关键词： 无线网关 IPSec VPN uCLinux Coldfire
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网络，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问通信；而隧道模式将IP封装到IP隧道里，主要用于保护网关间通信。
IPSec中用户通过向IPSec提供自己的安全策略（SP）来控制IPSec的使用，包括对哪些传输数据进行保护，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。如果AH和ESP被同时用于提供安全服务，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，用于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FrccscaleColdfire5272。
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linux 2．6内核的IPSec-tools，整个系统中IPSec的相关软件结构如图4所示。Linux 2．6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IAnux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I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库支持。
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（1ibcrypto．a）
安装openssl 0．9．7e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中如何加入新的用户程序的文档，在uClinux的／user目录中加入IPSec-tools 0．5．2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
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足两个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．O/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IPSec中密钥和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rernote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。sahffo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，但其指定了证书所在目录、自己的X．509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Intemet后，依此运行setkey和racoon。
6 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、视频服务器等，都可以方便、安全地通过本系统连接到Internet上。
