基于S3C2440的嵌入式IPv6防火墻設計(一)

　1 引言

　　在眾多的網(wǎng)絡(luò )安全設施中，防火墻是行之有效的重要網(wǎng)絡(luò )安全設備，通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )通信進(jìn)行篩選屏蔽以防未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)出計算機網(wǎng)絡(luò )。防火墻是位于可信網(wǎng)絡(luò )和不可信網(wǎng)絡(luò )之間的一道安全屏障，其最核心的任務(wù)就是管理和控制進(jìn)出網(wǎng)絡(luò )的通信量，它可以截獲中途傳輸的數據包并進(jìn)行處理，然后與事先定義好的安全策略規則相比較，并最終決定轉發(fā)或丟棄該數據包。傳統的防火墻通常位于一段網(wǎng)絡(luò )的邊界，它可以很好的過(guò)濾外界用戶(hù)對內部網(wǎng)絡(luò )的訪(fǎng)問(wèn)，但對內部網(wǎng)絡(luò )的攻擊卻無(wú)能為力。針對此問(wèn)題近年來(lái)關(guān)于新型防火墻的研究有很多，如分布式防火墻系統，嵌入式防火墻系統等。這些系統的目的是將防火墻的邊界延伸，使其能夠遍布網(wǎng)絡(luò )的每一個(gè)終端設備，構建全方位的安全防護網(wǎng)絡(luò )。

　　現有防火墻系統大多是針對于IPv4開(kāi)發(fā)的，由于IPv4地址空間不足，且安全性較差，現有網(wǎng)絡(luò )升級到IPv6是大勢所趨。IPv6 作為下一代網(wǎng)絡(luò )的基礎以其海量的地址空間和較強的安全特性得到廣泛的認可，因此研究支持IPv6協(xié)議的防火墻是很有必要的。

　　以Intel Xscale IXP425 為核心處理器設計的嵌入式IPv6 防火墻，較好的實(shí)現了對網(wǎng)絡(luò )中的數據包進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)濾。但其成本較高，且IXP425 強勁的網(wǎng)絡(luò )處理性能在網(wǎng)絡(luò )終端的應用中無(wú)法得以完全發(fā)揮。

　　基于U盤(pán)的嵌入式防火墻使用方便，設計新穎，但其需要依附于x86 電腦硬件平臺，且U盤(pán)的可靠性較差，不適于長(cháng)期使用。

　　通用ARM 處理器有較高的性?xún)r(jià)比和較多的軟件支持，已廣泛應用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。本文通過(guò)對IPv6協(xié)議、IPv6安全機制和防火墻技術(shù)等方面的分析和研究，結合現有防火墻的特點(diǎn)，設計并實(shí)現了一個(gè)基于S3C2440 的嵌入式IPv6 防火墻系統。下面從硬件設計、軟件設計和核心模塊設計幾個(gè)方面介紹該基于S3C2440的嵌入式IPv6防火墻。

　　2 嵌入式IPv6防火墻的硬件設計

　　嵌入式IPv6防火墻的硬件設計如圖1所示，其主控芯片采用三星公司的32 位嵌入式處理器S3C2440.該處理器以ARM920T RISC 為核心，標準工作頻率為400MHZ（最高工作頻率：533MHZ），運算能力為450MIPS,有強勁的處理能力。

圖1 嵌入式IPv6防火墻硬件框圖

　　S3C2440處理器內部結構復雜，功能強大，片上集成了很多硬件資源。如：外部存儲控制器，USB 接口，UART接口，內部定時(shí)器，130 個(gè)通用I/O接口，24 通道外部中斷源等。如此豐富的接口資源，可以很方便實(shí)現硬件電路的擴展。此外S3C2440 支持ARM920T 強大的指令集系統，具有獨立的內存管理單元（MMU），支持NAND Flash啟動(dòng)引導，可以方便的實(shí)現Bootloader和嵌入式操作系統的移植。

　　系統的存儲單元主要包括SDRAM 存儲器和Flash存儲器。SDRAM為系統程序的運行提供內存空間，本系統采用兩片HY57V561620FTP-H（32M）并聯(lián)，容量可達64MB.Flash用來(lái)存儲程序，Flash分為NOR型和NAND型2種。NOR型Flash工藝復雜，成本較高，其優(yōu)點(diǎn)是片內可執行應用程序，多用于存儲系統的Bootloader 引導程序。NAND 型Flash 具有極高的存儲密度和較快的寫(xiě)入和擦除速度且成本較低，適用于存儲大容量數據和文件?？紤]到S3C2440支持NAND Flash 啟動(dòng)引導，故本系統選用K9F1208U0M-YCB0（64MB）的NAND型Flash作為系統的Flash存儲器。

　　系統的以太網(wǎng)接口單元采用2 顆10M/100M 自適應以太網(wǎng)控制器DM9000A.DM9000A 芯片是DEVICOM 公司研發(fā)的一款低功耗，高度集成，成本較低的單芯片快速以太網(wǎng)芯片，在嵌入式領(lǐng)域中使用非常廣泛。它集成了物理層接口（PHY）、以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制器（MAC）和外部處理器總線(xiàn)接口等。3.3V的工作電壓，降低了系統的功耗。DM9000A 的高度集成簡(jiǎn)化了系統以太網(wǎng)電路的硬件設計，特別適合作為嵌入式IPv6防火墻的網(wǎng)絡(luò )接口。

3 嵌入式IPv6防火墻的軟件設計

　　嵌入式IPv6 防火墻系統的軟件編寫(xiě)采用了模塊化程序設計的方法。模塊化編程有利于程序設計任務(wù)的劃分，使程序易于編寫(xiě)和調試，便于檢驗和維護。

　　本系統將啟動(dòng)代碼（Bootloader），Linux 操作系統（網(wǎng)卡驅動(dòng)、協(xié)議棧），防火墻模塊（智能包過(guò)濾，狀態(tài)跟蹤等）和WEB管理模塊（Boa服務(wù)器）都編寫(xiě)成獨立模塊。

　　系統軟件層次結構如圖2所示。

圖2 嵌入式IPv6防火墻軟件層次結構圖。

　　第一層：?jiǎn)?dòng)代碼（Bootloader）。它是芯片復位后進(jìn)入操作系統之前執行的一段代碼，主要是為操作系統的啟動(dòng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU、初始化存儲器系統等。本系統選用U-Boot 作為系統的Bootloader.

　　第二層：Linux 操作系統，屏蔽了對底層硬件的具體操作，為上層應用提供了豐富的支持，包括底層設備驅動(dòng)，網(wǎng)卡驅動(dòng)和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧等。在Linux操作系統下，開(kāi)發(fā)者只需關(guān)注于應用軟件編程，大大節省了系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　第三層：防火墻模塊（智能包過(guò)濾，狀態(tài)跟蹤等），該模塊是嵌入式防火墻系統的核心，其包括動(dòng)態(tài)NAT 模塊：負責對進(jìn)出防火墻的數據包進(jìn)行地址翻譯；狀態(tài)跟蹤模塊：維護網(wǎng)絡(luò )的會(huì )話(huà)連接信息，協(xié)助智能包過(guò)濾模塊進(jìn)行連接狀態(tài)的跟蹤，是實(shí)現狀態(tài)檢測包過(guò)濾（動(dòng)態(tài)包過(guò)濾）的關(guān)鍵模塊；智能包過(guò)濾模塊：根據訪(fǎng)問(wèn)控制表（ACL）對進(jìn)出網(wǎng)絡(luò )的數據包進(jìn)行過(guò)濾，并對過(guò)濾規則進(jìn)行統計，記憶和決策，動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)濾規則優(yōu)先級列表，實(shí)現高速高效的包過(guò)濾處理功能。

　　第四層：WEB管理模塊，以CGI語(yǔ)言為基礎，構建Boa服務(wù)器平臺。通過(guò)該模塊用戶(hù)可以方便地查看防火墻日志，添加或修改過(guò)濾規則，調整過(guò)濾規則的優(yōu)先級，監控防火墻網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)等。