防火墻實現(xiàn)原理與應(yīng)用部署研究

文/王寶石

前言

防火墻是建設(shè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程中不可缺少的一環(huán)，不管是面向互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還是處于網(wǎng)絡(luò)縱深內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，都需要使用防火墻技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域之間的通信進行安全控制。防火墻的作用是隔離外部網(wǎng)絡(luò)的安全威脅，同時隔離通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向外部網(wǎng)絡(luò)泄露敏感數(shù)據(jù)，保護網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)不受侵害。

防火墻技術(shù)在20世紀80年代就已出現(xiàn)[1]，隨著網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的不斷發(fā)展，防火墻技術(shù)也在不斷演變和完善。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時對網(wǎng)絡(luò)安全防護同步進行安全設(shè)計和規(guī)劃，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)進行全面、科學的防護，需要對網(wǎng)絡(luò)安全防護中最重要的防火墻進行深入的理解。

1.防火墻工作原理

防火墻最主要的功能是實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離，阻止外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊者入侵到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“不該來的不要來”；同時保護內(nèi)部敏感信息資源，防止內(nèi)部泄密，實現(xiàn)“無授權(quán)的不要訪問”。

圖1 防火墻對來往數(shù)據(jù)流量進行過濾

圖1所示是一個連接互聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓撲，系統(tǒng)內(nèi)部劃分為承載著服務(wù)的DMZ區(qū)和用戶區(qū)，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出口處部署防火墻與外部互聯(lián)網(wǎng)連接。防火墻在1號數(shù)據(jù)流量路徑上阻止“自己不喜歡”的外部人訪問；在2號數(shù)據(jù)流量路徑上阻止內(nèi)部人訪問“不應(yīng)該去”的地方。防火墻不關(guān)心訪問的具體內(nèi)容，實現(xiàn)方式是把防火墻部署在網(wǎng)絡(luò)的出入口處，通過對來往的數(shù)據(jù)包進行特征判斷，對符合安全策略的數(shù)據(jù)包進行放行，對不符合安全策略的數(shù)據(jù)包進行丟棄。所以，一般也可以把防火墻稱為“安全網(wǎng)關(guān)”。

1.1 ACL規(guī)則

通過為防火墻配置訪問控制列表ACL（Access Control List）來建立對來往數(shù)據(jù)包進行判斷的規(guī)則，防火墻在對數(shù)據(jù)包進行判斷時要通過查詢這些規(guī)則對數(shù)據(jù)包進行控制。圖2所示為防火墻使用訪問控制策略對數(shù)據(jù)包進行控制的工作原理。

圖2 訪問控制策略工作原理

一個標準IP訪問控制列表的語法為:

access-list [list number] [permit | deny] [source-address][wildcard-mask] [log]

如下是通過標準IP訪問控制列表來配置的防火墻策略:

access-list 1 deny 172.16.4.13 0.0.0.0

access-list 2 permit 172.16.0.0 0.0.255.255

access-list 3 permit 0.0.0.0 255.255.255.255

第一條ACL表示阻止172.16.4.13這臺主機的所有流量通過；第二條ACL表示允許172.16網(wǎng)段的所有數(shù)據(jù)流量通過；第三條ACL表示允許任何地址的數(shù)據(jù)流量通過。

標準IP訪問控制列表的定義決定了這種方式的策略只能控制源地址，無法控制數(shù)據(jù)流量的目的，也無法控制流量的協(xié)議。為了實現(xiàn)更加靈活和功能強大的控制方法，所以出現(xiàn)了擴展IP訪問控制列表。

擴展IP訪問控制列表的語法為:

access-list [list number] [permit | deny] [protocol][source-address] [source-mask] [source-port] [destinationaddress] [destination-mask] [destination-port] [log] [option]

如下是通過擴展IP訪問控制列表來配置的防火墻策略:

access-list 150 permit tcp any host 192.168.50.10 eq smtp

access-list 151 permit tcp any host 192.168.50.20 eq www

第一條ACL表示允許TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包、任何源地址、目的是192.168.50.10、協(xié)議是SMTP的數(shù)據(jù)流量通過；第二條ACL表示允許TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包、任何源地址、目的是192.168.50.20、協(xié)議是WWW的數(shù)據(jù)流量通過。由此可見，訪問控制列表實現(xiàn)的功能就是允許誰到什么地方訪問什么服務(wù)。

1.2 ACL規(guī)則的匹配原則

在實際應(yīng)用中，一個完整的信息系統(tǒng)會提供多種服務(wù)，進出的數(shù)據(jù)流量多種多樣，因此，在防火墻上會配置多條ACL。防火墻具備對ACL規(guī)則的匹配機制來實現(xiàn)對進出流量的匹配，這種機制可概括如下。

防火墻安全規(guī)則遵循從上到下匹配的原則，一旦有一條匹配，則對數(shù)據(jù)包按照該條規(guī)則進行處理，剩余的ACL不再進行匹配。因此，ACL的順序非常重要。

如果所有的規(guī)則都沒有匹配到，數(shù)據(jù)包將被丟棄。

安全過濾規(guī)則主要包含源、目的地址和端口、TCP標志位、應(yīng)用時間以及一些高級過濾選項。

1.3 防火墻工作方式

1.3.1 包過濾方式

包過濾（Packet Filtering）方式[2]是防火墻最早支持的一種方式。防火墻部署在數(shù)據(jù)流量必須經(jīng)過的鏈路上，對經(jīng)過的每一個數(shù)據(jù)包逐條匹配ACL，直到適合某條規(guī)則執(zhí)行規(guī)則設(shè)定的動作。

不設(shè)置內(nèi)容緩沖區(qū)，不關(guān)心傳輸?shù)膬?nèi)容。優(yōu)點是簡單易行，處理速度快；缺點是單包處理，只檢查包頭，不建立前后數(shù)據(jù)包的邏輯關(guān)系，不能發(fā)現(xiàn)通信中插入或缺漏的數(shù)據(jù)包，也不能發(fā)現(xiàn)假冒的數(shù)據(jù)包。如TCP通信三次握手，包過濾方式防火墻不去檢查發(fā)送的數(shù)據(jù)包順序是否合法，因此容易受到DoS攻擊。

1.3.2 狀態(tài)檢測方式

為了彌補包過濾防火墻天生存在的弱點，后來出現(xiàn)了狀態(tài)檢測方式的防火墻，依據(jù)TCP標準的協(xié)議規(guī)則對數(shù)據(jù)包進行協(xié)議檢測。狀態(tài)檢測防火墻基于數(shù)據(jù)包檢測，同時針對每個數(shù)據(jù)連接建立協(xié)議運行的狀態(tài)跟蹤，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不匹配時則丟棄該數(shù)據(jù)包。圖3所示為狀態(tài)檢測防火墻工作原理。當數(shù)據(jù)包進入防火墻后，防火墻首先檢測該數(shù)據(jù)包是否匹配已經(jīng)配置好的狀態(tài)檢測列表，如果匹配則轉(zhuǎn)發(fā)放行；如果不匹配則按照包過濾方式安全檢測，匹配則轉(zhuǎn)發(fā)放行，不匹配則丟棄該數(shù)據(jù)包。狀態(tài)檢測方式是對包過濾方式的功能擴展，既能對數(shù)據(jù)包是否符合安全策略進行檢查，也能對包的狀態(tài)進行檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對基于破壞數(shù)據(jù)包狀態(tài)進行攻擊（如DoS）的防護。

圖3 狀態(tài)檢測防火墻工作原理

狀態(tài)檢測防火墻實現(xiàn)對每一個數(shù)據(jù)包進行狀態(tài)檢測，需要針對進入防火墻的數(shù)據(jù)包開啟緩沖區(qū)。當通過防火墻的數(shù)據(jù)包數(shù)量增多時，會大量占用防火墻硬件資源，降低數(shù)據(jù)通過性能，有影響業(yè)務(wù)正常運行的可能。

1.3.3 應(yīng)用代理方式

在防火墻上開啟若干應(yīng)用代理，每個代理需要一個不同的應(yīng)用進程或一個后臺運行的服務(wù)程序，針對每個新的應(yīng)用必須添加針對此應(yīng)用的服務(wù)程序，否則不能使用該服務(wù)，即不代理的業(yè)務(wù)無法通過。應(yīng)用代理防火墻的特點是把用戶的請求數(shù)據(jù)包統(tǒng)一收集起來，還原成應(yīng)用級的請求，對應(yīng)用級請求按規(guī)則進行處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，用戶向服務(wù)器的請求是中斷的。應(yīng)用代理防火墻的優(yōu)點是成為用戶訪問業(yè)務(wù)的中間代理人，中斷用戶與服務(wù)器的直接連接，可以避免對服務(wù)器的直接入侵；缺點是需要與包過濾、狀態(tài)過濾技術(shù)一起使用，而且緩沖時間長、速度慢、延遲大。

2.防火墻部署方式

防火墻是為加強網(wǎng)絡(luò)安全防護能力在網(wǎng)絡(luò)中部署的硬件設(shè)備，有多種部署方式，常見的有橋模式、網(wǎng)管模式和NAT模式等。

2.1 橋模式

橋模式也可叫作透明模式。最簡單的網(wǎng)絡(luò)由客戶端和服務(wù)器組成，客戶端和服務(wù)器處于同一網(wǎng)段。為了安全方面的考慮，在客戶端和服務(wù)器之間增加了防火墻設(shè)備，對經(jīng)過的流量進行安全控制。正常的客戶端請求通過防火墻送達服務(wù)器，服務(wù)器將響應(yīng)返回給客戶端，用戶不會感覺到中間設(shè)備的存在。工作在橋模式下的防火墻沒有IP地址，當對網(wǎng)絡(luò)進行擴容時無需對網(wǎng)絡(luò)地址進行重新規(guī)劃，但犧牲了路由、VPN等功能。

2.2 網(wǎng)關(guān)模式

網(wǎng)關(guān)模式適用于內(nèi)外網(wǎng)不在同一網(wǎng)段的情況，防火墻設(shè)置網(wǎng)關(guān)地址實現(xiàn)路由器的功能，為不同網(wǎng)段進行路由轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)模式相比橋模式具備更高的安全性，在進行訪問控制的同時實現(xiàn)了安全隔離，具備了一定的私密性。

2.3 NAT模式

NAT（Network Address Translation）地址翻譯技術(shù)由防火墻對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP地址進行地址翻譯，使用防火墻的IP地址替換內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的源地址向外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)；當外部網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)數(shù)據(jù)流量返回到防火墻后，防火墻再將目的地址替換為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的源地址。NAT模式能夠?qū)崿F(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)不能直接看到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP地址，進一步增強了對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全防護。同時，在NAT模式的網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可以使用私網(wǎng)地址，可以解決IP地址數(shù)量受限的問題。

如果在NAT模式的基礎(chǔ)上需要實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求時，還可以使用地址/端口映射（MAP）技術(shù)，在防火墻上進行地址/端口映射配置，當外部網(wǎng)絡(luò)用戶需要訪問內(nèi)部服務(wù)時，防火墻將請求映射到內(nèi)部服務(wù)器上；當內(nèi)部服務(wù)器返回相應(yīng)數(shù)據(jù)時，防火墻再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給外部網(wǎng)絡(luò)。使用地址/端口映射技術(shù)實現(xiàn)了外部用戶能夠訪問內(nèi)部服務(wù)，但是外部用戶無法看到內(nèi)部服務(wù)器的真實地址，只能看到防火墻的地址，增強了內(nèi)部服務(wù)器的安全性。

2.4 高可靠性設(shè)計

防火墻都部署在網(wǎng)絡(luò)的出入口，是網(wǎng)絡(luò)通信的大門，這就要求防火墻的部署必須具備高可靠性。一般IT設(shè)備的使用壽命被設(shè)計為3至5年，當單點設(shè)備發(fā)生故障時，要通過冗余技術(shù)實現(xiàn)可靠性，可以通過如虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）等技術(shù)實現(xiàn)主備冗余。目前，主流的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都支持高可靠性設(shè)計，如圖4所示就是一個典型的骨干網(wǎng)絡(luò)出口處的高可靠性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計。

3.防護體系設(shè)計

對于網(wǎng)絡(luò)安全防護來講，防火墻不是萬能的。防火墻只對數(shù)據(jù)通信的五元組進行檢測，不會檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。而攻擊者往往會利用各種隱藏掩飾技術(shù)將惡意代碼放置到合法的數(shù)據(jù)包中，發(fā)送到服務(wù)器以達到對服務(wù)器進行攻擊的目的，如通過把惡意代碼放到郵件的附件中發(fā)送給目標，這是傳統(tǒng)防火墻解決不了的問題。

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的愈發(fā)廣泛，用戶希望得到的防護不僅僅限于對訪問控制策略的實現(xiàn)，還需要對病毒、蠕蟲、木馬等惡意代碼進行防護。而基于傳統(tǒng)的五元組技術(shù)的防火墻對于以業(yè)務(wù)復用方式進行的網(wǎng)絡(luò)攻擊無能為力。

現(xiàn)代安全防護體系提出了下一代防火墻的概念。下一代防火墻具備標準的防火墻功能，如網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、狀態(tài)檢測、VPN等功能；具備入侵檢測功能；具備應(yīng)用程序感知能力，自動識別和控制應(yīng)用程序，甚至完成基于用戶的數(shù)據(jù)流量控制功能。所以，現(xiàn)代的安全防護應(yīng)該由傳統(tǒng)的對于五元組的控制轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩羯矸荻x安全策略、識別內(nèi)容與業(yè)務(wù)應(yīng)用的方式，能夠基于MAC地址、數(shù)據(jù)流方向、用戶身份、內(nèi)容關(guān)鍵字等因素對流量進行控制，這要求防火墻不僅在網(wǎng)絡(luò)層進行檢測，還應(yīng)在應(yīng)用層進行檢測。最完整的下一代防火墻技術(shù)應(yīng)包含傳統(tǒng)防火墻功能、IPS功能、惡意代碼檢測功能，甚至擴展到VPN、URL過濾、應(yīng)用流量控制、WAF、鏈路負載均衡等功能。

圖4 骨干網(wǎng)絡(luò)高可用性架構(gòu)設(shè)計

4.防火墻性能考量

4.1 防火墻性能指標

防火墻無論采用什么方式對數(shù)據(jù)進行過濾，都是以防火墻的硬件資源作為支撐，防火墻的性能直接影響用戶的體驗甚至系統(tǒng)安全。防火墻最重要的性能指標包括吞吐量、時延、丟包率、并發(fā)連接數(shù)、新建連接數(shù)等。

吞吐量指防火墻的數(shù)據(jù)通過能力，根據(jù)以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)包的封裝規(guī)則，以千兆防火墻舉例吞吐量應(yīng)為:

不論防火墻工作在哪種工作方式下，防火墻都要對通過的數(shù)據(jù)進行處理，比數(shù)據(jù)在光纖中通過的速度要慢。互聯(lián)網(wǎng)有大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，數(shù)據(jù)從源到目的經(jīng)過的時延是通過的所有設(shè)備的時延的和。一般防火墻的時延應(yīng)控制在毫秒級別。

防火墻在處理通過的數(shù)據(jù)包時，可能會因為錯誤或者延遲等原因丟失了部分數(shù)據(jù)包。這里丟失的數(shù)據(jù)包不包括因不符合ACL策略而被丟棄的數(shù)據(jù)包，除此之外，有丟失數(shù)據(jù)包的情況應(yīng)判定防火墻存在問題。

當通過防火墻的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量的并發(fā)連接和新建連接時，防火墻需要跟蹤這些連接的狀態(tài)，防火墻的CPU等硬件資源是否足以支撐這些連接帶來的資源消耗，用連接數(shù)的形式進行判斷。

4.2 虛擬化和策略硬件化

從防火墻的工作原理來看，對防火墻的硬件要求比較高。隨著網(wǎng)絡(luò)的升級，目前千兆、萬兆甚至100G交換機都應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)。在這些高吞吐的網(wǎng)絡(luò)中對防火墻的性能提出了更高的要求，需要提升防火墻本身采用硬件的性能。同時，防火墻也有一些架構(gòu)上的設(shè)計來應(yīng)對高吞吐量網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

虛擬化[3]指防火墻設(shè)計成具備多組端口，通過軟件配置實現(xiàn)一臺硬件防火墻可以虛擬成多個虛擬防火墻使用，具備多個防火墻的處理能力。虛擬化還是使用CPU執(zhí)行算法對數(shù)據(jù)流量進行過濾，處理速度依然受限于CPU的處理能力。

策略硬件化指不再使用CPU通過算法去處理每一次ACL匹配，而是把每一條策略封裝成如FPGA芯片的方式對數(shù)據(jù)包進行處理。當有大量的數(shù)據(jù)包通過時，使用多個FPGA芯片組成的硬件規(guī)則表對數(shù)據(jù)包進行過濾，能夠大幅度提升數(shù)據(jù)處理的速度。

結(jié)語

在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全防護體系的過程中，用戶需要針對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)需求選擇適合的防火墻工作模式和部署方式，應(yīng)該選用具備自身安全需求的防火墻功能，并對防火墻的硬件性能進行考量，使防火墻為網(wǎng)絡(luò)提供高效、準確的防護服務(wù)。

防火墻技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域既是出現(xiàn)最早的技術(shù)，也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。隨著對網(wǎng)絡(luò)安全的需求不斷增大，防火墻技術(shù)在不斷進步，防火墻處理能力的高速化、檢測能力智能化、部署方式多樣化都是防火墻應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)安全需求的改進方式。在未來，防火墻仍然是網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用最重要的設(shè)備之一。