基于NetMagic的IP报文过滤器实验

◆王 鹏 余庆丰

（61764部队 海南 572000）

基于NetMagic的IP报文过滤器实验

◆王 鹏 余庆丰

（61764部队 海南 572000）

本实验完成基于NetMagic的IP报文过滤。过滤IP通过NMAC协议向NetMagic写入，具体实现是管理模块对UM模块的寄存器的写操作。NetMagic在收到数据报文时，提取数据报文的源IP地址，与过滤IP地址进行比对，若匹配则过滤，否则转发报文。实验结果显示，NetMagic有效的实现了过滤规则写入和IP报文过滤的功能。

NetMagic；报文过滤；NMAC协议；管理模块

0 引言

基于NetMagic平台，进行报文过滤的实验，以此观察对特定IP（特定MAC 、IP段、特定端口、端口段）的数据报文的过滤，达到有选择访问和进入的目的，为探索内部网络和外部网络防火墙的功效打下基础。

1 实验基本原理

读取报文的IP部与设定的过滤IP进行比对，匹配的报文就丢弃不转发。核心机制就是规则IP的写入和报文的处理分析。

规则IP的写入是通过发送基于NMAC协议的规则报文，通过管理模块对UM的写操作；报文的处理是通过比对一般报文的源IP和规则IP，匹配的报文则丢弃不转发。NetMagic中的UM模块使用的转发机制是bypass模式，报文经由CDP转发，而不是UM转发。因此，UM需要向CDP模块的规则FIFO写转发规则，实现转发或者丢包操作，转发的报文来自CDP的数据FIFO。

2 实验目标

2.1 验证哪些关键机制

（1） 软件测试

①在发送端PC1生成指定格式的报文，收端检测报文是否成功。

②规则报文的发送，写入规则是否成功。

（2）硬件测试

①设定过滤IP的初始值，NetMagic能正确实现对特定报文的识别，对于匹配规则的报文，能正确地进行丢弃而不转发。对于不匹配的报文，能够正确地进行转发。在接收端对收到的报文进行抓包测试，过滤是否成功。

②接收规则报文，对特定的报文进行识别，接收端PC2抓包测试，确定是否生成规则。

通过以上实验和步骤，既可以对报文过滤的正确性进行验证，又可以分块的实现功能，便于测试和调试。

硬件部分可以使用 Modlesim仿真来测试和验证，通过查看输出端的报文规则与相应报文处理情况来进行判断。

2.2 实验拓扑

图1 实验拓扑图

说明：PC1是发送端，既可以发送一般报文，也可以发送规则报文；PC2是接收端，对过滤后的报文进行接收。

2.3 实验拓扑

预期NetMagic能对报文进行正确的处理。对于指定源IP的报文能进行过滤，对不匹配的报文能进行正常转发。为了便于测试，可以发送有限条匹配和不匹配的报文并在接收端进行抓包动作。

3 实验详细设计

3.1 软件部分

（1）关键数据结构与工作流程

软件的功能是与硬件进行沟通，往硬件UM部分写入防火墙规则，并读取相关信息。本软件基于现有的nmac函数源码，依据与硬件约定的寄存器和存储器地址进行编程，共分为三个部分。第一个部分是nmac函数源码，实现连接硬件、输入输出函数、连接关闭等功能。第二个部分为规则写入模块，实现过滤器规则的界面输入和传输功能。第三个模块为过滤规则读取模块，实现过滤规则读取与显示功能。

下面将首先介绍过滤器规则写入与读取工作流程，然后再分模块介绍。

首先需要介绍一下程序的关键数据结构——过滤规则。过滤规则是一个包含了指针的结构体。该结构体由源mac地址、源IP地址、源端口号、目的mac地址、目的IP地址、目的端口号、动作和指向相同结构体的指针组成。下面是该结构体的截图。在controller（PC）中，可以由这样的结构体组成链表，表示一系列的规则。

此外，还需要介绍一个关键数据结构。第一个是每次与硬件沟通进行规则配置、读取等动作前需要写入的数据。这个数据表明了本次是读取规则、写入规则还是将原有的规则清除。这个数据结构还包含了需要写入、读取的规则数目。

另外，还有几个关键数据需要说明。它们分别是UM模块中过滤规则首地址、存放UM模块中“规则数量”数据的地址以及存放上面“过滤规则包”信息说明结构（rules_packhead）的地址。在程序中，与硬件设计人员约定好这几个地址，并在头文件中预定义好。

写入规则的过程是：首先从界面中输入规则各项信息，形成规则链表；写入“过滤规则包”信息说明结构；写入规则。读取规则的过程是：写入“过滤规则包”信息说明结构；读取UM模块中规则数量；读取规则。清除规则的过程是：写入“过滤规则包“信息说明结构。

（2）过滤规则写入过程

过滤规则通过黑屏幕写入。程序运行后，将会提示。如果选择输入规则，则进入到输入规则的界面。进入该界面后，需要分别输入规则项。对于每一项，可以选择输入或者不输入。如若选择输入，则需按照提示的格式输入，如果选择不输入，则程序将自动生成数据，表明该项无效。规则输入的过程如图2所示。

图2 规则输入过程

输入规则后，将会形成一个规则链表。写入规则函数将这个链表的内容复制到到一个缓冲区中，然后利用nmac的写入源函数将这个缓冲区的数据写入UM相应位置。在写入UM前，需要读取UM模块中现有的规则数量，通过约定好的规则首地址知道新的规则要写入哪个地址。

（3）过滤规则读取和清楚过程

过滤规则读取过程相对比较简单。首先写入“过滤规则包”头部，说明要读取过滤规则。然后读取UM模块中的规则数量，根据约定好的规则头部地址读取过滤规则。读取后用链表存储，然后在屏幕上显示即可。

3.2 硬件部分

UM硬件实现分为两部分：（1）报文识别模块；（2）规则写入模块。

3.2.1报文识别模块

（1）信号说明

信号含义如表1和表2所示。

表1 CDP2UM的信号说明表

表2 向CDP的规则FIFO写规则的信号

注意：因为我们采用bypass模式，故um2cdp_rule[29]=1。

（2）状态机

L_Idle状态UM向发送cdp2um_tx_enable，然后CDP向UM发送第一条报文，并跳到CU_FIRST状态。

CU_FIRST状态读取第二条报文，其中[47:16]是源 ip，跳到下一个状态，CU_SECOND等是保留状态，以便以后对mac地址、端口等做过滤。

CU_FIFTH状态向CDP规则FIFO写规则CU_RULE状态数据复位：

um2cdp_rule_valid ＜= 1'b0;

um2cdp_rule_wrreq ＜= 1'b0;

cdp2um_tx_enable ＜= 1'b1;

然后回到CU_IDLE状态。

图3 报文识别模块状态机

（3）时序

①CDP2UM的时序

当UM模块资源空闲，有能力从CDP接收一个新的报文时，则给 CDP输入控制模块一个发送使能信号 cdp2um_tx_enable。CDP输入控制模块获得该使能信号后，同时向 UM和输入输出FIFO发送139位宽的报文数据cdp2um_data，并发送一个报文有效信号cdp2um_data_valid，此信号表明了报文的开始、中间和结束。UM一旦获得了报文的头部，就可以取消使能信号cdp2um_tx_enable，直到报文接收完毕。输入控制模块给 UM的报文是连续的。当一个报文发送结束后，UM可以重新产生发送使能信号，进行下一个报文的上传。（参考NetMagic 08 UM设计规范）。

②写rule的时序

UM接收到一个报文尾，且规则FIFO有剩余空间时，将规则写信号 um2cdp_rule_wrreq置高一拍，同时把匹配规则发送给CDP输出控制模块。

3.2.2规则写入模块

（1）信号说明

表3 规则写入模块的信号

（2）状态机

图4 规则写入模块状态机

①UM检测到ale=1且wr=0，跳到addr状态并采样地址并判断。如果为自己的地址空间则继续往下执行。如果不为自己的地址空间则不继续往下执行而是等待下一次操作；

②如果为自己的地址空间，则跳到wait状态；

③UM检测到Cs_n=0&rd_wr=0，则跳到data状态读取数据；

④UM检测到片选信号为1之后（data读取完毕），跳到了idle状态。

（3）时序

管理模块写UM管理模块把解析后的命令及数据发送给UM。UM获得命令及数据后，对相应的地址空间进行读写操作。如果为写操作，则UM完成写操作后，只需返回应答信号即可。管理模块时序图如图5所示。

图5 管理模块时序图

4 实验结果

4.1 modelsim仿真

通过检查rule的变化判断是否过滤成功。首先，我们发的是一条理论上不被过滤的报文，我们可以看到rule从32’b0变成32’b10000000000000000000000000000010（即 30'h20000002），这代表报文正常转发；接着，我们发了一条理论上要被过滤的报文 ， 我 们 可 以 看 到 rule从 32’b10000000000000000000000000000010变 成 了 32’b10001000000000000000000000000010（即 30'h22000002），这代表报文被丢弃。rule的变化过程如图6所示。

rule第一次变化 rule第二次变化

图6 rule变化过程

4.2 硬件实测

通过软件给UM发送规则报文，写过滤IP为 192.168.1.3，经过发送192.168.1.3的IP报文和检验接收端是否收到该报文，就可以检验规则报文是否成功写入和过滤功能是否实现。

测试时，我们设定接收端PC的IP是192.168.1.2。

注意：输入端口是port3，输出端口是port2。也就是说，PC1连接NM的port3，PC2连接NM的port2。注意端口不要接反了，刚开始测试的时候，因为端口接反了，造成测试不成功，及时发现后，改正回来就OK了。

（1）设定发送端的IP是192.168.1.1。

在发送端PINK接收端，如图7所示，发送成功。这是因为IP 192.168.1.1不是我们要过滤的报文IP。

图7 发送测试情况

（2）设定发送端的IP是192.168.1.3。

在发送端PINK接收端，如图8所示，发送不成功。这是因为IP 192.168.1.3就是我们要过滤的报文IP。而且，这证明了我们的规则报文也成功写入UM。

图8 发送测试情况

经过多次测试，都成功完成了写入规则和过滤IP的目标。

注意：输入端口是port3，输出端口是port2。注意port3发到port2要经过过滤IP，port2到port3不经过过滤IP，但是要建立通路，这个通路是很重要的，刚开始没有建立这个通路，实验没成功；后来增加了这个通路后，完全达到了我们的设计目标。

5 结语

通过仿真实验，验证了NetMagic基于源IP的报文过滤功能。实验表明，NetMagic能正确完成设定的功能，对于匹配规则的数据报文进行过滤，对不匹配规则的数据报文进行转发。

[1] 曹成周，毛健彪，孙志刚，尹佳斌，林琦，龚小林．NetMagic平台硬件开发方法[J]．计算机工程与科学，2014．

[2] 孙志刚，李韬．基于可编程实验平台NetMagic的路由交换原理实验教学[J]．计算机教育，2016．

[3] 杨锦，姚望．基于 NetMagic的城域网流量仿真研究[J]．电子质量，2012．

[4] 毛席龙，彭立宏，孙志刚，李韬．依托NetMagic平台推动计算机网络课程创新实践[J]．计算机教育，2013．

[5] 毛席龙，程辉．基于NetMagic的流媒体传输延时抖动均方差估计[J]．现代电子技术，2012．