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(lái)的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)，它通過(guò)為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來(lái)擴(kuò)展其功能，一般指設(shè)備通過(guò)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(guò)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(wèn)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。可以這樣說(shuō)，嵌入式Internet的安全問(wèn)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(kāi)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(wèn)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(wú)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)。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(guò)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)行認(rèn)證的目的就是為了在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連線時(shí)，確保對(duì)方的身份。在此，以下列舉了一些網(wǎng)絡(luò)上的可能發(fā)生的情況以說(shuō)明為什么在網(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(lái)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(guò)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(guò)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。基于鏈路層加密與應(yīng)用程序無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(wú)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(wèn)控制策略來(lái)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(wú)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(shì)。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(guò)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(wèn)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(wèn)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(lái)說(shuō)，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(guò);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。

中，實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制的網(wǎng)關(guān)要為多個(gè)嵌入式設(shè)備提供轉(zhuǎn)發(fā)IP分組，對(duì)于每個(gè)分組都要在SPD庫(kù)查找相應(yīng)的安全策略，在SADB庫(kù)中查找相應(yīng)的SA，因此可能會(huì)成為整個(gè)因素的瓶頸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先必須考慮到數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。注意到對(duì)于SA來(lái)說(shuō)，協(xié)議、SPI、目的地址三要素唯一確定一個(gè)SA，我們用（目的地址十SPI+協(xié)議）作為查詢條件。對(duì)于這樣的條件，用HSAH查詢：（目的地址+SPI+協(xié)議）Mod HASH表寬度作為哈希關(guān)鍵字可能會(huì)提高性能，所以決定使用HASH表結(jié)構(gòu)。對(duì)于SPD，考慮到這樣情況：分組傳送是連續(xù)的，所以在內(nèi)存內(nèi)使用緩存技術(shù)來(lái)保存最近使用的安全策略，從而避免頻繁的SPD庫(kù)查詢過(guò)程可能會(huì)提高系統(tǒng)性能。

4.2 結(jié)果分析

（1） 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能：

測(cè)試的參數(shù)是吞吐量和平均延遲時(shí)間。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試在機(jī)器臺(tái)數(shù)增加時(shí)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5-1和5-2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案具有良好的可擴(kuò)展性。性能提升的主要原因歸于系統(tǒng)采用了基于IPSec的架構(gòu)，并且對(duì)安全策略庫(kù)進(jìn)行了優(yōu)化，因?yàn)镾PD和SADB庫(kù)的查詢效率是影響本系統(tǒng)性能的一個(gè)重要因素。特別是像家庭網(wǎng)關(guān)這樣的設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制的網(wǎng)關(guān)要為多個(gè)嵌人式設(shè)備提供轉(zhuǎn)發(fā)IP分組，對(duì)于每個(gè)分組都要在SPD庫(kù)查找相應(yīng)的SA，因此可能成為整個(gè)因素的瓶頸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先必須考慮到數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。采用安全策略庫(kù)和Cache表來(lái)解決。

（2） 系統(tǒng)的安全性能：

加密的網(wǎng)絡(luò)信息保證了信息內(nèi)容的機(jī)密性。大多數(shù)加密方一法也需要授權(quán)和數(shù)據(jù)完整的服務(wù)。加密技術(shù)可以分成二個(gè)大類：消息摘要、對(duì)稱密鑰密碼系統(tǒng)和不對(duì)稱公開(kāi)密鑰密碼系統(tǒng)。特別我們的密碼經(jīng)過(guò)MD5算法加密以后，保證了它的安全性。

MD5的設(shè)計(jì)是面向32比特字的，MD5計(jì)算出的信息摘錄長(zhǎng)度為128比特，用4個(gè)字表示，分別記為d0，d1，d2，d3，在計(jì)算開(kāi)始時(shí)被分別初始化為常數(shù)：

d0 =01234567H，d1 =89abcdefH，d2 =fedcba98H，d3=76543210H

輸入的信息被分成512比特的等長(zhǎng)塊，逐塊處理。每塊包含16個(gè)字，分別記為m0，m1，?，m15。每塊的處理分四遍掃描，對(duì)每一遍掃描中的每一個(gè)字都使用不同的常數(shù)，共64個(gè)，用T1，T2，?，T64來(lái)表示，其中：Ti=［232 | sin （ i ） | ］。輸入的信息應(yīng)是512比特的倍數(shù)，其填充方式，填充位的第一個(gè)比特為1，隨后的填充位都為0;即使原來(lái)的信息已是512比特的倍數(shù)，也要進(jìn)行填充。所以填充位的最小長(zhǎng)度為1比特，最大長(zhǎng)度為512比特。

實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)行基于IPSec和SSL協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和安全性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)安全性是當(dāng)今一大研究熱點(diǎn)，對(duì)該領(lǐng)域的研究既具有很強(qiáng)的理論意義又具備很高的現(xiàn)實(shí)意義。嵌入式系統(tǒng)只有在對(duì)安全性協(xié)議提供很好支持的情況下，才能真正發(fā)揮其巨大價(jià)值，才能對(duì)大型高可靠性服務(wù)提供全面支持。