基于NDIS中間層驅(qū)動(dòng)和SSL協(xié)議的安全通信

趙春平 劉文麗

江南計(jì)算技術(shù)研究所 江蘇 214083

0 前言

在SSLVPN中，通過虛擬網(wǎng)卡和SSL協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)安全通信，保護(hù)IP和鏈路層數(shù)據(jù)安全。Openvpn是這種技術(shù)的開源實(shí)現(xiàn)，它通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬網(wǎng)卡將IP或鏈路層數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，在應(yīng)用層通過SSL隧道通信，以達(dá)到安全目的。

通過虛擬網(wǎng)卡技術(shù)實(shí)現(xiàn)IP和鏈路層層的安全有一些缺點(diǎn)：

（1）對(duì)于建立SSL隧道的兩臺(tái)機(jī)器，只有通過對(duì)方的虛擬地址訪問時(shí)，數(shù)據(jù)才被保護(hù)。從根本上說(在不采用其他安全措施，比如防火墻)，兩臺(tái)機(jī)器之間仍然存在明文通信；

（2）虛擬網(wǎng)卡技術(shù)依賴虛擬IP地址，可能會(huì)影響上層應(yīng)用的訪問方式。

本文提出了一種基于Window NDIS協(xié)議和SSL協(xié)議來進(jìn)行安全通信的方法，并在原型通信的基礎(chǔ)上給出了多種安全通信方式。本方法可以實(shí)現(xiàn)下面的安全通信方式：

（1）構(gòu)建遠(yuǎn)程訪問模式SSLVPN；

（2）構(gòu)建局域網(wǎng)訪問模式SSLVPN；

（3）任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的安全通信；

（4）構(gòu)建加密網(wǎng)絡(luò)。

本方法的安全通信僅需要物理IP地址，并且安全通信不影響非安全通信，安全通信和非安全通信使用相同的IP地址。

本方法借鑒了虛擬網(wǎng)卡方式SSLVPN的思想：實(shí)現(xiàn)一個(gè)SSLVPN，開發(fā)人員需要通過各種不同的手段來截獲通信數(shù)據(jù)，然后將通信數(shù)據(jù)在SSL隧道中傳輸。虛擬網(wǎng)卡工作方式的SSLVPN從根本上講是將windows內(nèi)核態(tài)協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)通過IO控制傳遞到用戶態(tài)的SSL隧道中進(jìn)行傳輸，它的實(shí)現(xiàn)手段是虛擬網(wǎng)卡。本文介紹的方法通過IO控制將windows的NDIS層數(shù)據(jù)傳遞到用戶態(tài)進(jìn)行安全傳輸。

1 NDIS介紹

NDIS(Network Driver Interface Specification)是微軟實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口規(guī)范。它包括NDIS協(xié)議驅(qū)動(dòng)，NDIS小端口驅(qū)動(dòng)和NDIS中間層驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)遵循規(guī)范進(jìn)行交互。

通過NDIS中間層可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的截獲，NDIS中間層截獲的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)。

微軟的WDK中提供了passThru實(shí)現(xiàn)范例，它是一個(gè)透明的NDIS中間層驅(qū)動(dòng)。開發(fā)人員可以修改passThru范例來達(dá)到自己的目的。

2 SSL協(xié)議介紹

SSL(Security Socket Layer)協(xié)議是廣泛使用的安全通信協(xié)議。SSL客戶端和SSL服務(wù)端在socket層協(xié)商秘密信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安全通信。

3 實(shí)現(xiàn)原理

本方法通過NDIS中間層驅(qū)動(dòng)來截獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過操作系統(tǒng) IO控制，將數(shù)據(jù)傳遞到操作系統(tǒng)應(yīng)用層來進(jìn)行安全通信。安全通信的方式可以是SSL協(xié)議或其他自定義通信協(xié)議。大致的通信示意圖如圖1所示。

圖1 通信示意圖

應(yīng)用數(shù)據(jù)發(fā)送過程如下：

（1）發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)被NDIS中間層截獲，存入緩沖區(qū)；

（2）用戶態(tài)進(jìn)程讀取NDIS中間層截獲的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；

（3）用戶態(tài)進(jìn)程采用SSL通道發(fā)送給目標(biāo)；

（4）目標(biāo)機(jī)器應(yīng)用層進(jìn)程從SSL通道接收數(shù)據(jù)；

（5）目標(biāo)機(jī)器應(yīng)用層進(jìn)程將收到的數(shù)據(jù)寫入NDIS中間層驅(qū)動(dòng)；

（6）目標(biāo)機(jī)器NDIS中間層驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)提交給上層協(xié)議。

為了避免出現(xiàn)環(huán)路通信，使 SSL通道能夠正常工作，NDIS中間層必須放過SSL通道的網(wǎng)絡(luò)通信，有目的的截獲。NDIS截獲時(shí)，可以根據(jù)需求進(jìn)行截獲。

NDIS截獲的數(shù)據(jù)是鏈路層數(shù)據(jù)，因此，此種方法能保證鏈路層之上的所有安全通信。

4 原型及其模式演化

4.1 通信原型

基于NDIS中間層驅(qū)動(dòng)和SSL協(xié)議的原型如圖2所示。

圖2 NDIS安全通信原型

在原型中，發(fā)起方的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過NDIS中間層驅(qū)動(dòng)傳遞到SSL模塊，然后通過SSL模塊發(fā)送；接收方通過SSL模塊接收，再通過NDIS中間層驅(qū)動(dòng)傳遞到上層。

4.2 遠(yuǎn)程訪問模式

在上述原型中，將接收方的SSL模塊與NDIS中間驅(qū)動(dòng)層剝離，那么，它將演化為遠(yuǎn)程SSLVPN訪問。如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程SSLVPN訪問模式

此種工作方式下，遠(yuǎn)程訪問者的機(jī)器需要安裝NDIS中間層驅(qū)動(dòng)和 SSL模塊。受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)需要有一臺(tái)前置的 SSL轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，目標(biāo)機(jī)器上需要安裝 NDIS中間層驅(qū)動(dòng)。SSL轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器與目標(biāo)機(jī)器間采用socket進(jìn)行明文通信。

4.3 局域網(wǎng)訪問模式

在遠(yuǎn)程訪問模式下，將遠(yuǎn)程訪問者一端進(jìn)行剝離，那么將轉(zhuǎn)化為局域網(wǎng)訪問模式。如下圖所示：

圖4 SSLVPN 局域網(wǎng)工作模式

4.4 通過中轉(zhuǎn)的加密網(wǎng)絡(luò)

在局域網(wǎng)模式下，如果將兩臺(tái)SSL轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器合二為一，那么將組成一個(gè)通過中間服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的加密網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示：

圖5 通過中轉(zhuǎn)的加密網(wǎng)絡(luò)

4.5 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全通信

如果不通過SSL轉(zhuǎn)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)任意兩臺(tái)機(jī)器間的安全通信，相當(dāng)于構(gòu)造了一個(gè)加密網(wǎng)絡(luò)。如下圖所示：

圖6 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全通信

5 實(shí)現(xiàn)方法

下面給出了主要模塊的大致實(shí)現(xiàn)方法：

（1）NDIS驅(qū)動(dòng)

NDIS驅(qū)動(dòng)以微軟WDK中提供的Passthru范例為基礎(chǔ)，增加讀寫文件操作。在讀文件操作中，需要NDIS驅(qū)動(dòng)緩存MPSendPackets中的發(fā)送數(shù)據(jù)，如何緩存以及如何讀取，可以參考o(jì)penvpn的實(shí)現(xiàn)方式。在寫文件操作中，我們需要構(gòu)造一個(gè)數(shù)據(jù)包提交給上層協(xié)議，調(diào)用 NdisMEthIndicateReceive函數(shù)。

（2）SSL協(xié)議

SSL協(xié)議可以使用openssl來實(shí)現(xiàn)。

按照上述方式實(shí)現(xiàn)的NDIS驅(qū)動(dòng)，完全可以替換openvpn中的虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)安全通信。

6 總結(jié)

通過NDIS中間層驅(qū)動(dòng)和SSL協(xié)議來實(shí)現(xiàn)安全通信時(shí)，所使用的均為實(shí)際的物理地址，即一個(gè)物理地址即能做到明文通信同時(shí)也在進(jìn)行明文通信。并且，NDIS的截獲可以只針對(duì)特定目標(biāo)，完全不影響其他的正常通信。

[1]rfc2246,The TLS Protocol Version.1.0.

[2]WDKDocs_12112009.chm.windows wdk.幫助文檔.