基于ARM和移動網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器設(shè)計及其安全性討論

武一　王月侖　王佳欣　李雪飛

摘 要：隨著移動無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，研究、設(shè)計了一種基于ARM平臺和移動網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器系統(tǒng)，并就該系統(tǒng)的安全性進行了分析。通過對ARM平臺內(nèi)核驅(qū)動和應(yīng)用軟件的配置，實現(xiàn)了ARM平臺的PPP撥號上網(wǎng)功能，并利用VPN技術(shù)使之成為一個可供外網(wǎng)訪問的遠程數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。同時，使用NIST隨機性檢測方法對服務(wù)器使用的移動無線網(wǎng)絡(luò)的SNOW 3G加密算法進行了分析、討論，為今后在野外勘測、工業(yè)控制等領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：ARM平臺；移動網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)器；VPN技術(shù)

中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.005

隨著移動無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用。在嵌入式基礎(chǔ)上的移動無線傳輸系統(tǒng)中引入VPN技術(shù)，可使其成為能夠被外網(wǎng)訪問的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括S3C2440處理器、電源電路、復(fù)位電路、FLASH存儲模塊和3G上網(wǎng)模塊等。使用HUAWEI ET128-2無線模塊，傳輸率下行最大為3.1 Mbps，上行最大為1.8 Mbps。核心板與無線模塊通過USB HOST接口連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 內(nèi)核驅(qū)動配置

系統(tǒng)采用S3C2440處理器作為二次開發(fā)平臺。

2.1 USB Driver

USB網(wǎng)卡包括modem、USB轉(zhuǎn)串口模塊和存儲模塊。當有USB設(shè)備載入開發(fā)板時，開發(fā)板會默認以存儲模式來識別該設(shè)備。因此，需要在內(nèi)核中添加對modem模式的支持，為后續(xù)模式轉(zhuǎn)換作準備。

內(nèi)核版本采用2.6.30，通過命令make menuconfig ARCH=arm添加驅(qū)動，位于Driver/USB/USB Serial Converter/USB Driver for GSM and CDMA modems。

2.2 Point to Point Protocol（PPP）

PPP解決了SLIP中的問題，并成為正式的因特網(wǎng)標準。添加基于arm開發(fā)板、支持PPP的內(nèi)核，位于Network device support/PPP support，并添加目錄下關(guān)于PPP的驅(qū)動。

2.3 廣域網(wǎng)口

要實現(xiàn)上網(wǎng)功能，需同時添加廣域網(wǎng)口下PPP支持，位于Wan interfaces support/Synchronous Point to Point Protocol support。

3 應(yīng)用程序編譯

3.1 Libusb庫

要通過模式轉(zhuǎn)換才能使USB設(shè)備實現(xiàn)上網(wǎng)功能。Linux平臺的驅(qū)動主要有兩種，即內(nèi)核驅(qū)動開發(fā)和基于Libusb庫的無驅(qū)設(shè)計。

3.2 usb-modeswitch

usb-modeswitch主要用于控制USB設(shè)備（含有多個USB子設(shè)備）的模式切換。用此工具將網(wǎng)卡由存儲模式轉(zhuǎn)換到modem模式。解壓數(shù)據(jù)包后，重新配置Makefile文件CC=arm-linux-gcc CFLAGS=-Wall–l usb –I/3g/libusb-0.1.12/_install/include–L/3g/libusb-0.1.12/_install/lib，以確定交叉編譯工具和編譯所依賴的Libusb庫，然后make編譯。

3.3 PPP撥號程序

下載PPP撥號源代碼，配置交叉編譯工具./configure–prefix=arm-linux，然后make編譯。編譯完成后，在目錄下會有chat和pppd目錄生成，更改兩目錄權(quán)限為chmod 777 chat/chat和chmod 777 pppd/pppd，以備移植。

4 開發(fā)板配置

首先是開發(fā)板啟動腳本/etc/init.d/rcS，設(shè)置busybox啟動后默認執(zhí)行操作。掛載設(shè)備和USB線程，mount–t devpts devpts/dev/pts，mount–t usbfs usbfs/proc/bus/usb。

掛載nfs共享，將Libusb、usb-modeswitch和PPP編譯后產(chǎn)生的部分目錄文件移至開發(fā)板。圖2所示為移至開發(fā)板的文件。

將各文件依文件類型歸入不同的文件夾——cp libusb*/lib/、cp chat/usr/sbin/、cp pppd/ust/sbin/和cp usb_modeswitch/bin/。將網(wǎng)卡重新插入，斷開現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)ifconfig eth0 down，切換USB模式usb_modeswitch–W–v 12d1 –p 1dal–V 12d1–P 1da1–D 0–H 1。

在PPP目錄下chap-secrets和pap-secrets文件內(nèi)，將權(quán)限設(shè)定為最大權(quán)限。首先在connect-chat文件內(nèi)更改連接時限等設(shè)定，在gprs文件中設(shè)置回顯、硬件接口等信息，然后撥號pppd call gprs。圖3所示為反饋信息。將反饋信息中的DNS值寫入resolv.conf文件。

下面對難點問題進行解析。

在操作過程中，如果有USB設(shè)備模式轉(zhuǎn)換錯誤“USB error：could not clear/halt ep 1：Connection timed out”，找到文件/driver/usb/serial/option.c，在文件中添加網(wǎng)卡ID信息。

{USB_DEVICE（HUAWEI_VENDOR_ID），HUAWEI_PRO DUCT_ID）}

#define HUAWEI_VENDOR_ID 0x12d1

#define HUAWEI_PRODUCT_ID 0x1da1

如果有地址請求失敗“IPCP：timeout sending Config-Requests”，檢查連接腳本命令，必須有“OKAT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"”，“CMNET”為系統(tǒng)網(wǎng)卡APN，在網(wǎng)絡(luò)指令A(yù)TDT后加入中國移動gprs的接入號碼“*99***1#”。

如果有只能ping純ip地址而不能解析域名的情況，將/ppp/resolv.conf（內(nèi)容為新dns值）內(nèi)容拷貝到/etc/resolv.conf中或者做一個到/etc/resolv.conf的鏈接，即可以實現(xiàn)ping通域名。

5 VPN配置

面對移動網(wǎng)絡(luò)中客戶端所獲私有動態(tài)IP不能被外網(wǎng)通過IP地址直接訪問的問題，可采用VPN技術(shù)實現(xiàn)一個虛擬的局域網(wǎng)，以固定設(shè)備IP并實現(xiàn)訪問。

目前用以構(gòu)建VPN的協(xié)議主要有三種，即PPTP、L2TP和IPSec。PPTP以其速度快、占用資源少的優(yōu)勢占據(jù)了重要市場。

將pptp-1.7.2解壓后，修改根目錄下的Makefile文件，將CC=gcc改為CC=arm-linux-gcc，make生成PPTP可執(zhí)行文件，并拷貝到ARM平臺/usr/sbin目錄下。

接下來對PPTP打入補丁并重新編譯。按照上述內(nèi)容將PPP解壓后，將補丁文件（格式為.patch）拷貝入PPP根目錄并執(zhí)行patch–p1，以打入補丁。重新編譯后，將所需文件拷貝至ARM平臺。

執(zhí)行指令pptp--debug serverip user $username password $password mppc mppe stateless，以連接VPN服務(wù)器。

補丁版本必須與PPP版本一致，否則無法同Windows 的VPN服務(wù)器實現(xiàn)加密鏈接。

6 安全性討論

移動網(wǎng)絡(luò)的加密主要包括保密性算法和完整性算法。保密性算法用于保護UE、RNC間的用戶數(shù)據(jù)和信令數(shù)據(jù)的機密性，是一種對稱同步串行加密方法；完整性算法用來鑒別UE和RNC間的數(shù)據(jù)完整性，是一種消息認證碼（MAC）算法。

移動網(wǎng)絡(luò)采用了SNOW族的加密算法，其代表性算法為SNOW 2.0。對SNOW 2.0進行改進，得到SNOW 3G算法。

6.1 SNOW 2.0

SNOW 2.0為SNOW族代表性算法，基于線性反饋移位寄存器LFSR和狀態(tài)機FSM運作，圖4為其運作圖。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），可得SR代數(shù)表達式是254次，9項多項式。

6.2 SNOW 3G

為了進一步降低SNOW 2.0的線性相關(guān)性，3GPP對其進行了升級。在FSM中添加一個寄存器R3和一個S盒，如圖5所示。

6.2.3 完整性階段

在該階段，從產(chǎn)生的密鑰流中取z1～z5，其中z1、z2和明文message作為MUL的輸入進行運算，得到EVAL的中間值EVAL_M；EVAL_M與明文長度LENGTH進行異或運算后的值與z3、z4再次調(diào)用MUL函數(shù)，得到新的EVAL值；取該EVAL的高32位與z5進行異或運算，即可得到完整性保護密鑰MAC-1。

6.3 NIST隨機性測試

NIST隨機性檢測的數(shù)學(xué)依據(jù)是假設(shè)檢驗。設(shè)定一個顯著性水平α，由此計算當前樣本統(tǒng)計量的值P-value。當結(jié)果P-value≥α時，則認為待測樣本是隨機序列，通過測試；否則為非隨機。P-value值越大，隨機性越好。NIST規(guī)定了16種隨機性測試項，就其中的12項在1%的水平進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出各項的P-value>α（=0.01），并且有5項均超過了0.5，能夠很好地滿足隨機性要求。

7 總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于ARM平臺和移動無線網(wǎng)卡的遠程數(shù)據(jù)采集服務(wù)器系統(tǒng)，且其加密算法隨機性良好，為今后野外勘測、工業(yè)控制等領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供了可行性方法。

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〔編輯：劉曉芳〕