移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

涂 靜，田增山，周 非

（重慶郵電大學(xué) 無(wú)線定位與空間測(cè)量研究所，重慶 400065）

近幾年，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以不可阻擋的趨勢(shì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。據(jù)工信部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2012年6月，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)已達(dá)到3.8億，其中83%的用戶主要使用即時(shí)通信[1]。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以實(shí)時(shí)性、移動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)吸引著軍用、商用、民用各方目光。

然而，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)給人們提供便利時(shí)帶來(lái)的安全隱患也不容忽視，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端的安全隱患更是受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視[2]。在美國(guó)，眾多傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)安全公司將工作重心轉(zhuǎn)移到移動(dòng)終端安全[3]。此外，國(guó)家安全部門也給予高度重視，如由于智能終端泄密，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局指定Invincea公司提升搭載安卓系統(tǒng)的終端的隱私數(shù)據(jù)保護(hù)能力等。在國(guó)內(nèi)，面對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端安全日益突出的問(wèn)題，工信部頒布《智能終端管理辦法》、《關(guān)于加強(qiáng)移動(dòng)智能終端進(jìn)網(wǎng)管理的通知》[4]等法規(guī)并建設(shè)智能終端安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室保障終端安全。關(guān)于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信安全和終端安全技術(shù)的研究也層出不窮。參考文獻(xiàn)[5]中提出的終端安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案使用集成SM2加密的硬件，采用SSL VPN技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。參考文獻(xiàn)[6]指出，騰訊、奇虎等公司針對(duì)智能終端開發(fā)了安全軟件，主要包括殺毒、防火墻以及權(quán)限管理等功能。

目前終端安全的研究大多基于智能終端，并開發(fā)了許多安全軟件，這些軟件集成了殺毒、防火墻等功能，一定程度上提高了終端安全性。但豐富的第三方應(yīng)用軟件的權(quán)限濫用和后門程序造成了更大的安全隱患[7]。參考文獻(xiàn)[5]提出的方案在增加保密性的同時(shí)增加了終端的體積和功耗。此外，現(xiàn)有的安全方案鮮少關(guān)注信息傳輸及存儲(chǔ)安全。本文針對(duì)行業(yè)部門、保密商用等領(lǐng)域的安全通信需求，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全防護(hù)終端。

1 安全終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全終端的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)特殊行業(yè)應(yīng)用、商用等保密環(huán)境下，將敏感信息通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全及時(shí)地傳遞到對(duì)端并保證終端的系統(tǒng)安全及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全。此外，在保證安全的同時(shí)簡(jiǎn)化用戶操作的復(fù)雜性。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，安全終端需具備以下功能：

(1)傳輸安全模塊：實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的端到端的安全通信。安全終端采用IPsec技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

(2)網(wǎng)絡(luò)安全模塊：防止移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中存在的網(wǎng)絡(luò)攻擊及系統(tǒng)破壞。安全終端采用入侵檢測(cè)、防火墻、流量查看及訪問(wèn)控制實(shí)現(xiàn)。

(3)存儲(chǔ)安全模塊：實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)加密以及防止刪除數(shù)據(jù)恢復(fù)。安全終端采用磁盤加密和文件粉碎刪除技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

(4)用戶交互模塊：為用戶提供可視化操作界面，實(shí)現(xiàn)會(huì)話、文件傳輸、安全模塊參數(shù)配置、安全日志查看等功能。安全終端采用QT環(huán)境的C/C++編程實(shí)現(xiàn)。

(5)上位機(jī)監(jiān)控模塊：實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)PC的有效利用。用戶可選擇使用終端通信，或是在終端的監(jiān)控下，使用PC通信。安全終端通過(guò)特殊的硬件設(shè)計(jì)，配合相應(yīng)軟件，使用戶所有操作都在終端的監(jiān)控下進(jìn)行，以保證PC的啟動(dòng)安全和操作安全。在連接上位機(jī)時(shí)，安全終端除作為監(jiān)控模塊外，還用作PC的VPN網(wǎng)關(guān)。上位機(jī)發(fā)出和接收的數(shù)據(jù)，都需要經(jīng)過(guò)安全終端的檢測(cè)，并通過(guò)終端進(jìn)行端到端的加密傳輸。

2 終端的硬件設(shè)計(jì)

安全終端的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全終端硬件架構(gòu)

(1)處理器：核心處理器在保證終端的網(wǎng)絡(luò)通信功能和各安全軟件的正常運(yùn)行外，作為便攜設(shè)備，還應(yīng)考慮芯片功耗。為滿足需求，安全終端選用飛思卡爾I.MX515處理器，該芯片采用高效的ARM Cortex-A8內(nèi)核，主頻高達(dá)800 MHz，擁有256 KB的二級(jí)緩存，且功耗較低。

(2)TD模塊：TD模塊作為網(wǎng)絡(luò)接入模塊，需長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，應(yīng)選擇性能穩(wěn)定且功耗較低的模塊。此外，TD模塊還應(yīng)支持AT指令，用于控制其上網(wǎng)、信號(hào)強(qiáng)度讀取等功能。安全終端選用重郵信科公司的TDM330模塊，該模塊下行最大支持 HSDPA2.8 Mb/s，上行最大支持HSUPA2.2 Mb/s，足以滿足安全終端對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求。同時(shí)，TDM330模塊采用通用的AT命令接口，支持短消息業(yè)務(wù)及移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，滿足安全終端對(duì)模塊的功能需求。

(3)USB HUB：安全終端內(nèi)的USB HUB芯片分出兩路接口，用于監(jiān)視上位機(jī)和與上位機(jī)交互數(shù)據(jù)。如圖2所示，USB HUB的一路接口連接USB/LAN轉(zhuǎn)換。連接安全終端時(shí)，PC通過(guò)LAN接口工作于安全終端的監(jiān)視環(huán)節(jié)。此時(shí)僅使用了上位機(jī)的硬件，操作系統(tǒng)和操作軟件全部由安全終端監(jiān)管。USB HUB的另一路接口連接USB網(wǎng)口，用于PC系統(tǒng)的參數(shù)配置、日志檢索等。

圖2 安全終端與上位機(jī)接口設(shè)計(jì)

此時(shí)，安全終端作為上位機(jī)的VPN網(wǎng)關(guān)，PPP0作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信的外網(wǎng)網(wǎng)口，內(nèi)核與USB網(wǎng)口通信作為內(nèi)網(wǎng)通信。上位機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)安全終端加密認(rèn)證并和對(duì)端進(jìn)行安全通信。

安全終端還配有啟動(dòng)模塊、觸摸屏、電源模塊、調(diào)試口等硬件，以保障終端正常使用。

3 終端的軟件設(shè)計(jì)

安全終端的軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 安全終端軟件架構(gòu)

出于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性需求以及安全軟件開發(fā)的考慮，安全終端選用Linux操作系統(tǒng)。在內(nèi)核層，安全終端根據(jù)應(yīng)用需求裁剪內(nèi)核并增加相應(yīng)驅(qū)動(dòng)。在安全軟件層，安全終端根據(jù)安全需求實(shí)現(xiàn)了傳輸安全模塊、網(wǎng)絡(luò)安全模塊以及存儲(chǔ)安全模塊。在應(yīng)用層，安全終端根據(jù)通信及應(yīng)用需求，用QT實(shí)現(xiàn)用戶交互模塊，該模塊使用C/C++編程實(shí)現(xiàn)，具體內(nèi)容本文將不作贅述。

3.1 傳輸安全模塊

在數(shù)據(jù)傳輸方面，終端需要保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被非法竊取、篡改。因此，安全終端使用IPsec對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行端到端的加密、認(rèn)證，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾?。安全終端的IPsec模塊用openswan實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵步驟如圖4所示。

圖4 openswan移植

安全終端間通信時(shí)，IPsec模塊可保證端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。連接上位機(jī)時(shí)，安全終端被模擬成VPN網(wǎng)關(guān)，安全終端與上位機(jī)間通過(guò)USB線進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)傳輸，外網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由終端IPsec模塊加密認(rèn)證，亦可保證上位機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.2 網(wǎng)絡(luò)安全模塊

終端的網(wǎng)絡(luò)安全模塊包括防火墻、入侵檢測(cè)、訪問(wèn)控制以及流量查看等軟件。流量查看及訪問(wèn)控制分別使用nload和TOMOYO實(shí)現(xiàn)，此處不做詳述。安全終端最重要的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全軟件是入侵檢測(cè)和防火墻，其聯(lián)動(dòng)原理如圖5所示。

圖5 防火墻與入侵檢測(cè)聯(lián)動(dòng)

防火墻與入侵檢測(cè)啟動(dòng)后在后臺(tái)對(duì)安全終端進(jìn)行安全防護(hù)。從圖5可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)安全終端時(shí)，入侵檢測(cè)系統(tǒng)的抓包模塊在數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)包捕獲送至入侵檢測(cè)系統(tǒng)，入侵檢測(cè)系統(tǒng)和防火墻系統(tǒng)分別對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測(cè)過(guò)濾，當(dāng)數(shù)據(jù)包中內(nèi)容與入侵檢測(cè)規(guī)則相匹配時(shí)，則說(shuō)明有入侵行為，入侵檢測(cè)系統(tǒng)立刻修改防火墻策略，并由防火墻過(guò)濾該IP（端口）發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包。安全終端采用netfilter/iptables實(shí)現(xiàn)防火墻，snort實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)。移植并配置iptables和snort后，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)動(dòng)，安全終端中采用guardian完成。guradian可根據(jù)snort的報(bào)警日志向iptables添加防火墻策略。實(shí)現(xiàn)兩者聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵步驟如圖6所示。

圖6 實(shí)現(xiàn)防火墻與入侵檢測(cè)聯(lián)動(dòng)

3.3 存儲(chǔ)安全模塊

存儲(chǔ)安全模塊包括文件加密存儲(chǔ)和安全刪除，用于保證安全終端的數(shù)據(jù)不被非法竊取。加密存儲(chǔ)是在安全終端中分配一塊存儲(chǔ)區(qū)域作為磁盤掛載在文件系統(tǒng)的相應(yīng)目錄下，該盤中的數(shù)據(jù)全部加密并且在掛載目錄下可將磁盤隱藏。安全刪除是對(duì)刪除文件所占的磁盤空間進(jìn)行多次反復(fù)填寫，使已刪除的文件不可恢復(fù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證安全終端的功能，本文采用兩臺(tái)安全終端進(jìn)行通信，并在通信過(guò)程中抓取數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證傳輸數(shù)據(jù)是否加密；在通信過(guò)程中啟動(dòng)防火墻封鎖IP，驗(yàn)證是否可以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊；嘗試獲取磁盤中敏感數(shù)據(jù)和已刪除數(shù)據(jù)，驗(yàn)證存儲(chǔ)安全。

圖7為IPSec隧道建立成功后，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使用tcpdump抓取的數(shù)據(jù)包。從圖中可以看出，傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)ESP加密，即安全終端可保證通信安全。

圖7 ipsec測(cè)試

圖8是防火墻測(cè)試結(jié)果。本文使用ping測(cè)試。圖片上半段為防火墻未封鎖該IP時(shí)，終端A可正常ping通終端B；圖片下半段為防火墻封鎖該 IP，終端 B將數(shù)據(jù)丟棄并返回不可達(dá)的假消息。在實(shí)際應(yīng)用中可用于封鎖攻擊者的地址或攻擊端口。

圖8 防火墻測(cè)試

圖9是安全刪除文件時(shí)進(jìn)行跟蹤得到的結(jié)果。從圖片中可以看出,在文件刪除時(shí)對(duì)文件進(jìn)行了反復(fù)填寫，保證刪除數(shù)據(jù)無(wú)法恢復(fù)。

圖9 安全刪除

從以上的測(cè)試結(jié)果可以看出，安全終端中的安全軟件均能正常工作并保障數(shù)據(jù)傳輸安全、網(wǎng)絡(luò)安全以及存儲(chǔ)安全。

安全終端根據(jù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端面臨的危險(xiǎn)，從3個(gè)層次設(shè)計(jì)軟件保證數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)的安全。同時(shí)，終端通過(guò)特殊的架構(gòu)設(shè)計(jì)使用戶既可利用終端進(jìn)行安全通信，又可以通過(guò)終端保證上位機(jī)間的安全通信。但是，提高終端內(nèi)防火墻與入侵檢測(cè)的準(zhǔn)確率等問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究與實(shí)踐。

[1]中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心.第30次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)告[R].2012.

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