Linux内核中的IPSEC实现(4)

Java代码



6. XFRM的其他操作

6.1 HASH处理

关于HASH值的计算方法主要在net/xfrm/xfrm_hash.h中定义:

// IPV4地址HASH

static inline unsigned int __xfrm4_addr_hash(xfrm_address_t *addr)

{

// 就是地址本身

return ntohl(addr->a4);

}

// IPV6地址HASH

static inline unsigned int __xfrm6_addr_hash(xfrm_address_t *addr)

{

// 取后2个32位数异或

return ntohl(addr->a6[2] ^ addr->a6[3]);

}

// IPV4源,目的地址HASH

static inline unsigned int __xfrm4_daddr_saddr_hash(xfrm_address_t *daddr, xfrm_address_t *saddr)

{

// 将两个地址异或

return ntohl(daddr->a4 ^ saddr->a4);

}

// IPV4源,目的地址HASH

static inline unsigned int __xfrm6_daddr_saddr_hash(xfrm_address_t *daddr, xfrm_address_t *saddr)

{

// 两个V6地址都取后2个32位数异或

return ntohl(daddr->a6[2] ^ daddr->a6[3] ^

saddr->a6[2] ^ saddr->a6[3]);

}

// 目的地址HASH

static inline unsigned int __xfrm_dst_hash(xfrm_address_t *daddr, xfrm_address_t *saddr,

u32 reqid, unsigned short family,

unsigned int hmask)

{

// 协议族和请求ID异或

unsigned int h = family ^ reqid;

switch (family) {

// HASH值再和源目的地址HASH结果进行异或

case AF_INET:

h ^= __xfrm4_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

case AF_INET6:

h ^= __xfrm6_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

}

// 将HASH结果高低16位异或存低16位,高16位不动, 然后用HASH掩码相与

return (h ^ (h >> 16)) & hmask;

}

// 源地址HASH, 只是没有请求ID项, 其他HASH过程和上面相同

static inline unsigned __xfrm_src_hash(xfrm_address_t *daddr,

xfrm_address_t *saddr,

unsigned short family,

unsigned int hmask)

{

unsigned int h = family;

switch (family) {

case AF_INET:

h ^= __xfrm4_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

case AF_INET6:

h ^= __xfrm6_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

};

return (h ^ (h >> 16)) & hmask;

}

// 根据SPI计算HASH值

static inline unsigned int

__xfrm_spi_hash(xfrm_address_t *daddr, __be32 spi, u8 proto, unsigned short family,

unsigned int hmask)

{

// 先将SPI和协议进行异或

unsigned int h = (__force u32)spi ^ proto;

switch (family) {

// HASH值再和目的地址进行单一地址HASH值异或

case AF_INET:

h ^= __xfrm4_addr_hash(daddr);

break;

case AF_INET6:

h ^= __xfrm6_addr_hash(daddr);

break;

}

// HASH值再和本身的高22位, 高12位异或后再和掩码相与

return (h ^ (h >> 10) ^ (h >> 20)) & hmask;

}

// 索引号HASH

static inline unsigned int __idx_hash(u32 index, unsigned int hmask)

{

// 低24位和高24位异或, 高8位不动, 再和掩码相与

return (index ^ (index >> 8)) & hmask;

}

// 选择子HASH

static inline unsigned int __sel_hash(struct xfrm_selector *sel, unsigned short family, unsigned int hmask)

{

// 提前源和目的地址

xfrm_address_t *daddr = &sel->daddr;

xfrm_address_t *saddr = &sel->saddr;

unsigned int h = 0;

switch (family) {

// 用源,目的地址同时进行HASH

case AF_INET:

if (sel->prefixlen_d != 32 ||

sel->prefixlen_s != 32)

return hmask + 1;

h = __xfrm4_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

case AF_INET6:

if (sel->prefixlen_d != 128 ||

sel->prefixlen_s != 128)

return hmask + 1;

h = __xfrm6_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

};

// 高16位与低16位异或,高16位不变

h ^= (h >> 16);

// 与掩码相与, 其实HASH值中不带协议族因素, 因为地址本身就包含了

return h & hmask;

}

// 地址HASH

static inline unsigned int __addr_hash(xfrm_address_t *daddr, xfrm_address_t *saddr, unsigned short family, unsigned int hmask)

{

unsigned int h = 0;

switch (family) {

// 用源,目的地址同时进行HASH

case AF_INET:

h = __xfrm4_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

case AF_INET6:

h = __xfrm6_daddr_saddr_hash(daddr, saddr);

break;

};

// 高16位与低16位异或,高16位不变

h ^= (h >> 16);

// 与掩码相与

return h & hmask;

}

在net/xfrm/xfrm_hash.c 文件中定义了HASH表的分配和释放函数:

struct hlist_head *xfrm_hash_alloc(unsigned int sz)

{

struct hlist_head *n;

// 根据HASH表大小选择合适的分配方法

// 大小不超过PAGE_SIZE, 用kmalloc分配

if (sz <= PAGE_SIZE)

n = kmalloc(sz, GFP_KERNEL);

// 这是在内核定义NUMA和IA64下用vmalloc分配

else if (hashdist)

n = __vmalloc(sz, GFP_KERNEL, PAGE_KERNEL);

else

// 其他类型的内核用get_free_page分配

n = (struct hlist_head *)

__get_free_pages(GFP_KERNEL, get_order(sz));

// 空间清零

if (n)

memset(n, 0, sz);

return n;

}

// 释放HASH表空间

void xfrm_hash_free(struct hlist_head *n, unsigned int sz)

{

if (sz <= PAGE_SIZE)

kfree(n);

else if (hashdist)

vfree(n);

else

free_pages((unsigned long)n, get_order(sz));

}

6.2 算法操作

IPSEC操作中用到的认证, 加密, 压缩等算法具体实现是在crypto目录下, 而在xfrm中只是定义这些算法的说明, 表示最大可以支持这些算法, 在使用时会探测这些算法是否在内核中存在从而确定可使用的算法.

关于算法的数据结构如下:

/* include/net/xfrm.h */

// 认证算法参数

struct xfrm_algo_auth_info {

u16 icv_truncbits; // 初始向量截断位数

u16 icv_fullbits; // 初始向量总的位数

};

// 加密算法参数

struct xfrm_algo_encr_info {

u16 blockbits; // 块位数

u16 defkeybits; // 密钥长度位数

};

// 压缩算法参数

struct xfrm_algo_comp_info {

u16 threshold; // 阈值

};

// xfrm算法描述

struct xfrm_algo_desc {

char *name; // 名称

char *compat; // 名称缩写

u8 available:1; // 算法是否可用(是否在内核中)

union {

struct xfrm_algo_auth_info auth;

struct xfrm_algo_encr_info encr;

struct xfrm_algo_comp_info comp;

} uinfo; // 算法信息联合

struct sadb_alg desc; // 通用算法描述

};

6.2.1 认证算法

可用的认证算法通过下面的数组来描述, 包含NULL, MD5, SHA1, SHA256, RIPEMD160等认证算法:

static struct xfrm_algo_desc aalg_list[] = {

......

{

.name = "hmac(sha1)",

.compat = "sha1",

.uinfo = {

.auth = {

.icv_truncbits = 96,// 96位截断

.icv_fullbits = 160, // 总共160位

}

},

.desc = { // 这是对SHA1认证算法的标准描述参数

.sadb_alg_id = SADB_AALG_SHA1HMAC, // 算法ID值

.sadb_alg_ivlen = 0,

.sadb_alg_minbits = 160,

.sadb_alg_maxbits = 160

}

},

......

相关操作函数:

// 通过算法ID查找认证算法

struct xfrm_algo_desc *xfrm_aalg_get_byid(int alg_id)

{

int i;

// 遍历认证数组

for (i = 0; i < aalg_entries(); i++) {

// 查找和指定算法ID相同的算法

if (aalg_list[i].desc.sadb_alg_id == alg_id) {

// 检查该算法是否可用

if (aalg_list[i].available)

return &aalg_list[i];

else

break;

}

}

return NULL;

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_aalg_get_byid);

// 统计可用的认证算法数量, 就是available的认证算法数量累加

int xfrm_count_auth_supported(void)

{

int i, n;

for (i = 0, n = 0; i < aalg_entries(); i++)

if (aalg_list[i].available)

n++;

return n;

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_count_auth_supported);

6.2.2 加密算法

可用的认证算法通过下面的数组来描述, 包含NULL, DES, 3DES, CAST, AES, BLOWFISH, TWOFISH, SERPENT等加密算法:

static struct xfrm_algo_desc ealg_list[] = {

......

{

.name = "cbc(des3_ede)",

.compat = "des3_ede",

.uinfo = {

.encr = {

.blockbits = 64,

.defkeybits = 192,

}

},

.desc = {

.sadb_alg_id = SADB_EALG_3DESCBC,

.sadb_alg_ivlen = 8,

.sadb_alg_minbits = 192,

.sadb_alg_maxbits = 192

}

},

......

// 通过算法ID查找加密算法, 和认证算法查找类似

struct xfrm_algo_desc *xfrm_ealg_get_byid(int alg_id)

{

int i;

for (i = 0; i < ealg_entries(); i++) {

if (ealg_list[i].desc.sadb_alg_id == alg_id) {

if (ealg_list[i].available)

return &ealg_list[i];

else

break;

}

}

return NULL;

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_ealg_get_byid);

// 统计可用的加密算法数量, 就是available的加密算法数量累加

int xfrm_count_enc_supported(void)

{

int i, n;

for (i = 0, n = 0; i < ealg_entries(); i++)

if (ealg_list[i].available)

n++;

return n;

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_count_enc_supported);

6.2.3 压缩算法

可用的压缩算法通过下面的数组来描述, 包含DELFATE, LZS, LZJH等压缩算法:

static struct xfrm_algo_desc calg_list[] = {

......

{

.name = "lzs",

.uinfo = {

.comp = {

.threshold = 90,

}

},

.desc = { .sadb_alg_id = SADB_X_CALG_LZS }

},

......

// 通过算法ID查找加密算法, 和认证算法查找类似

struct xfrm_algo_desc *xfrm_calg_get_byid(int alg_id)

{

int i;

for (i = 0; i < calg_entries(); i++) {

if (calg_list[i].desc.sadb_alg_id == alg_id) {

if (calg_list[i].available)

return &calg_list[i];

else

break;

}

}

return NULL;

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_calg_get_byid);

6.2.4 通过名称查找算法

// 输入参数为算法数组, 数组元素个数, 类型, 掩码, 名称和是否探测在内核中存在

static struct xfrm_algo_desc *xfrm_get_byname(struct xfrm_algo_desc *list,

int entries, u32 type, u32 mask,

char *name, int probe)

{

int i, status;

if (!name)

return NULL;

// 遍历数组

for (i = 0; i < entries; i++) {

// 比较算法名称或缩写名称是否和指定名称相同

if (strcmp(name, list[i].name) &&

(!list[i].compat || strcmp(name, list[i].compat)))

continue;

// 找到算法结构

// 检查算法是否在内核可用, 可用的话成功返回

if (list[i].available)

return &list[i];

// 如果不需要探测, 将返回空

if (!probe)

break;

// 需要探测算法算法存在内核, 调用crypto_has_alg()函数探测

// 返回0表示失败, 非0表示成功

status = crypto_has_alg(name, type, mask | CRYPTO_ALG_ASYNC);

if (!status)

break;

// 算法可用, 返回

list[i].available = status;

return &list[i];

}

return NULL;

}

/* crypto/api.c */

// 算法探测

int crypto_has_alg(const char *name, u32 type, u32 mask)

{

int ret = 0;

// 根据名称, 类型和掩码探测算法模块

struct crypto_alg *alg = crypto_alg_mod_lookup(name, type, mask);

// 正确返回找到

if (!IS_ERR(alg)) {

// 减少模块计数, 返回1

crypto_mod_put(alg);

ret = 1;

}

return ret;

}

有了xfrm_get_byname()这个通用基本函数, 具体类型的算法查找函数就很简单了:

// 通过名称查找认证算法

struct xfrm_algo_desc *xfrm_aalg_get_byname(char *name, int probe)

{

return xfrm_get_byname(aalg_list, aalg_entries(),

CRYPTO_ALG_TYPE_HASH, CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK,

name, probe);

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_aalg_get_byname);

// 通过名称查找加密算法

struct xfrm_algo_desc *xfrm_ealg_get_byname(char *name, int probe)

{

return xfrm_get_byname(ealg_list, ealg_entries(),

CRYPTO_ALG_TYPE_BLKCIPHER, CRYPTO_ALG_TYPE_MASK,

name, probe);

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_ealg_get_byname);

// 通过名称查找压缩算法

struct xfrm_algo_desc *xfrm_calg_get_byname(char *name, int probe)

{

return xfrm_get_byname(calg_list, calg_entries(),

CRYPTO_ALG_TYPE_COMPRESS, CRYPTO_ALG_TYPE_MASK,

name, probe);

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_calg_get_byname);

以下是通过索引号来查找算法, 就是直接返回相应数组指定位置的算法:

struct xfrm_algo_desc *xfrm_aalg_get_byidx(unsigned int idx)

{

if (idx >= aalg_entries())

return NULL;

return &aalg_list[idx];

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_aalg_get_byidx);

struct xfrm_algo_desc *xfrm_ealg_get_byidx(unsigned int idx)

{

if (idx >= ealg_entries())

return NULL;

return &ealg_list[idx];

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_ealg_get_byidx);

6.2.5 xfrm算法探测

该函数在SA进行调整时会调用来查看当前内核中支持的各种算法

/*

* Probe for the availability of crypto algorithms, and set the available

* flag for any algorithms found on the system. This is typically called by

* pfkey during userspace SA add, update or register.

*/

void xfrm_probe_algs(void)

{

// 内核必须定义CRYPTO选项, 否则就是空函数了

#ifdef CONFIG_CRYPTO

int i, status;

BUG_ON(in_softirq());

// 遍历认证算法数组

for (i = 0; i < aalg_entries(); i++) {

// 根据算法名称确定该HASH算法是否存在, 返回0不存在, 非0存在

status = crypto_has_hash(aalg_list[i].name, 0,

CRYPTO_ALG_ASYNC);

// 如果状态和原来的状态不同, 更改

if (aalg_list[i].available != status)

aalg_list[i].available = status;

}

// 遍历加密算法数组

for (i = 0; i < ealg_entries(); i++) {

// 根据算法名称确定该加密算法是否存在, 返回0不存在, 非0存在

status = crypto_has_blkcipher(ealg_list[i].name, 0,

CRYPTO_ALG_ASYNC);

// 如果状态和原来的状态不同, 更改

if (ealg_list[i].available != status)

ealg_list[i].available = status;

}

// 遍历压缩算法数组

for (i = 0; i < calg_entries(); i++) {

// 根据算法名称确定该压缩算法是否存在, 返回0不存在, 非0存在

status = crypto_has_comp(calg_list[i].name, 0,

CRYPTO_ALG_ASYNC);

// 如果状态和原来的状态不同, 更改

if (calg_list[i].available != status)

calg_list[i].available = status;

}

#endif

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(xfrm_probe_algs);

6.3 通过netlink套接口访问xfrm

通过netlink套接口访问xfrm的处理函数在net/xfrm/xfrm_user.c中, 提供了Linux特色的非标准PF_KEY接口的SA, SP控制方法, 能完成和PF_KEY一样控制功能, 目前iproute2中的ip工具中新增加的xfrm命令就是通过这种netlink接口来完成的, 因为netlink操作以前已经介绍过, xfrm的操作又都是一样的, 因此本文不再分析其实现过程.

6.4 xfrm_input

在net/xfrm/xfrm_input.c文件中定义了关于安全路径(struct sec_path)的几个处理函数, 用于对输入的IPSEC包进行解析构造安全路径使用.

// 释放安全路径

void __secpath_destroy(struct sec_path *sp)

{

int i;

// 减少安全路径中所有SA的使用计数

for (i = 0; i < sp->len; i++)

xfrm_state_put(sp->xvec[i]);

// 释放安全路径空间

kmem_cache_free(secpath_cachep, sp);

}

EXPORT_SYMBOL(__secpath_destroy);

// 安全路径复制

struct sec_path *secpath_dup(struct sec_path *src)

{

struct sec_path *sp;

// 先分配安全路径结构

sp = kmem_cache_alloc(secpath_cachep, SLAB_ATOMIC);

if (!sp)

return NULL;

sp->len = 0;

if (src) {

int i;

// 如果源安全路径结构非空, 将其全部复制到新结构中

memcpy(sp, src, sizeof(*sp));

// 增加安全路径中所有SA的使用计数

for (i = 0; i < sp->len; i++)

xfrm_state_hold(sp->xvec[i]);

}

// 设置该引用计数初始值位1

atomic_set(&sp->refcnt, 1);

return sp;

}

EXPORT_SYMBOL(secpath_dup);

/* Fetch spi and seq from ipsec header */

// 从数据包中解析SPI和序号, 返回值是网络序的

int xfrm_parse_spi(struct sk_buff *skb, u8 nexthdr, __be32 *spi, __be32 *seq)

{

int offset, offset_seq;

// 通过nexthdr参数来判断协议类型, nexthdr是IPV6里的说法, 在IPV4中就是IP头里的协议字段

// 根据不同协议确定数据中SPI和序列号相对数据起始点的偏移

switch (nexthdr) {

case IPPROTO_AH:

offset = offsetof(struct ip_auth_hdr, spi);

offset_seq = offsetof(struct ip_auth_hdr, seq_no);

break;

case IPPROTO_ESP:

offset = offsetof(struct ip_esp_hdr, spi);

offset_seq = offsetof(struct ip_esp_hdr, seq_no);

break;

case IPPROTO_COMP:

// 对应压缩协议单独处理

// 数据头准备出IP压缩头结构长度

if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(struct ip_comp_hdr)))

return -EINVAL;

// SPI值取第3,4字节的数据, 序号为0

*spi = htonl(ntohs(*(__be16*)(skb->h.raw + 2)));

*seq = 0;

return 0;

default:

return 1;

}

// 数据头准备16字节空间, 这是ip_auth_hdr和ip_esp_hdr结构最小长度

if (!pskb_may_pull(skb, 16))

return -EINVAL;

// 根据偏移获取SPI和序号, 注意是网络序的值

*spi = *(__be32*)(skb->h.raw + offset);

*seq = *(__be32*)(skb->h.raw + offset_seq);

return 0;

}

EXPORT_SYMBOL(xfrm_parse_spi);

...... 待续 ......