基于linux防火墻netfilter的配電終端通信報文

【摘要】本文討論并分析了Netfilter的功能框架、工作原理及數(shù)據(jù)包處理的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，設(shè)計(jì)了在Netfilter框架中實(shí)現(xiàn)配電終端報文預(yù)處理的hook模塊，實(shí)現(xiàn)去除通訊遙控報文數(shù)字簽名的功能，為配網(wǎng)自動化的二次安防提供幫助，同時為其他通信應(yīng)用中修改tcp包數(shù)據(jù)提供借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】Netfilter;hook模塊;mangle函數(shù);報文處理

引言

配電終端是典型的嵌入式設(shè)備，多基于linux系統(tǒng)，是配電自動化建設(shè)的重要組成部分。國家電網(wǎng)公司物資采購標(biāo)準(zhǔn)的專用技術(shù)規(guī)范中提出，配電終端應(yīng)配備符合國調(diào)〔2011〕168號文件技術(shù)功能要求的非對稱密鑰技術(shù)單向認(rèn)證模塊，終端側(cè)應(yīng)能夠鑒別配電主站（open3200）的數(shù)字簽名。

配電主站與配電終端建立tcp連接后，以104規(guī)約通信，主站發(fā)往終端的重要104規(guī)約報文會單向加密并數(shù)字簽名。本文hook模塊設(shè)計(jì)的報文預(yù)處理功能正是用于終端側(cè)，在通信報文到達(dá)終端前定位tcp數(shù)據(jù)包中的data區(qū)報文內(nèi)容，對報文進(jìn)行數(shù)字簽名鑒別等預(yù)處理。

1.netfilter處理報文的流程

1.1 netfilter的框架

Netfilter是Linux 2.4版本引入的一個子系統(tǒng)，它作為一個通用的、抽象的框架，提供一整套的hook函數(shù)管理機(jī)制，使得諸如數(shù)據(jù)包過濾、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）和基于協(xié)議類型的連接跟蹤成為可能[1]。同時netfilter也支持用戶自定義hook函數(shù)擴(kuò)充以上功能。

Netfilter把數(shù)據(jù)包處理的更流程化，并且實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展過濾策略而不必修改內(nèi)核的功能[2]。該框架為每種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（ IPv4、IPv6等）定義了數(shù)據(jù)包處理過程，并定義一些鉤子點(diǎn)（Hook） ，在內(nèi)核中建立了一個函數(shù)指針鏈表，函數(shù)指針?biāo)傅暮瘮?shù)稱為鉤子函數(shù)，其返回值告訴協(xié)議棧如何處理數(shù)據(jù)包[3]。

1.2 報文處理的實(shí)現(xiàn)原理

Tcp包經(jīng)過netfilter時的處理流程以及各“鉤點(diǎn)”如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)包在netfilter中的處理流程

對于收到的每個數(shù)據(jù)包，都從“PRE_ROUTING”點(diǎn)進(jìn)來，經(jīng)過路由判決，如果是發(fā)送給本機(jī)的就經(jīng)過“LOCAL_IN”點(diǎn)，然后往協(xié)議棧的上層繼續(xù)傳遞;否則，如果該數(shù)據(jù)包的目的地不是本機(jī)，那么就經(jīng)過“RORWARD”點(diǎn)，由“POST_ROUTING”點(diǎn)將該包轉(zhuǎn)發(fā)出去。對于上層協(xié)議棧發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包，首先也有一個路由判決，以確定該包是從哪個接口出去，然后經(jīng)過“LOCAL_OUT”點(diǎn)，最后也是順著“POST_ROUTING”點(diǎn)將該包發(fā)送出去[4]。

2.netfilter下報文預(yù)處理功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 報文預(yù)處理的功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的報文預(yù)處理功能是在L inux內(nèi)核Netfilter框架上開發(fā)的一個內(nèi)核模塊，具有tcp包勾取、識別、數(shù)據(jù)修改（加密或加數(shù)字簽名）等基本功能，通過動態(tài)加載到

Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)預(yù)處理功能。本文用到的鉤子點(diǎn)是POST_ROUTING，在該點(diǎn)編寫了相應(yīng)的鉤子函數(shù)，并進(jìn)行注冊和掛接，將tcp數(shù)據(jù)包鉤出來進(jìn)行處理再放回去。

通信tcp包在通過linux網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)時由預(yù)處理hook程序進(jìn)行處理，程序流程設(shè)計(jì)如 圖2所示：

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2 報文預(yù)處理的hook函數(shù)實(shí)現(xiàn)

下文按圖2流程介紹報文處理的hook函數(shù)部分源代碼。

（1）hook函數(shù)定義如圖3所示：

圖3 hook函數(shù)定義

（2）獲取存放當(dāng)前tcp包數(shù)據(jù)的skb_buff：

圖4 讀取skb_buff

（3）判斷數(shù)據(jù)包是否來自目標(biāo)進(jìn)程的端口號：

if （likely（ntohs（sport） = 5381）） {

return NF_ACCEPT;

} "http://判斷主站進(jìn)程端口號是否為538

（4）判斷數(shù)據(jù)包是否需要處理

payload = （void *） skb-gt;data + 40;

//+40是從data區(qū)偏移出 ip包頭與tcp包頭

if （*payload==0x68） {

//判斷是否為104規(guī)約報文

if （*（payload+6）==0x2E） {

//判斷是否為遙控報文

.......}

}

（5）取出tcp數(shù)據(jù)包中的應(yīng)用層數(shù)據(jù)（data區(qū)）也就是實(shí)際的規(guī)約報文，存入replace字符串：

payload = （void *） skb-gt;data + 40;

replace = payload ;

（6）如圖5處理報文，以0x00替換16 L1 L2 16型數(shù)字簽名，若想做其他處理都可以借助對指針字符串replace編程實(shí)現(xiàn)：

圖5 替換尾端報文16 L1 L2 16

（7）重新封裝tcp包，放入傳輸序列：

if （skb！=NULL） {

nf_nat_mangle_tcp_packet（skb，ct，ctinfo， 0，strlen（replace），（char*）replace，strlen（replace））; " " " " "http://重新封裝tcp包 return NF_ACCEPT;

}

這里的mangle函數(shù)調(diào)用是整個hook功能實(shí)現(xiàn)的核心。

用于修復(fù)seq的hook函數(shù)如圖6所示：

圖6 修復(fù)seq

3.測試運(yùn)行

本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境是在windows系統(tǒng)下，用Linux虛擬機(jī)作為數(shù)據(jù)進(jìn)出內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，報文預(yù)處理程序運(yùn)行在該Linux虛擬機(jī)上，同時在該windows下用兩個網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手分別模擬外網(wǎng)主站與內(nèi)網(wǎng)終端。內(nèi)網(wǎng)終端與外網(wǎng)主站通過網(wǎng)關(guān)虛擬機(jī)交換數(shù)據(jù)，示意圖見圖7所示：

圖7 模擬通信示意圖

將104規(guī)約下的遙控報文68 0E 06 00 46 00 2E 01 06 00 01 00 01 60 00 82 16 77 74 16從模擬主站（Tcp server）發(fā)往終端（Tcp client），報文尾端16 77 74 16為簡單數(shù)字簽名。如圖8所示：

圖8 主站側(cè)發(fā)出遙控報文

終端接受到報文如圖9所示，可見報文的數(shù)字簽名已被解除，由00 00 00 00替代，如果要對報文做其他處理，可以在程序中對指針字符串replace做相應(yīng)的處理。

4.結(jié)論

本文基于netfilter防火墻提出了一種報文預(yù)處理方法，用于配電終端側(cè)鑒別并處理配電主站（open3200）的遙控報文數(shù)字簽名。本方法能夠在傳輸網(wǎng)關(guān)準(zhǔn)確定位到tcp包中的原始報文數(shù)據(jù)，可按用戶需求對通信報文進(jìn)行預(yù)處理，無需再在終端應(yīng)用層進(jìn)行報文處理，減輕了終端的處理壓力、提高終端的響應(yīng)速度。

圖9 終端側(cè)收到的遙控報文

本文設(shè)計(jì)亦可用于其他的tcp通信場合，提供了一種修改tcp包應(yīng)用層data區(qū)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]陳慧春.Linux操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究. 成都：電子科技大學(xué)碩士論文，2004：44-47.

[2]岳新. Linux2. 4內(nèi)核下基于Netfilter框架可擴(kuò)展性研究與實(shí)現(xiàn). 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)碩士論文，2005.

[3]詹瑾，謝贊福. Linux內(nèi)核netfilter包過濾防火墻的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（18）：4525.

[4]wjlkoorey，洞悉linux下Netfilteramp;iptables：什么是Netfilter[EB/OL].ChinaUnix.net，2012.