工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的防火墻

羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕

什么是防火墻？

防火墻是一種機(jī)制，用于控制和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)上來往的信息流，目的是保護(hù)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。流過的信息要與預(yù)定義的安全標(biāo)準(zhǔn)或政策進(jìn)行比較，丟棄不符合政策要求的信息。實際上，它是一個過濾器，阻止了不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，限制了受保護(hù)網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)，或站點網(wǎng)絡(luò)的另一部分）之間通信的數(shù)量和類型。下圖顯示了一個簡單的防火墻，禁止來自因特網(wǎng)對個人計算機(jī)（PC）和可編程邏輯控制器（PLC）的訪問，但允許對企業(yè)Web服務(wù)器的訪問。

圖1 一個簡化的防火墻舉例

防火墻類型

防火墻具有很多不同的設(shè)計和配置。它可以是一個連接到網(wǎng)絡(luò)的單獨物理硬件設(shè)備（如思科的PIX?或賽門鐵克的安全網(wǎng)關(guān)防火墻），可以是一個帶有操作系統(tǒng)和防火墻功能（如運行在Linux?服務(wù)器上的“iptables”）的硬件/軟件單元，甚至可以是一個完全基于主機(jī)的軟件解決方案，即直接在工作站上安裝防火墻軟件（如諾頓的個人防火墻?或Sygate的個人防火墻）。

獨立的硬件或硬件/軟件單元通常被稱為網(wǎng)絡(luò)防火墻，通常是最安全的解決方案，把企業(yè)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)（IACN）分開。它們是專用的功能單元，除了個別例外，加固后可以抵擋一切攻擊。此外，網(wǎng)絡(luò)防火墻通常提供最佳的管理選項，因此通常允許對它們進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

基于主機(jī)的防火墻通常能夠接受某些妥協(xié)，因為主機(jī)的主要功能不是安保，通常要完成一些工作站或服務(wù)器的任務(wù)，例如數(shù)據(jù)庫訪問或Web服務(wù)。

同時，基于主機(jī)的防火墻解決方案目前僅適用于Windows或基于Unix的平臺，只能為網(wǎng)絡(luò)上的嵌入式控制設(shè)備（如PLC）做一定的流量管理?；谥鳈C(jī)的防火墻可以放置在IACN / 監(jiān)控與數(shù)采（SCADA）網(wǎng)絡(luò)上，但它們通常在我們今天要考慮的范圍之外。因此，除少數(shù)情況外，本文假定IACN / SCADA防火墻是一個專用的硬件或硬件/軟件解決方案，通過一系列規(guī)則，對傳送到控制網(wǎng)絡(luò)信息流實施允許或拒絕。

防火墻分類

網(wǎng)絡(luò)使用離散的位組發(fā)送數(shù)據(jù)，通常把一定數(shù)量的位組稱為數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包通常包含若干個獨立的信息，包括（但不限于）的項目有：

? 發(fā)件人的身份（源地址）;

? 收件人的身份（目的地址）;

? 包涉及的服務(wù)（端口號）;

? 網(wǎng)絡(luò)操作和狀態(tài)標(biāo)志;

? 把數(shù)據(jù)的有效載荷傳遞到該服務(wù)。

接收一個數(shù)據(jù)包時，防火墻對包的這些特征進(jìn)行分析，并決定對這個包采取什么行動?？梢赃x擇丟棄該包、允許立即通過、因帶寬限制而暫時緩存，或轉(zhuǎn)發(fā)給不同的收件人–應(yīng)按照網(wǎng)絡(luò)安全策略采取適當(dāng)?shù)男袆印?/p>

這些決定都基于一系列的規(guī)則，該規(guī)則通常被稱為訪問控制列表（ACL）。防火墻具有不同的類型，每種類型都具有復(fù)雜的分析和行動能力。下面給予分別介紹。

（1）包過濾防火墻

最簡單一類的防火墻被稱為包過濾防火墻。它具有一系列的靜態(tài)規(guī)則，對收到的報文按規(guī)則采取行動。下面的示例表明了包過濾防火墻是如何按規(guī)則處理數(shù)據(jù)包的：

? 在用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）端口53上接受域名服務(wù)（DNS）響應(yīng)數(shù)據(jù)包；

? 阻止因特網(wǎng)協(xié)議（IP）地址為24.116.25.21的任何數(shù)據(jù)；

? 通過阻斷傳輸訪問控制協(xié)議（TCP）端口80、443、3128、8000和8080傳出的數(shù)據(jù)包以阻止網(wǎng)上沖浪，除非他們指向企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Web服務(wù)器的IP地址；

? 丟棄源路由包；

? 接受來自特定IP地址范圍的工程操作站，通過TCP端口23遠(yuǎn)程登錄（telnet）到一個特定的分布式控制系統(tǒng)（DCS）IP地址的數(shù)據(jù)。

不幸的是，包過濾防火墻缺乏理解一系列數(shù)據(jù)包之間關(guān)系的能力。例如，廣泛適用的規(guī)則“接受UDP端口53上的DNS響應(yīng)數(shù)據(jù)包”包含一個嚴(yán)重的缺陷。如果DNS沒有發(fā)過查詢，而用一個偽造的DNS“響應(yīng)”包來代替呢？這個簡單的防火墻會接受這個數(shù)據(jù)包，并提供給“請求”主機(jī)，這可能會帶來麻煩。比較狡猾的黑客會利用防火墻的這些弱點潛入內(nèi)部系統(tǒng)。

包過濾防火墻的優(yōu)點具有：成本低廉且對網(wǎng)絡(luò)性能影響較小，因為只檢查數(shù)據(jù)包中的IP地址和端口號。這種方法有時也稱為靜態(tài)過濾。它往往是直接部署在交換機(jī)或路由器的第3層，而不是專用的“防火墻”。

（2）狀態(tài)防火墻

這是一種更復(fù)雜的防火墻，具有智能跟蹤流經(jīng)的數(shù)據(jù)包，以及了解他們之間的相互關(guān)系。因為具有接收包的歷史和當(dāng)前連接的狀態(tài)，它只能接收“預(yù)期”的數(shù)據(jù)包。由于防火墻是智能的，所以有條件制定狀態(tài)防火墻的規(guī)則集。例如：

? 只有當(dāng)發(fā)出的DNS查詢與相同的DNS請求標(biāo)識相匹配時，才接收UDP端口53上的DNS響應(yīng)數(shù)據(jù)包。

? 僅在控制通道協(xié)商成功后，才允許文件傳輸協(xié)議（FTP）通道傳輸數(shù)據(jù)。

? 阻止所有源自TCP端口80傳入的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，除非他是專門針對先前傳出的超文本傳輸協(xié)議（HTTP）的請求。

這種類型的防火墻提供了一種高層次的安保和性能，以及對最終用戶的透明度，但價格比較昂貴。由于它的復(fù)雜性，如果沒有相關(guān)資質(zhì)的人員管理，這類防火墻可以比簡單類型的防火墻更不安保。這種方法有時也稱為動態(tài)包過濾。

（3）應(yīng)用代理防火墻

應(yīng)用代理防火墻在應(yīng)用層打開數(shù)據(jù)包，按照特定的應(yīng)用規(guī)則來處理他們，然后重新組裝，轉(zhuǎn)發(fā)到所需的目標(biāo)設(shè)備。通常，它們被設(shè)計成針對于各種應(yīng)用協(xié)議（如Telnet、FTP、HTTP等）的單一機(jī)器，隨后轉(zhuǎn)發(fā)到各個主機(jī)計算機(jī)完成各項服務(wù)。客戶端不直接連接外部服務(wù)器，而是連接代理防火墻，需要時由代理防火墻發(fā)起連接外部服務(wù)器的請求。有些代理防火墻，支持配置內(nèi)部客戶端自動執(zhí)行這種重定向，且不用用戶知道。有些人可能會要求用戶直接連接代理服務(wù)器，然后通過指定的格式發(fā)起連接。

代理防火墻提供了一些重要的安保特性，例如防火墻可以識別和控制有些應(yīng)用協(xié)議。它可以對應(yīng)用協(xié)議使用訪問控制列表，在要求用戶或系統(tǒng)授權(quán)訪問之前提供額外的驗證。此外，可以創(chuàng)建規(guī)則集，用于理解特定的協(xié)議，可以僅為阻止協(xié)議子集進(jìn)行配置。例如，可以創(chuàng)建這樣的HTTP防火墻規(guī)則：阻止所有含腳本的HTTP數(shù)據(jù)包入站。相比之下，過濾路由器要么阻止所有的HTTP數(shù)據(jù)，要么不阻止，而不是阻止一個子集。

這種類型的防火墻可以提供一個高水平的安保，但也明顯影響了網(wǎng)絡(luò)性能。此外，大部分應(yīng)用代理防火墻產(chǎn)品只支持幾種常見的因特網(wǎng)協(xié)議，如HTTP、FTP或簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）。其結(jié)果是，對含有工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議的報文，如公共工業(yè)協(xié)議?（CIP）或Modbus / TCP?，需要在防火墻狀態(tài)或包過濾模式中增加對工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議的數(shù)據(jù)處理。

在過去的幾年中，市場上出現(xiàn)了很多利用狀態(tài)與應(yīng)用代理技術(shù)組合的防火墻，他們通常被稱為混合型防火墻。

（4）深度包檢測防火墻

防火墻市場目前已經(jīng)遷移到了第四代技術(shù)，被稱為“深度包檢測”（DPI）或“應(yīng)用防火墻”。比起傳統(tǒng)的應(yīng)用代理，它通常提供更深入的應(yīng)用層過濾，但不執(zhí)行完整的TCP連接代理。例如，DPI防火墻能夠用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）在Web連接上檢查簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）的對象，實施允許/禁止什么對象進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的政策。

其他防火墻服務(wù)

除了數(shù)據(jù)包過濾的核心服務(wù)，現(xiàn)代的防火墻還提供其他基于網(wǎng)絡(luò)的安保服務(wù)。這些服務(wù)可能包括：

（1）執(zhí)行像入侵檢測系統(tǒng)（IDS）的功能，可以記錄被拒絕訪問的數(shù)據(jù)包，識別專門導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)問題的數(shù)據(jù)包，或報告異常的信息流。

（2）在防火墻上部署“一線”的防病毒軟件。如果發(fā)現(xiàn)有感染數(shù)據(jù)的特征，這種數(shù)據(jù)在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前就被阻止。

（3）身份驗證服務(wù)，要求用戶連接到防火墻另一側(cè)的設(shè)備使用密碼或強(qiáng)大的驗證方法（如公共密鑰加密）通過防火墻驗證。

（4）虛擬專用網(wǎng)（VPN）網(wǎng)關(guān)服務(wù)，在防火墻和遠(yuǎn)程主機(jī)設(shè)備之間建立一個加密的隧道。

（5）網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT），在防火墻一側(cè)的一組IP地址映射到另一側(cè)不同的一組地址。

這些額外的服務(wù)將依賴于購買的防火墻的品牌和型號。顯然，這些附加功能可能意味著額外的成本，增加了配置的復(fù)雜性并降低了網(wǎng)絡(luò)的性能。然而，利用了這些功能，往往能顯著提高IACN / SCADA網(wǎng)絡(luò)的整體安保性能。