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网络配置 - Linux中IP隧道的分析与建议

Linux中IP隧道的分析与建议
2004-04-23 15:18 pm
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地址:无名

作者的话:

本文系在阅读Linux源码及一些相关资料的基础上写成的。

欢迎就文章的各个方面提出建议和批评意见,作者希望更多的交流和探讨。

欢迎在保留原文完整性的前提下在网上转贴,需部分引用请通知作者。

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欢迎在实际的应用中使用此文提出的思想,希望同时知会作者。



作者信箱: xiaoman04@hotmail.com



欢迎来信!!
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O、

由于网络的日益普及,网络的安全成为目前的热门话题。本文对隧道技术的分析,

就侧重安全领域,对利用隧道技术实现虚拟专网提出建议。



为什么需要IP隧道?没有接触过这个概念的人自然提出这样的疑问。实际上概念

最初的提出很简单,为了在TCP/IP网络中传输其他协议的数据包。设想IPX协议或

X.25封装的数据包如何通过Internet网进行传输,在已经使用多年的桥接技术中是

通过在源协议数据包上再套上一个IP协议头来实现,形成的IP数据包通过Internet后

卸去IP头,还原成源协议数据包,传送给目的站点。对源协议数据来说,就如被IP

带着过了一条隧道。这种技术在业余无线网络(Amateur Packet Radio network,

应该怎么翻,请告诉我)得到了最广泛的应用。

利用IP隧道来传送的协议包也包括IP数据包,本文主要分析的IPIP封包就是如此,从字

面来理解IPIP就对了,就是把一个IP数据包又套在一个IP包里。为什么要这么做呢?

多此一举嘛。其实不然,见过一些应用就会明白,移动IP(Mobile-IP)和IP多点广播

(IP-Multicast)是两个通常的例子。目前,IP隧道技术在构筑虚拟专网( Virtual

Private Network)中也显示出极大的魅力。本文也将对利用IP隧道技术构筑VPN做

简单设想。







背景:隧道的多种理解和实现



Internet的研究者多年前就感到需要在网络中建立隧道,最初的理解是在网络

中建立一条固定的路径,以绕过一些可能失效的网关。可以说,隧道就是一条

特定的路径。

这样的隧道是通过IP报头中的源路由选项来实现的,在目前看来,这个方法的缺陷

十分明显。要设置源路由选项就必须知道数据包要经过的确切路径,而且目前

多数路由实现中都不支持源路由。



另一个实现隧道的机制是开发一种新的IP选项,用来表明源数据包的信息,原IP头

可能成为此选项的一部分。这种隧道的意义与我们所说的隧道已十分接近。但它的

不足在于要对目前IP选项的实现和处理做较大的修改,也缺乏灵活性。



最后常用的一种实现方法是开发一种新的IP封包协议,仍然套用当前的IP头格式。

通过IP封包,不须指明网络路径,封包就能透明地到达目的地。也可以通过封包空

间把未直接连接的机器绑在一起,从而创建虚拟网络。这种方法易行、可靠、可扩

展性强,Linux采用了这一方法,这也是目前我们所理解的隧道思想。







一、

封包协议的结构和实现



封包协议的实现原理十分简单。先看看通过隧道传送的数据报在网络中如何流动,

如图一。

为了叙述简便,我把在隧道中传送的IP数据包称为封包。



-------------- -----------

/ 子网A / 子网C

/ /

| | | |

| & | | |

| + +++++ | | ***** |

| +++++ + | | * * |

| + | | ***** * |

+ / ----------- * * / ----------

++> # * **>(#) * ***> # ++++

-------------- / * * ------------ / +

| * * | | + |

| * * | | + |

| ***** * | | +++++++ |

| ***** | | V |

| | | & |

/ /

子网B / 子网D /

----------- ----------



++++++ 原数据报

****** 封装后的数据包(封包)

# 封装/解封

& 用户主机



图一. 封包协议实现模型





看图中的设备 #,分别处于隧道的两端,分别起打包(封装)和解包(解封)

的作用,在整个数据包的传送路径中,除了隧道两端的 # 设备,其他网关把

数据包看成一个普通的IP包进行转发。

设备 # 就是一个封包基于的两个实现部件--封装部件和解封部件。封装和解封

部件(设备)都应当同时属于两个子网。封装部件对接收到的数据报加上封包头

,然后以解封部件地址作为目的地址转发出去;而解封部件则在收到封包后,还

原原数据报,转发到目的子网。



隧道的源端(封装部件)对进入隧道的数据包进行封装,形成封包。一个完整

的封包如图二所示。



/ +-----------------+

| | 封包IP头 |

封包头 | +-----------------+

| | 封包协议头 |

+-----------------+

/ | 原协议头 |

| +-----------------+

| | |

原数据报 | | 原协议数据 |

| . .

| . .

| | |

+-----------------+



图二. 封包结构







二、

Linux中的实现



本人分析的版本是Linux2.0.34(RedHat5.2采用)。



在Linux中,隧道的实现主要基于两个文件new_tunnel.c和ipip.c



同时Linux定义了一种新的协议类型--IPIP(IPPROTO_IPIP),与上面所说封包

类型类似。



基本思路

在Linux中IP Tunnel的实现也分为两个部件:封装部件和解封部件,分别司职发送和接

收。但这两个部分是在不同的层次以不同的方式实现的。

封装部件是在数据链路层以虚设备的方式实现。所有源代码见

/usr/src/linux/drivers/net/new_tunnel.c

为实现封装,Linux实现一个称为tunl的网络设备(类似loopback设备),此设备

具有其他网络设备共有的特征,对于使用此设备的上层应用来说,对这些网络设备

不加区分,调用及处理方法当然也完全一样。

tunnel_init()和tunnel_xmit()是new_tunnel.c中的两个主要过程。

tunnel_init()初始化与设备tunl相关的device结构。

而tunnel_xmit()在从tunl设备发送数据时被调用,tunl设备作为实现IP隧道

技术的封装部分,在此过程中完成对相应的数据报进行封装所需的全部操作,

形成IPIP类型的IP包,并重新转发此数据包(ip_forward())。

解封部件在IP的上层实现,系统把它作为一个虚的传输层(实际上与传输层毫无

关系),具体处理见文件

/usr/src/linux/net/ipv4/ipip.c。

我们知道,每一个IP数据包均交由ip_rcv函数处理,在进行一些必要的判断后,ip_rcv

对于发送给本机的数据包将交给上层处理程序。对于IPIP包来说,其处理函数是

ipip_rcv(就如TCP包的处理函数是tcp_rcv一样,IP层不加区分)。也就是说,当

一个目的地址为本机的封包到达后,ip_rcv函数进行一些基本检查并除去IP头,然后

交由ipip_rcv解封。

ipip_rcv所做的工作就是去掉封包头,还原数据包,然后把还原后的数据包放入相应的

接收队列(netif_rx())。



从以上IP Tunnel实现的思想来看,思路十分清晰,但由于IP Tunnel的特殊性,其

实现的层次并不单纯。实际上,它的封装和解封部件不能简单地象上面所说的那样

分层。tunl设备虽应算进链路层,但其发送程序中做了更多的工作,如制作IPIP头

及新的IP头(这些一般认为是传输层或网络层的工作),调用ip_forward转发新包

也不是一个网络设备应当做的事。可以说,tunl借网络设备之名,一把抓干了不少

工作,真是‘高效’。而解封部件宏观上看在网络层之上,解出IPIP头,恢复原数据包

是它分内的事,但在它解出数据包(即原完整的协议数据包)后,它把这个包

放入相应的协议接收队列。这种事可不是一个上层协议干的,这是网络设备中断

接收程序的义务。看到了,在这点上,它好象到了数据链路层。

是不是有点乱,隧道机制就是这样,你有没有更好的办法?









三、

为实现VPN的扩展



实际上Linux只为实现隧道机制提供了一个框架,图二中的封包协议头在

Linux中被忽略了,也就是说,封包头只含封包IP头,其后紧跟原IP数据包。

这样的结构用于传输公开数据没有关系,但对于一个VPN来说,安全保密是

不可缺少的重要功能。我们希望通过隧道的数据可靠且不可窃取和冒充的,

那么,加密和认证就必不可少。

为实现这一构想,设计以下封包协议头:



0 4 8 16 24 31

+-----+-----+-----------+------------------------+

| ver |type | hlen | OldPacketLen |

+-----------------------+------------------------+

| DeviceID | EncapID |

+-----------------------+------------------------+

| Flags | CheckSum |

+------------------------------------------------+

| IPIP Options( If any ) |

+------------------------------------------------+

. | padding |

. .

+------------------------------------------------+



图三、 IPIP头设想图



ver: 版本号,利于扩展

type: 用于建立不同目的的隧道(可能处理上有差别)

OldPacketLen: 进入隧道的原数据包长度

DeviceID: 对数据包进行封装的设备标识

EncapID: 此封包的ID号

Flags: 标志位,共16位,初步定义如下:

0 保留

1 有否加密

2 有否做摘要

3 有否签名

4 保留

5 有否传送消息密钥

6 消息密钥有否加密

7 消息密钥是否需保留

8-15 保留



CheckSum: 头校验

IPIP Options: 用来传送一些必要的数据,比如消息密钥、签名等

格式: +-------------------------------------+

| 类型 | 长度 | 数据 ... |

+-------------------------------------+



好了,有了这个东西,我们就可以扩展Linux IP Tunnel为我们的VPN服务了。

首先,改写new_tunnel.c和ipip.c两个文件,加入对IPIP头的处理。



接着,我们要实现一种密钥的管理和传送机制。

当然,对称密钥是必需的,而对IP数据包加密要使用序列密码。从全体考虑,

我们可以提出建立VPN的逻辑步骤;

1、准备工作:建网安装系统完成配置等等

2、隧道的两端分别向对方发送自己的公开密码和设备号

3、如有必要,产生序列密码,后加密签名传给对方

4、正常通信,----放心,你的数据已经很保险了。



在一个VPN的隧道中,一个封包的格式应如图四所示。



/ +-----------------+

| | 封包IP头 |

封包头 | +-----------------+

| | 封包协议头 |

+-----------------+

/ | |

| | 原协议头 |

| | 及 |

封包数据 | | 原协议数据 |

| . (密文) .

| . .

| | |

+-----------------+





图四. VPN封包结构







你的几种使用方法。

事情往往不能两全其美,你在安全强度和通信速度上必须作出选择,

(不然你就需要在安全强度和Money的耗费中做选择。)

使用这样的协议,根据你的需求不同,你可有不同的使用方法,下面列举

一些:

0、跨Internet的公司多个内部网之间进行通信,保密性并不重要

直接使用原框架机制,无任何加密措施

这样速度快、效率高,公司也不用申请多个IP地址,方便可行

1、一般性的商业应用,具有保密要求

利用事先产生的序列密码,每次对原数据包加密

安全度提高了,是一种十分实用的方法。只要强度足够,一般很难破译

速度快

2、密码不变的方式你认为不够安全

你可以自己实现一种密码传送方法,每隔一段时间更换一次密码。

其中一些握手关系需要完善,有兴趣的欢迎探讨。

如果发展成熟,此法相信很有前途。

4、高度机密领域

敬请使用一次一密,并进行每次签名。

每次产生新密钥和签名十分费时,在目前我国Internet网络的速度下

几乎不可行。

但相信有此需要的部门也能够设法提高其网络带宽,让网络状况适合

这种应用。



另外,当然还可以就加密强度自身作出选择,比如选择128位,还是512位、1024位









四、

待完善



主要牵涉到隧道的管理,在封包的传送过程中如果出现错误是十分正常的,

当一台路由器检测到错误时,它会发送一个ICMP包给隧道的发送端,但遗憾的是

ICMP返回的数据除了IP头外,只含8个字节的上层协议信息。只凭这个难以对

ICMP信息作出反应,因此,在隧道端保留一些状态信息是必须的。这些信息

主要包括:

隧道的另一端的可达性

隧道的拥塞状况

隧道的MTU

同时所发送的封包信息也是需要保留的,举例说,当一个路由不可达信息

到来时,封包的发送者要能够找出所封装的数据来自何方,并发送相应的ICMP包。



强调一点,MTU的更新对隧道来将很重要,因为一个灵活的隧道的下一级设备是

不定的,同时一些数据包本身也要求更改MTU。


所有这些,在Linux中的处理都不够或根本没有处理。大家努力呀!