防火墻實(shí)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(guò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域之間的通信進(jìn)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(shí)隔離通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向外部網(wǎng)絡(luò)泄露敏感數(shù)據(jù)，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)不受侵害。

防火墻技術(shù)在20世紀(jì)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(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)同步進(jìn)行安全設(shè)計(jì)和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面、科學(xué)的防護(hù)，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)中最重要的防火墻進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)“不該來(lái)的不要來(lái)”；同時(shí)保護(hù)內(nèi)部敏感信息資源，防止內(nèi)部泄密，實(shí)現(xiàn)“無(wú)授權(quán)的不要訪問(wèn)”。

圖1 防火墻對(duì)來(lái)往數(shù)據(jù)流量進(jìn)行過(guò)濾

圖1所示是一個(gè)連接互聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，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(hào)數(shù)據(jù)流量路徑上阻止“自己不喜歡”的外部人訪問(wèn)；在2號(hào)數(shù)據(jù)流量路徑上阻止內(nèi)部人訪問(wèn)“不應(yīng)該去”的地方。防火墻不關(guān)心訪問(wèn)的具體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)方式是把防火墻部署在網(wǎng)絡(luò)的出入口處，通過(guò)對(duì)來(lái)往的數(shù)據(jù)包進(jìn)行特征判斷，對(duì)符合安全策略的數(shù)據(jù)包進(jìn)行放行，對(duì)不符合安全策略的數(shù)據(jù)包進(jìn)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(guò)為防火墻配置訪問(wèn)控制列表ACL（Access Control List）來(lái)建立對(duì)來(lái)往數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷的規(guī)則，防火墻在對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷時(shí)要通過(guò)查詢這些規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行控制。圖2所示為防火墻使用訪問(wèn)控制策略對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行控制的工作原理。

圖2 訪問(wèn)控制策略工作原理

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IP訪問(wèn)控制列表的語(yǔ)法為:

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

如下是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IP訪問(wèn)控制列表來(lái)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(tái)主機(jī)的所有流量通過(guò)；第二條ACL表示允許172.16網(wǎng)段的所有數(shù)據(jù)流量通過(guò)；第三條ACL表示允許任何地址的數(shù)據(jù)流量通過(guò)。

標(biāo)準(zhǔn)IP訪問(wèn)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(wú)法控制數(shù)據(jù)流量的目的，也無(wú)法控制流量的協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)更加靈活和功能強(qiáng)大的控制方法，所以出現(xiàn)了擴(kuò)展IP訪問(wèn)控制列表。

擴(kuò)展IP訪問(wèn)控制列表的語(yǔ)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(guò)擴(kuò)展IP訪問(wèn)控制列表來(lái)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(guò)；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(guò)。由此可見(jiàn)，訪問(wèn)控制列表實(shí)現(xiàn)的功能就是允許誰(shuí)到什么地方訪問(wèn)什么服務(wù)。

1.2 ACL規(guī)則的匹配原則

在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)完整的信息系統(tǒng)會(huì)提供多種服務(wù)，進(jìn)出的數(shù)據(jù)流量多種多樣，因此，在防火墻上會(huì)配置多條ACL。防火墻具備對(duì)ACL規(guī)則的匹配機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出流量的匹配，這種機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)包按照該條規(guī)則進(jìn)行處理，剩余的ACL不再進(jìn)行匹配。因此，ACL的順序非常重要。

如果所有的規(guī)則都沒(méi)有匹配到，數(shù)據(jù)包將被丟棄。

安全過(guò)濾規(guī)則主要包含源、目的地址和端口、TCP標(biāo)志位、應(yīng)用時(shí)間以及一些高級(jí)過(guò)濾選項(xiàng)。

1.3 防火墻工作方式

1.3.1 包過(guò)濾方式

包過(guò)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(guò)的鏈路上，對(duì)經(jīng)過(guò)的每一個(gè)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(dòng)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(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，處理速度快；缺點(diǎn)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(guò)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(cè)方式

為了彌補(bǔ)包過(guò)濾防火墻天生存在的弱點(diǎn)，后來(lái)出現(xiàn)了狀態(tài)檢測(cè)方式的防火墻，依據(jù)TCP標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議檢測(cè)。狀態(tài)檢測(cè)防火墻基于數(shù)據(jù)包檢測(cè)，同時(shí)針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)連接建立協(xié)議運(yùn)行的狀態(tài)跟蹤，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不匹配時(shí)則丟棄該數(shù)據(jù)包。圖3所示為狀態(tài)檢測(cè)防火墻工作原理。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入防火墻后，防火墻首先檢測(cè)該數(shù)據(jù)包是否匹配已經(jīng)配置好的狀態(tài)檢測(cè)列表，如果匹配則轉(zhuǎn)發(fā)放行；如果不匹配則按照包過(guò)濾方式安全檢測(cè)，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(cè)方式是對(duì)包過(guò)濾方式的功能擴(kuò)展，既能對(duì)數(shù)據(jù)包是否符合安全策略進(jìn)行檢查，也能對(duì)包的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基于破壞數(shù)據(jù)包狀態(tài)進(jìn)行攻擊（如DoS）的防護(hù)。

圖3 狀態(tài)檢測(cè)防火墻工作原理

狀態(tài)檢測(cè)防火墻實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，需要針對(duì)進(jìn)入防火墻的數(shù)據(jù)包開(kāi)啟緩沖區(qū)。當(dāng)通過(guò)防火墻的數(shù)據(jù)包數(shù)量增多時(shí)，會(huì)大量占用防火墻硬件資源，降低數(shù)據(jù)通過(guò)性能，有影響業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的可能。

1.3.3 應(yīng)用代理方式

在防火墻上開(kāi)啟若干應(yīng)用代理，每個(gè)代理需要一個(gè)不同的應(yīng)用進(jìn)程或一個(gè)后臺(tái)運(yùn)行的服務(wù)程序，針對(duì)每個(gè)新的應(yīng)用必須添加針對(duì)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(wú)法通過(guò)。應(yīng)用代理防火墻的特點(diǎn)是把用戶的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包統(tǒng)一收集起來(lái)，還原成應(yīng)用級(jí)的請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)用級(jí)請(qǐng)求按規(guī)則進(jìn)行處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，用戶向服務(wù)器的請(qǐng)求是中斷的。應(yīng)用代理防火墻的優(yōu)點(diǎn)是成為用戶訪問(wèn)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(duì)服務(wù)器的直接入侵；缺點(diǎn)是需要與包過(guò)濾、狀態(tài)過(guò)濾技術(shù)一起使用，而且緩沖時(shí)間長(zhǎng)、速度慢、延遲大。

2.防火墻部署方式

防火墻是為加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)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(jiàn)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(jiǎn)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(duì)經(jīng)過(guò)的流量進(jìn)行安全控制。正常的客戶端請(qǐng)求通過(guò)防火墻送達(dá)服務(wù)器，服務(wù)器將響應(yīng)返回給客戶端，用戶不會(huì)感覺(jué)到中間設(shè)備的存在。工作在橋模式下的防火墻沒(méi)有IP地址，當(dāng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)無(wú)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)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(shí)現(xiàn)路由器的功能，為不同網(wǎng)段進(jìn)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(jìn)行訪問(wèn)控制的同時(shí)實(shí)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(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP地址進(jìn)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(dāng)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(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)。同時(shí)，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(wèn)題。

如果在NAT模式的基礎(chǔ)上需要實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求時(shí)，還可以使用地址/端口映射（MAP）技術(shù)，在防火墻上進(jìn)行地址/端口映射配置，當(dāng)外部網(wǎng)絡(luò)用戶需要訪問(wèn)內(nèi)部服務(wù)時(shí)，防火墻將請(qǐng)求映射到內(nèi)部服務(wù)器上；當(dāng)內(nèi)部服務(wù)器返回相應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)現(xiàn)了外部用戶能夠訪問(wèn)內(nèi)部服務(wù)，但是外部用戶無(wú)法看到內(nèi)部服務(wù)器的真實(shí)地址，只能看到防火墻的地址，增強(qiáng)了內(nèi)部服務(wù)器的安全性。

2.4 高可靠性設(shè)計(jì)

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(jì)為3至5年，當(dāng)單點(diǎn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，要通過(guò)冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠性，可以通過(guò)如虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）等技術(shù)實(shí)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(jì)，如圖4所示就是一個(gè)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(jì)。

3.防護(hù)體系設(shè)計(jì)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)來(lái)講，防火墻不是萬(wàn)能的。防火墻只對(duì)數(shù)據(jù)通信的五元組進(jìn)行檢測(cè)，不會(huì)檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。而攻擊者往往會(huì)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(dá)到對(duì)服務(wù)器進(jìn)行攻擊的目的，如通過(guò)把惡意代碼放到郵件的附件中發(fā)送給目標(biāo)，這是傳統(tǒng)防火墻解決不了的問(wèn)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(hù)不僅僅限于對(duì)訪問(wèn)控制策略的實(shí)現(xiàn)，還需要對(duì)病毒、蠕蟲(chóng)、木馬等惡意代碼進(jìn)行防護(hù)。而基于傳統(tǒng)的五元組技術(shù)的防火墻對(duì)于以業(yè)務(wù)復(fù)用方式進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)攻擊無(wú)能為力。

現(xiàn)代安全防護(hù)體系提出了下一代防火墻的概念。下一代防火墻具備標(biāo)準(zhǔn)的防火墻功能，如網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、狀態(tài)檢測(cè)、VPN等功能；具備入侵檢測(cè)功能；具備應(yīng)用程序感知能力，自動(dòng)識(shí)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(hù)應(yīng)該由傳統(tǒng)的對(duì)于五元組的控制轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩羯矸荻x安全策略、識(shí)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(duì)流量進(jìn)行控制，這要求防火墻不僅在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行檢測(cè)，還應(yīng)在應(yīng)用層進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)功能，甚至擴(kuò)展到VPN、URL過(guò)濾、應(yīng)用流量控制、WAF、鏈路負(fù)載均衡等功能。

圖4 骨干網(wǎng)絡(luò)高可用性架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.防火墻性能考量

4.1 防火墻性能指標(biāo)

防火墻無(wú)論采用什么方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)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(yàn)甚至系統(tǒng)安全。防火墻最重要的性能指標(biāo)包括吞吐量、時(shí)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(guò)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(duì)通過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比數(shù)據(jù)在光纖中通過(guò)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(guò)的時(shí)延是通過(guò)的所有設(shè)備的時(shí)延的和。一般防火墻的時(shí)延應(yīng)控制在毫秒級(jí)別。

防火墻在處理通過(guò)的數(shù)據(jù)包時(shí)，可能會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤或者延遲等原因丟失了部分?jǐn)?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(wèn)題。

當(dāng)通過(guò)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(shí)，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(lái)的資源消耗，用連接數(shù)的形式進(jìn)行判斷。

4.2 虛擬化和策略硬件化

從防火墻的工作原理來(lái)看，對(duì)防火墻的硬件要求比較高。隨著網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，目前千兆、萬(wàn)兆甚至100G交換機(jī)都應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)。在這些高吞吐的網(wǎng)絡(luò)中對(duì)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(shí)，防火墻也有一些架構(gòu)上的設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)高吞吐量網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

虛擬化[3]指防火墻設(shè)計(jì)成具備多組端口，通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)一臺(tái)硬件防火墻可以虛擬成多個(gè)虛擬防火墻使用，具備多個(gè)防火墻的處理能力。虛擬化還是使用CPU執(zhí)行算法對(duì)數(shù)據(jù)流量進(jìn)行過(guò)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(guò)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(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。當(dāng)有大量的數(shù)據(jù)包通過(guò)時(shí)，使用多個(gè)FPGA芯片組成的硬件規(guī)則表對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾，能夠大幅度提升數(shù)據(jù)處理的速度。

結(jié)語(yǔ)

在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系的過(guò)程中，用戶需要針對(duì)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(duì)防火墻的硬件性能進(jìn)行考量，使防火墻為網(wǎng)絡(luò)提供高效、準(zhǔn)確的防護(hù)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(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的需求不斷增大，防火墻技術(shù)在不斷進(jìn)步，防火墻處理能力的高速化、檢測(cè)能力智能化、部署方式多樣化都是防火墻應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全需求的改進(jìn)方式。在未來(lái)，防火墻仍然是網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用最重要的設(shè)備之一。