基于IPSec的嵌入式網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用研究

1 引言

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)，它通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴(kuò)展其功能，一般指設(shè)備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入Internet，以Internet為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息交互的過程，通常又稱為非PC接入。嵌入式Internet解決了終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化問題,然而Internet提供的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并不保障接入系統(tǒng)的安全性?？梢赃@樣說,嵌入式Internet的安全問題直接關(guān)系到嵌入式Internet的發(fā)展及其應(yīng)用前景;因此,在開發(fā)和使用嵌入式Internet系統(tǒng)的同時(shí),必須把嵌入式Internet通信的安全問題放到重要的地位考慮。

　　對(duì)于保證安全領(lǐng)域的研究可分為兩大類：一類是如何保證嵌入式系統(tǒng)自身的安全，使其免病毒、黑客的攻擊和人為的破壞，另一類則是如何保證傳輸信息內(nèi)容的安全性、保密性，特別是對(duì)安全性要求比較高的服務(wù)其重要性不言而喻。其中，后者是我們研究的主要對(duì)象，目前對(duì)其采用的技術(shù)主要有IPSec技術(shù)、SSL/TLS技術(shù)、VPN技術(shù)等。本文主要研究IPSec網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，使嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)Υ笮透呖煽啃苑?wù)提供全面支持，在保證服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，在客戶和服務(wù)器之間建立安全的網(wǎng)絡(luò)通道，保證敏感數(shù)據(jù)的安全。

　　2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)安全特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)分析

　　2.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)安全特點(diǎn)分析

　　由于嵌入式自身的設(shè)備體積小，資源有限以及功能相對(duì)單一的特點(diǎn)，它的網(wǎng)絡(luò)安全有自身的特點(diǎn)：存儲(chǔ)器較小，處理器處理數(shù)據(jù)能力較差，更容易收到攻擊，安全性更脆弱;功能單一，所受到的攻擊也是比較單一;存儲(chǔ)能力相對(duì)較弱，是的一些常駐存儲(chǔ)器的病毒較難存在，同時(shí)也使得內(nèi)存消耗的攻擊也容易得手;由于各種嵌入式設(shè)備功能、設(shè)計(jì)區(qū)別都很大，對(duì)某一種設(shè)備的攻擊對(duì)另一種設(shè)備就可能變得無效;還有很多的嵌入式設(shè)備和上網(wǎng)設(shè)備是分離的，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)攻擊都能被上網(wǎng)功能過濾掉，這樣就使得對(duì)嵌入式設(shè)備的攻擊變得更難。

　　根據(jù)OSI安全體系結(jié)構(gòu)以及對(duì)嵌入式Internet特點(diǎn)分析,一個(gè)有效的嵌入式安全通信機(jī)制必須提供以下安全服務(wù):數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)完整性、認(rèn)證服務(wù)、訪問控制服務(wù)和抗抵賴服務(wù)。實(shí)現(xiàn)這些安全服務(wù)需求,可以采用的安全機(jī)制為:加密機(jī)制、數(shù)字簽名機(jī)制、訪問控制機(jī)制、數(shù)據(jù)完整性機(jī)制、鑒別交換機(jī)制、業(yè)務(wù)流填充機(jī)制、路由控制機(jī)制和公證機(jī)制。根據(jù)嵌入式Internet系統(tǒng)的安全特點(diǎn),這里提出的安全機(jī)制的制定主要從下面兩個(gè)方面來考慮：

　　(1)實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)層次TCP/IP參考模型是一個(gè)四層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系統(tǒng),各種安全機(jī)制并不都可應(yīng)用在任意一層。針對(duì)嵌入式Internet的安全服務(wù),也可以參考四層協(xié)議系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃,應(yīng)該在合適的層次來實(shí)現(xiàn);(2)基于密碼學(xué)理論的安全機(jī)制基于密碼學(xué)理論,嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以使用以下幾種算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保密性和完整性服務(wù):使用對(duì)稱密鑰體制或非對(duì)稱密鑰體制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保密性服務(wù);使用單向散列函數(shù)等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性服務(wù)。

　　在嵌入式網(wǎng)絡(luò)中,可以選用以上合適的密碼協(xié)議和算法,實(shí)現(xiàn)預(yù)期的安全服務(wù)要求。

　　2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

　　IPSec有兩種工作方式：隧道模式和傳輸模式。在隧道方式中，整個(gè)用戶的IP數(shù)據(jù)包被用來計(jì)算ESP包頭，整個(gè)IP包被加密并和ESP包頭一起被封裝在一個(gè)新的IP包內(nèi)。這樣當(dāng)數(shù)據(jù)在Internet上傳送時(shí)，真正的源地址和目的地址被隱藏起來。在傳輸模式中，只有高層協(xié)議(TCP、UDP、ICMP 等)及數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。在這種模式下，源地址、目的地址以及所有IP包頭的內(nèi)容都不加密。VPN具體實(shí)現(xiàn)是采用隧道技術(shù)，而隧道是通過隧道協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，隧道協(xié)議規(guī)定了隧道的建立，維護(hù)和刪除規(guī)則以及怎樣將企業(yè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)封裝在隧道中進(jìn)行傳輸。隧道協(xié)議可分為第二層隧道協(xié)議PPTP、L2F、L2TP和第三層隧道協(xié)議IPsec等。對(duì)于IPSec安全隧道IPSec協(xié)議把多種安全技術(shù)集合到一起，可以建立一個(gè)安全、可靠的隧道。 這些技術(shù)包括DiffieHellman 密鑰交換技術(shù)，DES、RC4、IDEA 數(shù)據(jù)加密技術(shù)，哈希散列算法HMAC、MD5、SHA，數(shù)字簽名技術(shù)等。

1 引言

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)，它通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴(kuò)展其功能，一般指設(shè)備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入Internet，以Internet為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息交互的過程，通常又稱為非PC接入。嵌入式Internet解決了終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化問題,然而Internet提供的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并不保障接入系統(tǒng)的安全性?？梢赃@樣說,嵌入式Internet的安全問題直接關(guān)系到嵌入式Internet的發(fā)展及其應(yīng)用前景;因此,在開發(fā)和使用嵌入式Internet系統(tǒng)的同時(shí),必須把嵌入式Internet通信的安全問題放到重要的地位考慮。

　　對(duì)于保證安全領(lǐng)域的研究可分為兩大類：一類是如何保證嵌入式系統(tǒng)自身的安全，使其免病毒、黑客的攻擊和人為的破壞，另一類則是如何保證傳輸信息內(nèi)容的安全性、保密性，特別是對(duì)安全性要求比較高的服務(wù)其重要性不言而喻。其中，后者是我們研究的主要對(duì)象，目前對(duì)其采用的技術(shù)主要有IPSec技術(shù)、SSL/TLS技術(shù)、VPN技術(shù)等。本文主要研究IPSec網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，使嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)Υ笮透呖煽啃苑?wù)提供全面支持，在保證服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，在客戶和服務(wù)器之間建立安全的網(wǎng)絡(luò)通道，保證敏感數(shù)據(jù)的安全。

　　2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)安全特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)分析

　　2.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)安全特點(diǎn)分析

　　由于嵌入式自身的設(shè)備體積小，資源有限以及功能相對(duì)單一的特點(diǎn)，它的網(wǎng)絡(luò)安全有自身的特點(diǎn)：存儲(chǔ)器較小，處理器處理數(shù)據(jù)能力較差，更容易收到攻擊，安全性更脆弱;功能單一，所受到的攻擊也是比較單一;存儲(chǔ)能力相對(duì)較弱，是的一些常駐存儲(chǔ)器的病毒較難存在，同時(shí)也使得內(nèi)存消耗的攻擊也容易得手;由于各種嵌入式設(shè)備功能、設(shè)計(jì)區(qū)別都很大，對(duì)某一種設(shè)備的攻擊對(duì)另一種設(shè)備就可能變得無效;還有很多的嵌入式設(shè)備和上網(wǎng)設(shè)備是分離的，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)攻擊都能被上網(wǎng)功能過濾掉，這樣就使得對(duì)嵌入式設(shè)備的攻擊變得更難。

　　根據(jù)OSI安全體系結(jié)構(gòu)以及對(duì)嵌入式Internet特點(diǎn)分析,一個(gè)有效的嵌入式安全通信機(jī)制必須提供以下安全服務(wù):數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)完整性、認(rèn)證服務(wù)、訪問控制服務(wù)和抗抵賴服務(wù)。實(shí)現(xiàn)這些安全服務(wù)需求,可以采用的安全機(jī)制為:加密機(jī)制、數(shù)字簽名機(jī)制、訪問控制機(jī)制、數(shù)據(jù)完整性機(jī)制、鑒別交換機(jī)制、業(yè)務(wù)流填充機(jī)制、路由控制機(jī)制和公證機(jī)制。根據(jù)嵌入式Internet系統(tǒng)的安全特點(diǎn),這里提出的安全機(jī)制的制定主要從下面兩個(gè)方面來考慮：

　　(1)實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)層次TCP/IP參考模型是一個(gè)四層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系統(tǒng),各種安全機(jī)制并不都可應(yīng)用在任意一層。針對(duì)嵌入式Internet的安全服務(wù),也可以參考四層協(xié)議系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃,應(yīng)該在合適的層次來實(shí)現(xiàn);(2)基于密碼學(xué)理論的安全機(jī)制基于密碼學(xué)理論,嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以使用以下幾種算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保密性和完整性服務(wù):使用對(duì)稱密鑰體制或非對(duì)稱密鑰體制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保密性服務(wù);使用單向散列函數(shù)等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性服務(wù)。

　　在嵌入式網(wǎng)絡(luò)中,可以選用以上合適的密碼協(xié)議和算法,實(shí)現(xiàn)預(yù)期的安全服務(wù)要求。

　　2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

　　IPSec有兩種工作方式：隧道模式和傳輸模式。在隧道方式中，整個(gè)用戶的IP數(shù)據(jù)包被用來計(jì)算ESP包頭，整個(gè)IP包被加密并和ESP包頭一起被封裝在一個(gè)新的IP包內(nèi)。這樣當(dāng)數(shù)據(jù)在Internet上傳送時(shí)，真正的源地址和目的地址被隱藏起來。在傳輸模式中，只有高層協(xié)議(TCP、UDP、ICMP 等)及數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。在這種模式下，源地址、目的地址以及所有IP包頭的內(nèi)容都不加密。VPN具體實(shí)現(xiàn)是采用隧道技術(shù)，而隧道是通過隧道協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，隧道協(xié)議規(guī)定了隧道的建立，維護(hù)和刪除規(guī)則以及怎樣將企業(yè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)封裝在隧道中進(jìn)行傳輸。隧道協(xié)議可分為第二層隧道協(xié)議PPTP、L2F、L2TP和第三層隧道協(xié)議IPsec等。對(duì)于IPSec安全隧道IPSec協(xié)議把多種安全技術(shù)集合到一起，可以建立一個(gè)安全、可靠的隧道。 這些技術(shù)包括DiffieHellman 密鑰交換技術(shù)，DES、RC4、IDEA 數(shù)據(jù)加密技術(shù)，哈希散列算法HMAC、MD5、SHA，數(shù)字簽名技術(shù)等。

　　在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)認(rèn)證的目的就是為在進(jìn)網(wǎng)絡(luò)連線時(shí)，確保對(duì)方的身份。在此，以下列舉一些網(wǎng)絡(luò)上的可能發(fā)生的情況以說明為么在網(wǎng)絡(luò)上有需要作認(rèn)證的需求：假冒(Masquerade)、重送(Replay)、修改內(nèi)容(Content modification)、修改次序(Sequence modification)、否認(rèn)(Repudiation)。其中，在我們的系統(tǒng)中我們主要使用了Kerberos協(xié)議，它是一個(gè)三方認(rèn)證協(xié)議，根據(jù)稱為密匙分配中心(KDC)的第三方服務(wù)中心來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)相互的身份，并建立密匙以保證計(jì)算機(jī)間安全連接KDC有兩個(gè)部分組成：認(rèn)證服務(wù)器AS和票據(jù)授權(quán)服務(wù)器TGS。Kerberos是一種網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證協(xié)議，允許一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過交換加密消息在整個(gè)非安全網(wǎng)絡(luò)上與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)互相證明身份。一旦身份得到驗(yàn)證，Kerberos協(xié)議將會(huì)給這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)提供密匙，以進(jìn)行安全通訊對(duì)話。

3 新型系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　3.1 實(shí)現(xiàn)層次

　　首先確定安全協(xié)議的實(shí)現(xiàn)層次,對(duì)各種機(jī)制實(shí)現(xiàn)方法作深入分析,比較它們的不同實(shí)現(xiàn)方法和不同安全特點(diǎn),設(shè)計(jì)一個(gè)適合嵌入式Internet設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的安全模型。鏈路層主要采用劃分VLAN、鏈路加密通信等手段保證通過網(wǎng)絡(luò)鏈路傳送數(shù)據(jù)的機(jī)密性、數(shù)據(jù)完整性等?；阪溌穼蛹用芘c應(yīng)用程序無關(guān),實(shí)現(xiàn)簡單,可用硬件設(shè)備進(jìn)行加密,提供較高的處理速度。缺點(diǎn)是兩個(gè)加密參與的實(shí)體必須在物理形式上連接在一起,即不能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同進(jìn)程進(jìn)行不同的加密處理。網(wǎng)絡(luò)層安全性的主要優(yōu)點(diǎn)是安全服務(wù)的提供與應(yīng)用層的無關(guān)性,而且由于多種傳輸協(xié)議和應(yīng)用程序可以共享由網(wǎng)絡(luò)層提供的密鑰管理框架,使得密鑰協(xié)商的數(shù)量也大大削減。網(wǎng)絡(luò)層安全業(yè)務(wù)最有用的特性是能夠構(gòu)建VPN。網(wǎng)絡(luò)層加密的主要缺點(diǎn)是:對(duì)屬于不同進(jìn)程和相應(yīng)條例的數(shù)據(jù)包一般不作區(qū)別。對(duì)所有發(fā)往同一地址的包,它將按照同樣的加密密鑰和訪問控制策略來處理。同網(wǎng)絡(luò)層安全機(jī)制相比,傳輸層安全機(jī)制的主要優(yōu)點(diǎn)是它提供對(duì)進(jìn)程的安全服務(wù)。傳輸層安全機(jī)制的主要缺點(diǎn)是要對(duì)傳輸層進(jìn)程間通信接口和應(yīng)用程序兩端都進(jìn)行修改;另外,由于SSL和TLS都是建立在TCP協(xié)議上的,因此對(duì)于UDP的安全通信就無法保證。在應(yīng)用層實(shí)施加密是最具強(qiáng)制性的選擇。它也是最具靈活性,因?yàn)楸Ｗo(hù)的范圍和力度可以裁剪到滿足某一應(yīng)用的特定需要。這一點(diǎn)正符合嵌入式Internet設(shè)備靈活多變的應(yīng)用的需求。應(yīng)用層的安全可以彌補(bǔ)下層協(xié)議漏洞和不足,可以采用多種多樣的安全措施來保證系統(tǒng)的安全性。除了采用一些針對(duì)應(yīng)用層協(xié)議的安全方案外,其他例如身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名等都可以在應(yīng)用層進(jìn)行。應(yīng)用層提供安全服務(wù)的優(yōu)點(diǎn)在于不用考慮網(wǎng)絡(luò)采用的具體協(xié)議和鏈路情況,同時(shí)由于應(yīng)用程序以用戶為背景執(zhí)行,容易獲得用戶訪問憑據(jù),而且對(duì)用戶想保護(hù)的數(shù)據(jù)具有完整的訪問權(quán)并有著充分的理解,這些特性使得在應(yīng)用層引入安全業(yè)務(wù)具有特定的優(yōu)勢。在應(yīng)用程序中實(shí)施安全機(jī)制,程序要和一個(gè)特殊的系統(tǒng)集成到一起,應(yīng)用程序通過改進(jìn)調(diào)用該特殊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制。

　　基于以上比較,為了在嵌入式Internet接入設(shè)備和訪問者之間建立起有效的,具有更強(qiáng)大的適應(yīng)性和安全性的安全通信機(jī)制,選擇應(yīng)用層作為實(shí)現(xiàn)層次,以保證設(shè)備訪問者與嵌入式設(shè)備間通信的信息安全。

　　3.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　在計(jì)算機(jī)OSI/RM擴(kuò)展部分，安全體系結(jié)構(gòu)(Security Architecture)是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全功能的抽象描述，一般從整體上定義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所提供的安全服務(wù)和安全機(jī)制。一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)安全框架結(jié)構(gòu)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全概念的理解、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)都有重要意義，從另一個(gè)意義來說，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全框架結(jié)構(gòu)也不完全適合嵌入式系統(tǒng)，筆者從嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，分析了網(wǎng)絡(luò)安全功能需求，給出了描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全體系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。

　　IPSec在網(wǎng)絡(luò)層提供加密和認(rèn)證服務(wù)，IPSec能夠保護(hù)所有的IP流量。IPSec的安全策略允許用戶更加靈活的安全策略的控制。所以，這里以IPSec為基礎(chǔ)，融防火墻技術(shù)于一體的，建立在IP層的新的嵌人式系統(tǒng)的安全機(jī)制。該機(jī)制主要特點(diǎn)如下:①它根據(jù)分組報(bào)的源、宿地址，端口號(hào)及協(xié)議類型、標(biāo)志確定是否允許分組報(bào)通過;②根據(jù)安全策略的安全規(guī)則，對(duì)輸人、輸出的數(shù)據(jù)施行加/解密、認(rèn)證、數(shù)字簽名、完整性校驗(yàn)等安全措施，保證數(shù)據(jù)傳輸中的安全; ③支持虛擬專用網(wǎng)，支持企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系VPN。具體實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

　SPD庫和SADB庫的查詢效率時(shí)影響本系統(tǒng)性能的一個(gè)重要因素。特別是在象家庭網(wǎng)關(guān)這樣的設(shè)備