深度剖析 Qmail郵件系統的安全分析和改進研究
本文首先指出了著名的開源郵件系統Qmail在安全方面存在的問題，并借用UNIX系統上現有的安全工具對Qmail現存的安全隱患加以解決，接著介紹了一種比Base64編碼效率更高的Base91編碼技術對郵件編碼進行改進。最后利用實驗室的平臺基本實現了該高速、簡潔、安全的郵件系統。
引言
郵件服務是Internet中使用率僅次于WWW的服務，一個郵件服務器主要包括三個主要的功能：郵件傳輸代理MTA(Mail Transport Agent)，郵件分發代理MDA(Mail Delevery Agent)，郵件用戶代理MUA(Mail User Agent)。前兩者是核心模塊，負責郵件收發和處理。
Qmail是全球安裝使用量僅次于Linux/Unix上缺省安裝的的Sendmail的郵件服務器軟件，到目前為止Qmail的MTA依然是世界上轉發速度最快的郵件傳輸代理[1]，Qmail幾乎兼容所有的Linux/Unix類操作系統。由于在Linux/Unix類型的操作系統中，Sendmail被缺省安裝，所以其使用量在該領域位居首位，但是其配置煩瑣，而且僅僅支持單文件(/var/spool/mail/$USER)方式存儲用戶所有郵件，導致郵件收發僅能串行處理，效率低下，而且一旦存取該文件出錯，用戶的全部郵件將丟失。而Qmail支持以目錄的形式管理用戶的郵件[3]($HOME/Maildir),在數據安全和存取速度上比前者都有明顯的優勢。Qmail的整體模塊如圖1[2]所示,主要由MTA、MDA、MUA三大部分組成。
由于體系結構比X.400 MHS(Message Handling System)體系簡單，而且是基于TCP/IP協議，SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)已成為事實上的郵件協議標準，由于該協議設計過于簡單，其報文在網絡上用明文方式傳輸，給網絡監聽者帶來了極大的方便，Qmail系統的MTA協議用的就是SMTP，郵件在傳輸途中很容易被截獲。
目前的Internet上垃圾、反動、病毒郵件泛濫，Qmail在設計時對這三個方面的安全問題考慮不足。
本文針對上述的問題，結合新的編碼技術和UNIX系統現有的一些安全工具對其加以研究、改進。
1 問題的提出
垃圾郵件、反動郵件和病毒郵件是目前對所有郵件用戶最大的威脅。從框架圖來看，qmail的MTA和MDA中沒有任何對郵件的檢測和過濾的措施，無疑對上述安全問題沒有任何防護能力。
1.1針對垃圾郵件
Qmail缺省不支持對Smtp用戶的認證，這就是說，任何能訪問該Qmail服務器的用戶均能利用它來向任何地址發送郵件，對于那些想利用郵件列表發布郵件廣告的商人，或想借他人主機發送大量攻擊性郵件的黑客來說，其可以被輕而易舉地被拿來直接達到目的。事實統計90%的垃圾郵件是從那些打開了開放性轉發(Open Relay)權限的服務器發出的。
1.2針對反動、色情郵件等非法郵件
反動、色情郵件主要是指郵件的內容中有違反國家法律的反動信息和黃色信息，這些信息通常也是使用郵件列表進行傳播，其性質較商業廣告垃圾郵件惡劣，對社會產生很大的負面影響。Qmail沒有任何基于內容的過濾模塊，不能攔截該類郵件。
1.3針對病毒郵件
病毒郵件是指攜帶了病毒體的郵件報文，該類郵件一般通過附件來攜帶病毒文件，如果要過濾該類惡意郵件，要求MTA、MDA、MUA三個模塊中至少有一個模塊擁有病毒查殺模塊，Qmail設計中沒有考慮到這一點，這也是Qmail系統存在的一大安全問題。
1.4針對報文的明文傳輸
基于SMTP協議的Qmail直接進行郵件收發對報文僅僅進行了簡單的編碼，對于郵件體甚至沒有進行任何編碼，利用網絡竊聽工具可以輕易獲取郵件內容，圖2是用著名的網絡竊聽器ethereal截獲的郵件報文，從中我們知道這封郵件收發人的郵件地址、發送使用的MDA、編碼方式、郵件體的類型、和信件的所有內容。如果有附件，我們可以根據已知的編碼方式對其進行反編碼獲得最后的原始文件，所以毫無保密性可言。
1.5針對用戶的管理
Qmail設計成和操作系統共用用戶，UNIX操作系統的用戶數據庫是一個文件，缺省為/etc/passwd文件，隨之帶來的問題就是添加郵件的用戶必須同時添加一個系統用戶，因為對于服務器來說多一個系統用戶就等于系統多一個可以被用來入侵的途徑，就等于要多耗費一個用戶配置文件的存儲空間，這將主要導致安全隱患和系統資源的浪費。
1.6針對訪問權限的控制
Inetd是UNIX操作系統用來調用一些基本服務如Ftp、Telnet的特殊守護進程，Smtp和Pop(Post Office Protocol)協議也可以用其來啟動，Qmail在沒有第三方工具的支持時僅能使用Inetd來調用。隨Inetd帶來的問題就是不能控制訪問郵件服務的IP地址的范圍，在已知非法用戶或惡意攻擊者的IP地址的情況下，不能拒絕對他們提供服務，對服務器安全不利。
2 現有的基于UNIX的安全工具
UNIX系統下有很多開放源代碼的軟件包，他們一般由很多程序員自發組織進行開發。在安全領域，已有很多流行軟件包可以解決Qmail存在的大部分安全問題。
2.1密碼認證工具
2.1.1 checkpassword
是一個基于/etc/passwd進行認證的工具，第三方的程序可以將其作為和系統用戶數據庫進行交互的代理，對系統用戶進行認證操作。
2.1.2 cmd5checkpw[4]
cmd5checkpw是一個和checkpasswd兼容的支持CRAM-MD5算法進行認證的工具。只要支持checkpasswd進行系統用戶認證的程序均可以使用其來支持CRAM-MD5算法對數據進行信息摘要，防止密碼被盜取。
2.1.3 vchkpw
vchkpw是Vpopmail工具集中一個認證工具，
2.1.4 qmail-Smtp-auth[5]
qmail-Smtp-auth是Mrs.Brisby開發的讓Qmail支持Smtp認證的補丁程序的升級版本，后者僅僅支持基于LOGIN方式的認證,前者加入PLAIN和CRAM-MD5認證機制并且還支持認證方法的后續添加。
2.2傳輸過程的加密工具
2.2.1 OPENSSL[6]
OPENSSL是由全世界自愿者開發的開放源代碼的SSL(Secure Sockets Layer)協議的實現工具集，其支持SSL v2/v3和TLS v1(Transport Layer Security)協議并擁有一個非常強大的密碼庫。
SSL[7]是一個用將用戶數據用非對稱加密方法加密后在互聯網上進行安全傳輸的協議，使用該協議能很好地杜絕竊聽者用嗅探器抓取信息明文的事件發生。
2.3訪問控制工具
2.3.1 Ucspi-tcp[8]
Ucspi-tcp是一個基于UNIX的用來給網絡應用程序提供安全TCP連接的程序，主要包括服務模塊(tcpserver)和客戶模塊(tcpclient)兩個部分，其中在服務器模塊中具有訪問控制特性，此特性允許對客戶端的訪問權限進行限制。
2.4用戶管理工具
2.4.1 vpopmail
Vpopmail是UNIX上的一個創建和管理郵件虛擬域(Virtual Domain)的工具包，包括管理虛擬域、管理用戶的工具和密碼認證模塊，它可以使一個郵件服務器提供多種“@domain”給用戶選擇，并且支持用數據庫來存儲和認證用戶。
2.4.2 Mysql數據庫[9]
Mysql是一個全世界使用最多的開源數據庫軟件，其運行方式是Server-Client方式，目前基于UNIX的大型應用程序均對其支持，包括前面提到的Vpopmail工具包。
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3 問題的分析解決
3.1問題的分析
Qmail產生安全問題的關鍵在于其僅僅是一個出色MTA和MDA，其僅僅實現了郵件服務器的基本功能，在于沒有考慮到現實網絡中的安全問題。利用上面介紹的一些工具，可以把Qmail在安全方面的漏洞一一補全。
3.2 問題的解決
3.2.1針對垃圾郵件的解決方案
qmail-Smtp-auth是針對qmail開放性轉發無法關閉的漏洞設計的補丁，使用這個補丁生成的Smtpd守護進程要求郵件發送者不能直接發送郵件，必須在發送時同時提供有效的用戶名和密碼。不過該補丁無法提供用戶身份鑒別功能，所以它必須結合一個密碼驗證工具作為和用戶驗證數據庫之間的代理。
在前面介紹的密碼驗證工具中checkpassword結合cmd5checkpw作為驗證代理能提供對Linux/Unix的系統用戶進行認證，基于這種方式進行認證的系統允許Linux/Unix操作系統內部用戶使用Smtp發送和轉發郵件;另外一種更好的密碼驗證方法在安裝了vpopmail后可以使用，該方法的用一個可以從Mysql數據庫取出用戶數據來進行驗證的工具vchkpw來實現，該工具比checkpassword好在可以讓Qmail的用戶數據不局限于用操作系統的系統用戶，增強了用戶認證的靈活性、安全性和高效性。
3.2.2針對反動、色情郵件等非法郵件
針對這個問題，還很少見現成的基于UNIX的工具可以支持對郵件的內容進行過濾，所以在這里本文僅能提一些設想。
從圖1我們可以看到，在框圖的上部分Qmail的MTA負責把收到的郵件放入排隊隊列，之后排隊程序按照郵件的目的地址決定郵件發往本地郵箱目錄存儲還是發往下一個郵件服務器。在這個排隊隊列的處理程序中，可以加入一些基于文本、圖像、聲音、視頻等內容過濾的程序代碼，從而實現對非法郵件的過濾。
3.2.3針對病毒郵件
對付病毒郵件的方法和前面的基于內容的過濾方式基本上相同，不過在排隊過程中，郵件必須通過殺毒軟件的檢測，由于殺毒軟件本身涉及龐大的病毒庫，一般直接使用由殺毒軟件公司提供的模塊是比較可行的方案。
3.2.4針對報文的明文傳輸
前面提到的SSL是專門用來對TCP協議的數據報進行用非對稱密碼進行加密傳輸。SMTP是運行在TCP協議之上的應用層協議，自然可以借助SSL來杜絕明文數據傳輸。在UNIX環境下，借助OPENSSL可以免費地獲得這種服務。
3.2.4針對用戶的管理
為了節約系統資源、增強安全性和提高效率，應該盡量避免使用系統用戶來作為郵件用戶，vpopmail工具集提供的豐富的用戶管理工具，利用vadduser、udeluser、vpasswd、vadddomain等工具可以輕松地增減郵件用戶、修改密碼和增減虛擬域，而且支持絕大多數的數據庫，包括最著名的開源數據庫軟件Mysql。
3.2.5針對訪問權限的控制
由于Qmail缺省借用Inetd來同外界進行TCP連接，不能對來訪的IP地址進行限定，導致安全隱患諸多。所以必須借助目前UNIX中廣泛使用的TCP連接工具Ucspi-tcp來建立連接，其中的服務器模塊tcpserver可以設定deny、allow等參數來拒絕和允許來訪IP地址。
3.3針對性能的一些改進
由于SMTP的傳輸機制是以7bit的二進制編碼的ASCII字符為基礎的，雖然SMTP擴展允許發送8bit的二進制數據，但是有一些非Internet網關是不能夠正確處理的。因此要確保二進制信息在傳輸過程中的完整性必須先對其進行編碼[10]。目前最常用的編碼是quoted-printable和base64編碼，前者主要針對非附件部分的文本進行編碼，后者主要針對附件進行編碼。由于base64是把6比特二進制數據用一個字節的ASCII碼來表示，其帶寬利用率僅僅為0.75，效率比較低，增加了網絡的負擔。現在一種名為base91[10]的新編碼方法已在1999被西南交通大學的何大可教授提出了，該編碼使用了92(包括空格)個可打印字符作為映射集，把輸入的消息比特切分為13比特的分組作為映射源，編碼的源字節數比較大(大于64K)的時候其編碼的帶寬利用率接近于81.25%，比base64提高了大約6個百分點，所以在對附件(一般大于64K)的編碼方案上base91是Qmail比base64更好的選擇。
3.2.4對Webmail的支持
Webmail是web和mail結合的產物，其作用是提供一個基于Web界面的MUA，用戶可以登陸郵件服務器的網站來收發自己的信件，Qmail沒有Webmail模塊，這部分單獨進行開發很容易，后臺可以選用PHP、JSP、ASP、CGI等流行動態網頁編程語言，它們都有相關函數對用戶進行認證和對用戶郵箱目錄進行存取并結合數據庫管理郵件用戶的所有數據。
3.4 安全郵件服務器的實現
依照前面的分析，在本文的最后對上述的設想在作者本人實驗室的服務器上加以了實現。
該系統運行的操作系統平臺為Freebsd[11]， Webmail平臺為Apache服務器，數據庫選擇了Mysql，使用Openssl作為TCP傳輸加密軟件。
從圖3我們可以看到，外部服務器和客戶端(因為對于本服務器它們都相當于客戶角色，后面統稱客戶)通過Tcpserver來和本服務器連接并進行Smtp傳輸， 利用Tcpserver的allow、deny等命令參數可以限定客戶的IP地址范圍。在建立連接后，轉向qmail-smtpd-auth模塊進行認證，qmail-smtpd-auth借助vchkpw來用加密的方式將客戶提供的用戶名和密碼與Mysql數據庫進行對比認證，當認證通過后，客戶的郵件報文被放入郵件隊列等待處理。在這個階段，可以加入基于文本、圖像、聲音或視頻的過濾模塊對郵件進行過濾，也可以放置病毒查殺模塊對帶病毒郵件進行處理，合法的郵件將由qmail-send模塊根據郵件目的地址判斷是轉交給郵件外發模塊還是存儲到本地郵箱目錄，在郵件外發模塊qmail-remote將Base64編碼方法替換成為Base91，提高了編碼效率。
郵件用戶在發送郵件的時候可以用基于Smtp的客戶端工具也可以直接使用Webmail，前者的流程剛才已經介紹過了，后者的認證依靠Webmail同Mysql用戶數據庫進行交互來判斷用戶是否合法，合法的郵件由qmail-inject模塊交付qmail-queue進入郵件隊列，接下來的過程同基于smtp的發送流程一致。
郵件用戶再收取郵件的時候可以使用Webmail和基于Pop協議的客戶程序，前者在用戶通過驗證后根據用戶名去讀取該用戶的郵件信息然后用Web頁面的方式反饋給用戶。后者首先用vchkpw來驗證用戶，然后通過Pop協議把該用戶郵件下載到用戶機本地磁盤上保存。
經過安裝和運行，基本上驗證了該系統的安全性，由于沒有龐大的用戶群來做重負荷測試，對該系統的運行速度和負荷能力還未能測試，但官方的資料顯示Qmail在16MB內存486/66級別的機器上擁有日發7萬封郵件的能力[12]。基本的安全問題已經解決，如果在過濾和殺毒方面如果能加以很好實現，這將是一個非常完善的系統。
通過文章的分析和研究，我們可以清楚的知道如何實現Qmail安全性高，希望對大家有所幫助！
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