基于NetMagic的IP報文過濾器實驗

◆王 鵬 余慶豐

（61764部隊 海南 572000）

基于NetMagic的IP報文過濾器實驗

◆王 鵬 余慶豐

（61764部隊 海南 572000）

本實驗完成基于NetMagic的IP報文過濾。過濾IP通過NMAC協(xié)議向NetMagic寫入，具體實現(xiàn)是管理模塊對UM模塊的寄存器的寫操作。NetMagic在收到數(shù)據(jù)報文時，提取數(shù)據(jù)報文的源IP地址，與過濾IP地址進行比對，若匹配則過濾，否則轉(zhuǎn)發(fā)報文。實驗結(jié)果顯示，NetMagic有效的實現(xiàn)了過濾規(guī)則寫入和IP報文過濾的功能。

NetMagic；報文過濾；NMAC協(xié)議；管理模塊

0 引言

基于NetMagic平臺，進行報文過濾的實驗，以此觀察對特定IP（特定MAC 、IP段、特定端口、端口段）的數(shù)據(jù)報文的過濾，達到有選擇訪問和進入的目的，為探索內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)防火墻的功效打下基礎(chǔ)。

1 實驗基本原理

讀取報文的IP部與設(shè)定的過濾IP進行比對，匹配的報文就丟棄不轉(zhuǎn)發(fā)。核心機制就是規(guī)則IP的寫入和報文的處理分析。

規(guī)則IP的寫入是通過發(fā)送基于NMAC協(xié)議的規(guī)則報文，通過管理模塊對UM的寫操作；報文的處理是通過比對一般報文的源IP和規(guī)則IP，匹配的報文則丟棄不轉(zhuǎn)發(fā)。NetMagic中的UM模塊使用的轉(zhuǎn)發(fā)機制是bypass模式，報文經(jīng)由CDP轉(zhuǎn)發(fā)，而不是UM轉(zhuǎn)發(fā)。因此，UM需要向CDP模塊的規(guī)則FIFO寫轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)或者丟包操作，轉(zhuǎn)發(fā)的報文來自CDP的數(shù)據(jù)FIFO。

2 實驗?zāi)繕?/h2>

2.1 驗證哪些關(guān)鍵機制

（1） 軟件測試

①在發(fā)送端PC1生成指定格式的報文，收端檢測報文是否成功。

②規(guī)則報文的發(fā)送，寫入規(guī)則是否成功。

（2）硬件測試

①設(shè)定過濾IP的初始值，NetMagic能正確實現(xiàn)對特定報文的識別，對于匹配規(guī)則的報文，能正確地進行丟棄而不轉(zhuǎn)發(fā)。對于不匹配的報文，能夠正確地進行轉(zhuǎn)發(fā)。在接收端對收到的報文進行抓包測試，過濾是否成功。

②接收規(guī)則報文，對特定的報文進行識別，接收端PC2抓包測試，確定是否生成規(guī)則。

通過以上實驗和步驟，既可以對報文過濾的正確性進行驗證，又可以分塊的實現(xiàn)功能，便于測試和調(diào)試。

硬件部分可以使用 Modlesim仿真來測試和驗證，通過查看輸出端的報文規(guī)則與相應(yīng)報文處理情況來進行判斷。

2.2 實驗拓撲

圖1 實驗拓撲圖

說明：PC1是發(fā)送端，既可以發(fā)送一般報文，也可以發(fā)送規(guī)則報文；PC2是接收端，對過濾后的報文進行接收。

2.3 實驗拓撲

預(yù)期NetMagic能對報文進行正確的處理。對于指定源IP的報文能進行過濾，對不匹配的報文能進行正常轉(zhuǎn)發(fā)。為了便于測試，可以發(fā)送有限條匹配和不匹配的報文并在接收端進行抓包動作。

3 實驗詳細設(shè)計

3.1 軟件部分

（1）關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工作流程

軟件的功能是與硬件進行溝通，往硬件UM部分寫入防火墻規(guī)則，并讀取相關(guān)信息。本軟件基于現(xiàn)有的nmac函數(shù)源碼，依據(jù)與硬件約定的寄存器和存儲器地址進行編程，共分為三個部分。第一個部分是nmac函數(shù)源碼，實現(xiàn)連接硬件、輸入輸出函數(shù)、連接關(guān)閉等功能。第二個部分為規(guī)則寫入模塊，實現(xiàn)過濾器規(guī)則的界面輸入和傳輸功能。第三個模塊為過濾規(guī)則讀取模塊，實現(xiàn)過濾規(guī)則讀取與顯示功能。

下面將首先介紹過濾器規(guī)則寫入與讀取工作流程，然后再分模塊介紹。

首先需要介紹一下程序的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——過濾規(guī)則。過濾規(guī)則是一個包含了指針的結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體由源mac地址、源IP地址、源端口號、目的mac地址、目的IP地址、目的端口號、動作和指向相同結(jié)構(gòu)體的指針組成。下面是該結(jié)構(gòu)體的截圖。在controller（PC）中，可以由這樣的結(jié)構(gòu)體組成鏈表，表示一系列的規(guī)則。

此外，還需要介紹一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。第一個是每次與硬件溝通進行規(guī)則配置、讀取等動作前需要寫入的數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)表明了本次是讀取規(guī)則、寫入規(guī)則還是將原有的規(guī)則清除。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還包含了需要寫入、讀取的規(guī)則數(shù)目。

另外，還有幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù)需要說明。它們分別是UM模塊中過濾規(guī)則首地址、存放UM模塊中“規(guī)則數(shù)量”數(shù)據(jù)的地址以及存放上面“過濾規(guī)則包”信息說明結(jié)構(gòu)（rules_packhead）的地址。在程序中，與硬件設(shè)計人員約定好這幾個地址，并在頭文件中預(yù)定義好。

寫入規(guī)則的過程是：首先從界面中輸入規(guī)則各項信息，形成規(guī)則鏈表；寫入“過濾規(guī)則包”信息說明結(jié)構(gòu)；寫入規(guī)則。讀取規(guī)則的過程是：寫入“過濾規(guī)則包”信息說明結(jié)構(gòu)；讀取UM模塊中規(guī)則數(shù)量；讀取規(guī)則。清除規(guī)則的過程是：寫入“過濾規(guī)則包“信息說明結(jié)構(gòu)。

（2）過濾規(guī)則寫入過程

過濾規(guī)則通過黑屏幕寫入。程序運行后，將會提示。如果選擇輸入規(guī)則，則進入到輸入規(guī)則的界面。進入該界面后，需要分別輸入規(guī)則項。對于每一項，可以選擇輸入或者不輸入。如若選擇輸入，則需按照提示的格式輸入，如果選擇不輸入，則程序?qū)⒆詣由蓴?shù)據(jù)，表明該項無效。規(guī)則輸入的過程如圖2所示。

圖2 規(guī)則輸入過程

輸入規(guī)則后，將會形成一個規(guī)則鏈表。寫入規(guī)則函數(shù)將這個鏈表的內(nèi)容復(fù)制到到一個緩沖區(qū)中，然后利用nmac的寫入源函數(shù)將這個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入UM相應(yīng)位置。在寫入UM前，需要讀取UM模塊中現(xiàn)有的規(guī)則數(shù)量，通過約定好的規(guī)則首地址知道新的規(guī)則要寫入哪個地址。

（3）過濾規(guī)則讀取和清楚過程

過濾規(guī)則讀取過程相對比較簡單。首先寫入“過濾規(guī)則包”頭部，說明要讀取過濾規(guī)則。然后讀取UM模塊中的規(guī)則數(shù)量，根據(jù)約定好的規(guī)則頭部地址讀取過濾規(guī)則。讀取后用鏈表存儲，然后在屏幕上顯示即可。

3.2 硬件部分

UM硬件實現(xiàn)分為兩部分：（1）報文識別模塊；（2）規(guī)則寫入模塊。

3.2.1報文識別模塊

（1）信號說明

信號含義如表1和表2所示。

表1 CDP2UM的信號說明表

表2 向CDP的規(guī)則FIFO寫規(guī)則的信號

注意：因為我們采用bypass模式，故um2cdp_rule[29]=1。

（2）狀態(tài)機

L_Idle狀態(tài)UM向發(fā)送cdp2um_tx_enable，然后CDP向UM發(fā)送第一條報文，并跳到CU_FIRST狀態(tài)。

CU_FIRST狀態(tài)讀取第二條報文，其中[47:16]是源 ip，跳到下一個狀態(tài)，CU_SECOND等是保留狀態(tài)，以便以后對mac地址、端口等做過濾。

CU_FIFTH狀態(tài)向CDP規(guī)則FIFO寫規(guī)則CU_RULE狀態(tài)數(shù)據(jù)復(fù)位：

um2cdp_rule_valid ＜= 1'b0;

um2cdp_rule_wrreq ＜= 1'b0;

cdp2um_tx_enable ＜= 1'b1;

然后回到CU_IDLE狀態(tài)。

圖3 報文識別模塊狀態(tài)機

（3）時序

①CDP2UM的時序

當(dāng)UM模塊資源空閑，有能力從CDP接收一個新的報文時，則給 CDP輸入控制模塊一個發(fā)送使能信號 cdp2um_tx_enable。CDP輸入控制模塊獲得該使能信號后，同時向 UM和輸入輸出FIFO發(fā)送139位寬的報文數(shù)據(jù)cdp2um_data，并發(fā)送一個報文有效信號cdp2um_data_valid，此信號表明了報文的開始、中間和結(jié)束。UM一旦獲得了報文的頭部，就可以取消使能信號cdp2um_tx_enable，直到報文接收完畢。輸入控制模塊給 UM的報文是連續(xù)的。當(dāng)一個報文發(fā)送結(jié)束后，UM可以重新產(chǎn)生發(fā)送使能信號，進行下一個報文的上傳。（參考NetMagic 08 UM設(shè)計規(guī)范）。

②寫rule的時序

UM接收到一個報文尾，且規(guī)則FIFO有剩余空間時，將規(guī)則寫信號 um2cdp_rule_wrreq置高一拍，同時把匹配規(guī)則發(fā)送給CDP輸出控制模塊。

3.2.2規(guī)則寫入模塊

（1）信號說明

表3 規(guī)則寫入模塊的信號

（2）狀態(tài)機

圖4 規(guī)則寫入模塊狀態(tài)機

①UM檢測到ale=1且wr=0，跳到addr狀態(tài)并采樣地址并判斷。如果為自己的地址空間則繼續(xù)往下執(zhí)行。如果不為自己的地址空間則不繼續(xù)往下執(zhí)行而是等待下一次操作；

②如果為自己的地址空間，則跳到wait狀態(tài)；

③UM檢測到Cs_n=0&rd_wr=0，則跳到data狀態(tài)讀取數(shù)據(jù)；

④UM檢測到片選信號為1之后（data讀取完畢），跳到了idle狀態(tài)。

（3）時序

管理模塊寫UM管理模塊把解析后的命令及數(shù)據(jù)發(fā)送給UM。UM獲得命令及數(shù)據(jù)后，對相應(yīng)的地址空間進行讀寫操作。如果為寫操作，則UM完成寫操作后，只需返回應(yīng)答信號即可。管理模塊時序圖如圖5所示。

圖5 管理模塊時序圖

4 實驗結(jié)果

4.1 modelsim仿真

通過檢查rule的變化判斷是否過濾成功。首先，我們發(fā)的是一條理論上不被過濾的報文，我們可以看到rule從32’b0變成32’b10000000000000000000000000000010（即 30'h20000002），這代表報文正常轉(zhuǎn)發(fā)；接著，我們發(fā)了一條理論上要被過濾的報文 ， 我 們 可 以 看 到 rule從 32’b10000000000000000000000000000010變 成 了 32’b10001000000000000000000000000010（即 30'h22000002），這代表報文被丟棄。rule的變化過程如圖6所示。

rule第一次變化 rule第二次變化

圖6 rule變化過程

4.2 硬件實測

通過軟件給UM發(fā)送規(guī)則報文，寫過濾IP為 192.168.1.3，經(jīng)過發(fā)送192.168.1.3的IP報文和檢驗接收端是否收到該報文，就可以檢驗規(guī)則報文是否成功寫入和過濾功能是否實現(xiàn)。

測試時，我們設(shè)定接收端PC的IP是192.168.1.2。

注意：輸入端口是port3，輸出端口是port2。也就是說，PC1連接NM的port3，PC2連接NM的port2。注意端口不要接反了，剛開始測試的時候，因為端口接反了，造成測試不成功，及時發(fā)現(xiàn)后，改正回來就OK了。

（1）設(shè)定發(fā)送端的IP是192.168.1.1。

在發(fā)送端PINK接收端，如圖7所示，發(fā)送成功。這是因為IP 192.168.1.1不是我們要過濾的報文IP。

圖7 發(fā)送測試情況

（2）設(shè)定發(fā)送端的IP是192.168.1.3。

在發(fā)送端PINK接收端，如圖8所示，發(fā)送不成功。這是因為IP 192.168.1.3就是我們要過濾的報文IP。而且，這證明了我們的規(guī)則報文也成功寫入UM。

圖8 發(fā)送測試情況

經(jīng)過多次測試，都成功完成了寫入規(guī)則和過濾IP的目標。

注意：輸入端口是port3，輸出端口是port2。注意port3發(fā)到port2要經(jīng)過過濾IP，port2到port3不經(jīng)過過濾IP，但是要建立通路，這個通路是很重要的，剛開始沒有建立這個通路，實驗沒成功；后來增加了這個通路后，完全達到了我們的設(shè)計目標。

5 結(jié)語

通過仿真實驗，驗證了NetMagic基于源IP的報文過濾功能。實驗表明，NetMagic能正確完成設(shè)定的功能，對于匹配規(guī)則的數(shù)據(jù)報文進行過濾，對不匹配規(guī)則的數(shù)據(jù)報文進行轉(zhuǎn)發(fā)。

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