[5-6].系統(tǒng)軟件功能模塊分析,如圖1所示.
使用開(kāi)源Linux內(nèi)核作為操作系統(tǒng),以避免采用商業(yè)軟件引入的軟件成本和版權(quán)問(wèn)題.為避免出現(xiàn)軟件漏洞或安全問(wèn)題,同時(shí)也出于對(duì)嵌入式硬件平臺(tái)Flash存儲(chǔ)器容量考慮,需要將2.4.18版本的Linux內(nèi)核進(jìn)行剪裁,以滿(mǎn)足系統(tǒng)需求.
在內(nèi)核源碼路徑下運(yùn)行make menuconfig命令可對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行剪裁.在剪裁過(guò)程中,保留了Power PC處理器支持、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、系統(tǒng)中斷向量、文件系統(tǒng)支持等基本功能模塊,以及以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、能源管理等擴(kuò)展功能模塊.
在內(nèi)核剪裁過(guò)程中,需要保證剪裁的內(nèi)核對(duì)ramdisk、JFF2文件系統(tǒng)的支持[7].因?yàn)榧舨眠^(guò)的Linux內(nèi)核以ramdisk系統(tǒng)燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板Flash存儲(chǔ)器中,對(duì)JFFS2文件系統(tǒng)的支持則是為了實(shí)現(xiàn)大容量Flash存儲(chǔ)器可讀寫(xiě)文件系統(tǒng)擴(kuò)展.在內(nèi)核剪裁過(guò)程中要保留Netfilter功能模塊;Netfilter功能模塊和Iptables防火墻配置軟件共同實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的防火墻功能[8].
Zebra是一個(gè)支持RIP,OSPF等路由協(xié)議,基于TCP/IP服務(wù)的開(kāi)源路由軟件.Zebra支持IPv4和IPv6,在實(shí)際應(yīng)用中,具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性.Zebra提供了一個(gè)高質(zhì)量的多服務(wù)路由引擎,它為每個(gè)路由協(xié)議提供交互接口,并支持通用客戶(hù)端命令.在設(shè)計(jì)中采用了Zebra0.95a作為路由功能模塊.
Zebra的源碼包中指定的用于編譯、重建的編譯器默認(rèn)為適用于X86架構(gòu)的gcc編譯器.在本設(shè)計(jì)中,要將Zebra路由軟件運(yùn)行于PowerPC架構(gòu)的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)上,因此在配置源碼之前,要對(duì)配置文件進(jìn)行修改.在Zebra源碼路徑下用CC=/LinuxPPC/CDK/bin/PowerPC-gcc命令來(lái)指定配置源碼所使用的編譯器.其中,/LinuxPPC路徑為開(kāi)發(fā)板所使用開(kāi)發(fā)套件在宿主機(jī)中的安裝路徑,/LinuxPPC/CDK/bin/PowerPC-gcc指定了用于PowerPC架構(gòu)處理器的C語(yǔ)言編譯器.
執(zhí)行Zebra源碼路徑下的configure配置腳本,并對(duì)配置過(guò)的源碼用make命令進(jìn)行編譯,最后用make install命令完成安裝.Zebra安裝完成之后還要對(duì)其配置文件/usr/local/etc/zebra.conf進(jìn)行修改,使之符合系統(tǒng)需求,同時(shí)修改相同路徑下的RIP,OSPF,BGP路由協(xié)議的配置文件.完成配置之后,以后臺(tái)守護(hù)進(jìn)程的方式執(zhí)行Zebra路由軟件——zebra-d.這樣Zebra路由軟件就在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行,宿主機(jī)或者同一網(wǎng)段內(nèi)其他主機(jī)可以通過(guò)Telnet方式訪(fǎng)問(wèn)并對(duì)其進(jìn)行配置.Zebra路由模塊正常運(yùn)行時(shí),對(duì)其遠(yuǎn)程Telnet登錄將出現(xiàn)用戶(hù)登錄密碼輸入提示.
在1.1版本的Linux內(nèi)核中提供了基本的包過(guò)濾功能,在經(jīng)歷過(guò)2.2版本Linux中的Ipchains防火墻機(jī)制之后,當(dāng)前在2.4版本Linux內(nèi)核中使用的是Netfilter/Iptables機(jī)制的第三代包過(guò)濾防火墻.其中,Netfilter組件運(yùn)行于內(nèi)核空間,是Linux內(nèi)核的一部分,這也是在進(jìn)行Linux內(nèi)核剪裁過(guò)程中,要求保留Netfilter功能模塊的原因.它是由一些信息過(guò)濾表組成,包含了內(nèi)核用來(lái)控制數(shù)據(jù)包過(guò)濾處理的規(guī)則集.Iptables組件是一個(gè)防火墻規(guī)則配置工具,運(yùn)行于用戶(hù)空間,Iptables向用戶(hù)提供一個(gè)命令行模式的防火墻規(guī)則管理工具,使用戶(hù)可以靈活準(zhǔn)確的插入、修改、刪除數(shù)據(jù)包過(guò)濾表中的防火墻規(guī)則.
Iptables的板上移植過(guò)程與Zebra類(lèi)似,首先通過(guò)指定開(kāi)發(fā)板所用編譯器對(duì)源碼進(jìn)行配置、編譯和重建,然后將生成的可執(zhí)行程序下載到開(kāi)發(fā)板運(yùn)行.
在防火墻功能模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中,著重關(guān)注兩個(gè)要點(diǎn):一是防火墻功能擴(kuò)展;二是對(duì)防火墻規(guī)則沖突的檢測(cè)和避免.
2.3.1 Iptables功能模塊擴(kuò)展 Iptables提供了一種靈活準(zhǔn)確的防火墻規(guī)則配置方式,它支持部分基本的配置規(guī)則,例如數(shù)據(jù)包協(xié)議匹配、端口匹配和IP地址匹配等.但是在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)防火墻的配置需求更加復(fù)雜,例如字符串匹配的內(nèi)容過(guò)濾、連接數(shù)量匹配、防護(hù)策略時(shí)間規(guī)則和P2P數(shù)據(jù)包匹配等.這些復(fù)雜的防火墻規(guī)則實(shí)現(xiàn)是通過(guò)安裝特定的Netfilter/Iptables功能patch實(shí)現(xiàn)的.在本設(shè)計(jì)中使用的4種擴(kuò)展規(guī)則模塊.
1)Iptables string match.這個(gè)patch中增加了CONFIG_IP_NF_M(jìn)ATCH_STRING,允許在一個(gè)數(shù)據(jù)包里匹配一個(gè)字符串,用來(lái)進(jìn)行內(nèi)容過(guò)濾.
2)Iptables connlimit match.這個(gè)patch為Iptbales擴(kuò)展了連接數(shù)量匹配,用于限制每個(gè)遠(yuǎn)程IP地址的并發(fā)TCP連接數(shù)量.
3)Detects some P2Ppackets.這個(gè)patch可以匹配部分P2P數(shù)據(jù)包,用于控制網(wǎng)絡(luò)流量.這個(gè)patch結(jié)合連接跟蹤,與數(shù)據(jù)包調(diào)度器配合,用于P2P流量計(jì)算和整形.
4)Iptables time match:這個(gè)patch為Iptables增加時(shí)間匹配功能,允許對(duì)其他防護(hù)規(guī)則添加時(shí)間匹配選項(xiàng),可以使規(guī)則在特定時(shí)間范圍內(nèi)啟動(dòng)或關(guān)閉.
除了上述擴(kuò)展功能模塊,用戶(hù)還可以通過(guò)指定協(xié)議類(lèi)型、IP地址、端口號(hào)來(lái)自定義防護(hù)規(guī)則,設(shè)計(jì)的防火墻功能模塊可以滿(mǎn)足日常網(wǎng)絡(luò)防護(hù)的需求.
2.3.2 防火墻規(guī)則沖突檢測(cè)避免 Iptables提供防火墻規(guī)則配置,但是它只是順序執(zhí)行已有的防火墻規(guī)則,而不對(duì)規(guī)則沖突進(jìn)行檢測(cè).Iptables只對(duì)防火墻規(guī)則的語(yǔ)法格式進(jìn)行檢查,如果防火墻規(guī)則前后對(duì)某一個(gè)數(shù)據(jù)包配置了接受和拒絕兩種策略,那么它將執(zhí)行先配置的策略,而不會(huì)提示規(guī)則沖突.為了避免出現(xiàn)這種配置過(guò)程中規(guī)則的前后沖突,在設(shè)計(jì)中使用了基于文本的規(guī)則沖突檢測(cè)避免機(jī)制[9-11].
在本設(shè)計(jì)中,防火墻基本設(shè)置是通過(guò)Web方式來(lái)配置的,頁(yè)面中采用單選框的形式保證了規(guī)則的一致性.因此,防火墻規(guī)則沖突主要存在于用戶(hù)自定義規(guī)則集中.用戶(hù)自定義規(guī)則主要包括六個(gè)字段:協(xié)議類(lèi)型、源IP地址、源端口號(hào)、目的IP地址、目的端口號(hào)、策略.
規(guī)則沖突檢測(cè)避免機(jī)制工作原理:接收Iptables的配置命令,寫(xiě)入防火墻規(guī)則腳本iptable.rules中,將自定義的規(guī)則字段存儲(chǔ)到rule結(jié)構(gòu)體中.rule結(jié)構(gòu)體定義如下所示.
所有規(guī)則的rule以鏈表的形式存儲(chǔ).添加新自定義規(guī)則時(shí),先逐項(xiàng)匹配鏈表中已有的規(guī)則,如果前5個(gè)字段一致,而policy字段不同,則說(shuō)明新定義規(guī)則與已有規(guī)則沖突,需要修改;如果6個(gè)字段均一致,則說(shuō)明新定義規(guī)則之前已經(jīng)定義,屬于冗余,可以刪除;如果前面兩種情況均不滿(mǎn)足,則說(shuō)明此規(guī)則為新規(guī)則,將此規(guī)則添加到規(guī)則腳本中.
沖突檢測(cè)功能代碼示意如下:
其中:p_rule為指向已有規(guī)則鏈表的rule結(jié)構(gòu)體類(lèi)型指針;n_rule為用戶(hù)提交添加的nrule結(jié)構(gòu)體類(lèi)型變量;nrule與rule結(jié)構(gòu)體類(lèi)型定義區(qū)別在于nrule中沒(méi)有形成鏈表的next指針.通過(guò)這種基于文本的規(guī)則沖突檢測(cè)、避免機(jī)制避免防火墻規(guī)則集的二義性和冗余,為用戶(hù)提供準(zhǔn)確添加自定義規(guī)則的環(huán)境.
2.4.1 Boa頁(yè)面服務(wù)器簡(jiǎn)介 Zebra向用戶(hù)提供了基于Telnet的遠(yuǎn)程配置方式,但是這種配置方式采用的是通用命令行,需要一定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ).為了便于普通用戶(hù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行直觀(guān)簡(jiǎn)單的配置,本設(shè)計(jì)為用戶(hù)提供了基于Web的頁(yè)面配置方式.
本設(shè)計(jì)向用戶(hù)提供了基于Web的配置方式,這首先需要一個(gè)Web頁(yè)面服務(wù)器.出于硬件平臺(tái)性能考慮,選用了再嵌入式開(kāi)發(fā)中常用的頁(yè)面服務(wù)器Boa.它是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器軟件,只能依次完成用戶(hù)的請(qǐng)求而不會(huì)fork出新的進(jìn)程來(lái)處理并發(fā)的連接請(qǐng)求,但是可以fork出新進(jìn)程供CGI(Common Gateway Interface,通用網(wǎng)關(guān)接口)程序運(yùn)行;由于設(shè)備配置過(guò)程不需要并發(fā)機(jī)制,因此Boa頁(yè)面服務(wù)器符合設(shè)計(jì)需求[12].Boa頁(yè)面服務(wù)器的移植過(guò)程較簡(jiǎn)單,可參考Zebra移植過(guò)程.
2.4.2 交互配置流程實(shí)現(xiàn) Boa向用戶(hù)提供前臺(tái)HTML配置頁(yè)面,同時(shí)負(fù)責(zé)接收用戶(hù)配置請(qǐng)求,以環(huán)境變量的方式傳遞給后臺(tái)CGI程序,由CGI程序解釋配置請(qǐng)求,并做出相應(yīng)的配置動(dòng)作[13].配置有如下5個(gè)具體過(guò)程(圖2).
圖2 交互配置過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of interactive configuration process
1)表示Boa頁(yè)面服務(wù)器生成Web配置頁(yè)面,在遠(yuǎn)程配置端由HTML瀏覽器解釋.
2)用戶(hù)向HTML頁(yè)面中以表單形式填寫(xiě)配置信息,若配置信息不合法,則輸出警報(bào),要求重新填寫(xiě);若配置信息合法,則將表單提交至Boa服務(wù)器.
3)Boa服務(wù)器將用戶(hù)配置信息以環(huán)境變量的方式傳遞給后臺(tái)CGI程序處理.CGI程序獲取用戶(hù)配置信息是通過(guò)讀取CONTENT_LENGTH環(huán)境變量實(shí)現(xiàn)的,CGI程序以字符串形式獲取用戶(hù)提交配置表單內(nèi)容,然后通過(guò)對(duì)字符串的處理來(lái)獲取并解釋用戶(hù)配置信息.
4)CGI進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用,完成用戶(hù)請(qǐng)求配置后,以HTML代碼的形式向Boa服務(wù)器返回處理結(jié)果.CGI對(duì)用戶(hù)請(qǐng)求進(jìn)行處理,得到相應(yīng)配置命令,經(jīng)系統(tǒng)調(diào)用完成對(duì)路由功能或防火墻功能的配置.其中,在對(duì)防火墻功能配置過(guò)程中,系統(tǒng)調(diào)用之前要先調(diào)用前文所述防火墻規(guī)則沖突檢測(cè)、避免機(jī)制[14].
5)Boa服務(wù)器將CGI返回的處理結(jié)果傳送至用戶(hù)端HTML瀏覽器,向用戶(hù)顯示當(dāng)次配置請(qǐng)求的處理結(jié)果.
2.4.3 應(yīng)用配置例析 以對(duì)ICMP協(xié)議的操作為例,分析Web方式管理的工作過(guò)程.用戶(hù)通過(guò)瀏覽器向Boa服務(wù)器提交配置表單,在此處,表單內(nèi)容很簡(jiǎn)單,包括兩個(gè)單選框,Y表示阻止ICMP協(xié)議,N表示允許ICMP協(xié)議,缺省狀況允許ICMP協(xié)議,用戶(hù)配置點(diǎn)選Y項(xiàng),即阻止ICMP協(xié)議.即
Boa接收到表單提交信息后,調(diào)用表單action選項(xiàng)中指定的后臺(tái)CGI程序cfg來(lái)處理該配置表單信息,Boa以字符串形勢(shì)將表單信息傳遞給CGI程序cfg,cfg讀取環(huán)境變量,即
此時(shí),in數(shù)組中的內(nèi)容:yn=0&&submit=submit.cfg讀取in[3],與“0”字符進(jìn)行比對(duì),如果匹配,則通過(guò)system系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行Iptables規(guī)則,iptables-A INPUT-p ICMP-j Drop;否則,執(zhí)行ACCEPT策略,然后將此條規(guī)則添加到規(guī)則腳本文件中保存.完成操作后,向Boa提交返回到用戶(hù)瀏覽器的HTML頁(yè)面,提示操作完成.WBM管理頁(yè)面,如圖3所示.
圖3 安全SOHO路由器Web管理頁(yè)面Fig.3 Secure SOHO router Web management page
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的路由功能模塊有兩種配置方式,可以通過(guò)Web管理(Web based management,WBM)配置方式進(jìn)行配置,也可以通過(guò)Telnet方式進(jìn)行配置.WBM配置方式較為直觀(guān)、簡(jiǎn)單,但配置不如Telnet后的命令行方式靈活.為了對(duì)路由模塊的功能有更全面的了解,本部分測(cè)試是Telnet登陸設(shè)備之后的結(jié)果,而WBM配置測(cè)試是與防火墻功能模塊統(tǒng)一進(jìn)行測(cè)試的.
圖4 配置模式下的命令列表Fig.4 Configuration mode command list
Telnet方式登陸設(shè)備之后,提供了類(lèi)似思科路由的通用命令行配置界面:用戶(hù)模式、特權(quán)模式、配置模式.配置模式下的命令列表,如圖4所示.
測(cè)試結(jié)果表明:路由模塊可以正常工作,并且Telnet配置方式提供了類(lèi)似思科路由器的通用命令行界面,配置方式靈活,功能完備.
在對(duì)防火墻功能模塊的測(cè)試過(guò)程中,以防止外部網(wǎng)絡(luò)Ping入為例,對(duì)其基本防護(hù)規(guī)則進(jìn)行了測(cè)試.
為了對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)屏蔽內(nèi)網(wǎng)信息,防火墻基本規(guī)則中通常會(huì)拒絕外部網(wǎng)絡(luò)使用Ping命令嗅探內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息.在本次測(cè)試中,在配置之前,外部計(jì)算機(jī)可以通過(guò)Ping命令嗅探到防火墻;在配置了丟棄ICMP協(xié)議數(shù)據(jù)之后,外部計(jì)算機(jī)用Ping命令嗅探防火墻提示請(qǐng)求超時(shí)錯(cuò)誤.測(cè)試表明:本設(shè)計(jì)的防火墻功能模塊實(shí)現(xiàn)了基本的應(yīng)用規(guī)則防護(hù).
設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于開(kāi)源Linux的,集成了路由功能和網(wǎng)絡(luò)防護(hù)功能的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備.在開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了路由功能模塊和防火墻功能模塊.然后,分別從路由配置模塊、防火墻基本規(guī)則設(shè)置兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試.結(jié)果表明:本設(shè)計(jì)可以為用戶(hù)提供直接靈活的配置方式,實(shí)現(xiàn)了路由功能和安全防護(hù)功能在同一開(kāi)發(fā)平臺(tái)的集成,所得到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以滿(mǎn)足小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的接入和防護(hù)需求.
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