6 SSL开源项目-OpenVPN
6.1 简介
VPN技术通过密钥交换、封装、认证、加密手段在公共网络上建立起私密的隧道，保障传输数据的完整性、私密性和有效性。OpenVPN是近年来新出现的开放源码项目，实现了SSL VPN的一种解决方案。
传统SSL VPN通过端口代理的方法实现，代理服务器根据应用协议的类型（如http，telnet等）做相应的端口代理，客户端与代理服务器之间建立SSL安全连接，客户端与应用服务器之间的所有数据传输通过代理服务器转发。这种实现方式烦琐，应用范围也比较窄：仅适用于用TCP固定端口进行通信的应用系统，且对每个需要代理的端口进行单独配置；对于每个需要用到动态端口的协议都必须重新开发，且在代理中解析应用协议才能实现代理，如FTP协议；不能对TCP以外的其它网络通信协议进行代理；代理服务器前端的防火墙也要根据代理端口的配置变化进行相应调整。
OpenVPN无疑是Linux下开源VPN的先锋，提供了良好的性能和友好的用户GUI。该软件最早由James Yonan编写。OpenVPN允许参与建立VPN的单点使用预设的私钥，第三方证书，或者用户名/密码来进行身份验证。它大量使用了OpenSSL加密库，以及SSLv3/TLSv1协议。OpenVPN能在Linux、xBSD、Mac OS X与Windows上运行。OpenVPN以一种全新的方式实现了SSL VPN的功能，克服了传统SSL VPN的一些缺陷，扩展了应用领域，并且防火墙上只需开放TCP或UDP协议的一个端口。
6.2 工作原理
OpenVPN的技术核心是虚拟网卡，其次是SSL协议实现。
6.2.1 虚拟网卡
虚拟网卡是使用网络底层编程技术实现的一个驱动软件，安装后在主机上多出现一个网卡，可以像其它网卡一样进行配置。服务程序可以在应用层打开虚拟网卡，如果应用软件（如IE）向虚拟网卡发送数据，则服务程序可以读取到该数据，如果服务程序写合适的数据到虚拟网卡，应用软件也可以接收得到。虚拟网卡在很多的操作系统下都有相应的实现，对虚拟网卡的使用是OpenVPN实现其SSL VPN功能的关键。
6.2.2 地址池以及路由
OpenVPN服务器一般需要配置一个虚拟IP地址池和一个自用的静态虚拟IP地址（静态地址和地址池必须在同一个子网中），然后为每一个成功建立SSL连接的客户端动态分配一个虚拟IP地址池中未分配的地址。这样，物理网络中的客户端和OpenVPN服务器就连接成一个虚拟网络上的星型结构局域网，OpenVPN服务器成为每个客户端在虚拟网络上的网关。OpenVPN服务器同时提供对客户端虚拟网卡的路由管理。当客户端对OpenVPN服务器后端的应用服务器的任何访问时，数据包都会经过路由流经虚拟网卡，OpenVPN程序在虚拟网卡上截获数据IP报文，然后使用SSL协议将这些IP报文封装起来，再经过物理网卡发送出去。OpenVPN的服务器和客户端在虚拟网卡之上建立起一个虚拟的局域网络，这个虚拟的局域网对系统的用户来说是透明的。
6.2.3 客户端与服务端安全连接的建立
OpenVPN的服务器和客户端支持tcp和udp两种连接方式，只需在服务端和客户端预先定义好使用的连接方式（tcp或udp）和端口号，客户端和服务端在这个连接的基础上进行SSL握手。连接过程包括SSL的握手以及虚拟网络上的管理信息，OpenVPN将虚拟网上的网段、地址、路由发送给客户端OpenVPN连接的建立大致分为4个阶段，每一个阶段完成不同的事情，如图6.1所示。
图6.1 OpenVPN连接建立过程
连接成功后，客户端和服务端建立起SSL安全连接，客户端和服务端的数据都流入虚拟网卡做SSL的处理，再在tcp或udp的连接上从物理网卡发送出去。
6.2.4 数据包的处理过程
（1）发送数据流程
应用层的外出数据，经过系统调用接口传入核心TCP/IP层做处理，在TCP/IP经过路由到虚拟网卡，虚拟网卡的网卡驱动发送处理程序hard_start_xmit()将数据包加入skb表并完成数据包从核心区到用户区的复制，OpenVPN调用虚拟网卡的字符处理程序tun_read()，读取到设备上的数据包，对读取的数据包使用SSL协议做封装处理后，通过socket系统调用发送出去。
（2）接受数据流程
物理网卡接收数据包，经过核心TCP/IP上传到OpenVPN，OpenVPN通过link_socket_read()接收数据包，使用SSL协议进行解包处理，经过处理的数据包OpenVPN调用虚拟网卡的字符处理程序tun_write()写入虚拟网卡的字符设备，设备驱动程序完成数据从用户区到核心区的复制，并将数据写入skb链表，然后调用网卡netif_rx()接收程序，数据包再次进入系统TCP/IP协议栈，传到上层应用程序。如图6.2所示。
图 6.2 OpenVPN发送、接收数据流程
（3）数据包的封装
OpenVPN提供tun和tap两种工作模式。在tun模式下，从虚拟网卡上收到的是不含物理帧头IP数据包，SSL处理模块对IP包进行SSL封装；在tap模式下，从虚拟网卡上收到的是包含物理帧头的数据包，SSL处理模块对整个物理帧进行SSL封装。Tap模式称为网桥模式，整个虚拟的网络就像网桥方式连接的物理网络。这种模式可以传输以太网帧、IPX、NETBIOS等数据包，应用范围更广。
6.3 加密
OpenVPN使用OpenSSL库加密数据与控制信息：它使用了OpenSSL的加密以及验证功能，意味着，它能够使用任何OpenSSL支持的算法。它提供了可选的数据包HMAC功能以提高连接的安全性。此外，OpenSSL的硬件加速也能提高它的性能。
OpenVPN的客户端和服务端建立SSL链接的过程是通过调用OpenSSL来实现的。通过bio_write()/函数把数据写入OpenSSL的状态机通道，bio_read()从OpenSSL读取结果。OpenVPN还调用OpenSSL的加解密函数处理转发的数据包。
6.4 网络
OpenVPN所有的通信都基于一个单一的IP端口，默认使用UDP协议通讯，同时TCP也被支持。OpenVPN连接能通过大多数的代理服务器，并且能够在NAT的环境中很好地工作。服务端具有向客户端“推送”某些网络配置信息的功能，这些信息包括：IP地址、路由设置等。OpenVPN提供了两种虚拟网络接口：通用Tun/Tap驱动，通过它们，可以建立三层IP隧道，或者虚拟二层以太网，后者可以传送任何类型的二层以太网络数据。传送的数据可通过LZO算法压缩。IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网号码分配局）指定给OpenVPN的官方端口为1194。OpenVPN 2.0以后版本每个进程可以同时管理数个并发的隧道。
OpenVPN使用通用网络协议（TCP与UDP）的特点使它成为IPsec等协议的理想替代，尤其是在ISP（Internet service provider）过滤某些特定VPN协议的情况下。在选择协议时候，需要注意2个加密隧道之间的网络状况，如有高延迟或者丢包较多的情况下，请选择TCP协议作为底层协议，UDP协议由于存在无连接和重传机制，导致要隧道上层的协议进行重传，效率非常低下。
6.5 身份认证
OpenVPN提供了多种身份验证方式，用以确认连接双方的身份，包括：
（1）预享私钥
（2）第三方证书
（3）用户名／密码组合
预享密钥最为简单，但同时它只能用于创建点对点的VPN；基于PKI的第三方证书提供了最完善的功能，但是需要额外维护一个PKI证书系统。OpenVPN2.0后引入了用户名／口令组合的身份验证方式，它可以省略客户端证书，但是仍需要一份服务器证书用作加密。
6.6 功能与端口
（1）OpenVPN所有的通信都基于一个单一的IP端口，默认使用UDP协议通讯，同时也支持TCP。IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网号码分配局）指定给OpenVPN的官方端口为1194。OpenVPN 2.0以后版本每个进程可以同时管理数个并发的隧道。OpenVPN使用通用网络协议（TCP与UDP）的特点使它成为IPsec等协议的理想替代，尤其是在ISP（Internet service provider，网络业务提供商）过滤某些特定VPN协议的情况下。
OpenVPN连接能通过大多数的代理服务器，并且能够在NAT的环境中很好地工作。
服务端具有向客户端“推送”某些网络配置信息的功能，这些信息包括：IP地址、路由设置等。
OpenVPN提供了两种虚拟网络接口：通用Tun/Tap驱动，通过它们，可以创建三层IP隧道，或者虚拟二层以太网，后者可以传送任何类型的二层以太网络数据。
传送的数据可通过LZO算法压缩。
6.7 安全
OpenVPN与生俱来便具备了许多安全特性：它在用户空间运行，无须对内核及网络协议栈作修改；初始完毕后以chroot方式运行，放弃root权限；使用mlockall以防止敏感数据交换到磁盘。
6.8 小结
OpenVPN是一款基于SSL的开源VPN软件，它实现了利用SSL来保证网络通讯安全性的目的，同时避免了传统SSL VPN仅提供简单的Web应用的不足，它具有支持各种应用协议，支持Windows，Linux，BSD，MAC OS等多平台的特点。在上面的应用系统中，通过对OpenVPN的灵活部署，实现了五种访问形式。其中部门内用户点到点通信、用户跨部门访问应用服务器、用户跨部门点到点通信、数据包在客户端到SSL VPN服务器以及SSL VPN服务器间接力传送；跨部门的应用服务器数据通信时，SSL VPN服务器要做内网数据向外网转发的反向代理，而这些应用需求在传统SSL代理服务器中是比较难实现的。