電子郵件系統(tǒng)跨網(wǎng)絡(luò)區(qū)域多防火墻分析

張 璐

（國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司，北京 100761）

0 引言

Internet的迅速發(fā)展在給人們的生產(chǎn)和生活帶來前所未有的便捷的同時(shí)，也給人們帶來了日益嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全問題。這種會導(dǎo)致危害的可能性使得用來保護(hù)Internet資源的安全措施和設(shè)備變得不可或缺[1]，其中不可不提的就是防火墻，它幾乎是維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全必不可少的一個(gè)組成部分[2]。

防火墻通常部署在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的出入口處，它是不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)安全域之間信息的唯一出入口，通過執(zhí)行一定的規(guī)則來控制內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流，從而控制用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的訪問。在邏輯上，防火墻是一個(gè)分離器、一個(gè)限制器，同時(shí)也是一個(gè)分析器，能有效地監(jiān)控內(nèi)部網(wǎng)和Internet之間的任何活動，保證內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全[3]。

1 信息系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

1.1 狀態(tài)檢測防火墻基本情況

防火墻具有如下特性：所有的通信都經(jīng)過防火墻，防火墻只放行經(jīng)過授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)流量，防火墻能經(jīng)受得起對其本身的攻擊[4]。

狀態(tài)檢測防火墻（Stateful Inspection Firewall）也叫自適應(yīng)防火墻或動態(tài)包過濾防火墻（Dynamic Packet Filter Firewall），是最新一代的防火墻，稱為第三代防火墻。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接通常包括以下信息：源IP地址、目的IP地址、源端口號和目的端口號、協(xié)議類型、連接狀態(tài)（適用于TCP）、協(xié)議相關(guān)信息（如TCP/UDP端口號） 和超時(shí)時(shí)間等。防火墻把這些信息叫做狀態(tài)[5]。

狀態(tài)檢測防火墻使用最典型的是通過TCP連接建立會話，以會話為單位進(jìn)行檢測，將屬于同一連接的所有包作為一個(gè)整體的數(shù)據(jù)流來看待，構(gòu)成狀態(tài)表，通過安全規(guī)則表與狀態(tài)表的共同配合，對表中的各個(gè)連接狀態(tài)進(jìn)行快速識別，以此提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

圖1是狀態(tài)檢測防火墻的工作原理圖。由圖1可知，數(shù)據(jù)包到達(dá)狀態(tài)檢測防火墻的接口時(shí)，會執(zhí)行以下步驟：檢查數(shù)據(jù)包是否是一個(gè)已經(jīng)建立并且正在使用的數(shù)據(jù)流的一部分，若是，通過匹配防火墻狀態(tài)表中的信息，快速傳送數(shù)據(jù)包；若不是，通過三次握手建立TCP連接，防火墻通過安全策略進(jìn)行判斷，并將該連接的源IP地址、目的IP地址、源端口號和目的端口號等信息記入狀態(tài)表。持續(xù)有屬于該連接的數(shù)據(jù)請求時(shí)，直接與防火墻狀態(tài)表中的信息進(jìn)行匹配，方便數(shù)據(jù)快速通過。

需要注意的是：狀態(tài)檢測防火墻中的狀態(tài)表存在失效時(shí)間問題，若在一段時(shí)間內(nèi)無會話通過，該狀態(tài)表的會話便會失效，數(shù)據(jù)再次請求通過時(shí)需要重新建立TCP連接。

圖1 狀態(tài)檢測防火墻工作原理

1.2 電子郵件系統(tǒng)運(yùn)行情況及分析

1.2.1 系統(tǒng)跨網(wǎng)絡(luò)區(qū)域多防火墻的運(yùn)行隱患

圖2為電子郵件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。圖2顯示，架構(gòu)中存在2個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)二級區(qū)域，多一道防火墻無形中就為系統(tǒng)增加了一道隱患，在系統(tǒng)業(yè)務(wù)請求數(shù)據(jù)量過大的情況下，如果出現(xiàn)防火墻中斷，就無法獲取到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致業(yè)務(wù)不可用的情況發(fā)生。正是由于電子郵件系統(tǒng)的特殊性和業(yè)務(wù)量大，此項(xiàng)優(yōu)化顯得尤為重要。

2017年就出現(xiàn)過由于防火墻導(dǎo)致系統(tǒng)業(yè)務(wù)不可用的情況。應(yīng)用服務(wù)連接存儲進(jìn)行收取信件時(shí)，出現(xiàn)無法正常建立會話連接的情況：系統(tǒng)獲取存儲數(shù)據(jù)是通過操作系統(tǒng)NFS（network file sysytem）與存儲之間通信的，NFS是通過網(wǎng)絡(luò)讓不同的機(jī)器之間可以彼此共享文件和目錄；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，NFS不會主動探測防火墻現(xiàn)在是否能夠正常允許數(shù)據(jù)通過，只有請求到來的時(shí)候才會觸發(fā)NFS請求，建立連接。

當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)被丟棄的情況，防火墻不會反饋給請求方，因此NFS會不斷請求嘗試重連，直到數(shù)據(jù)允許通過。如果NFS持續(xù)無法連接到存儲，用戶獲取信件的請求無法響應(yīng)，長時(shí)間無法連接，就會觸發(fā)系統(tǒng)后端取信模塊（MS）發(fā)生高可用切換。在實(shí)際情況下，MS取信模塊服務(wù)與存儲連接異常，程序主動退出（試圖重啟）的時(shí)候，發(fā)生了死鎖故障，程序一直退出失敗，資源釋放不成功，程序處于僵死狀態(tài)，無法完成高可用切換；在業(yè)務(wù)高峰期，進(jìn)一步導(dǎo)致電子郵件系統(tǒng)前端模塊癱瘓，進(jìn)而無法正常收發(fā)郵件。因此，為了將防火墻的潛在隱患降到最低，需將網(wǎng)絡(luò)區(qū)合并，盡可能減少多余的防火墻，減少不必要的外部影響。

圖2 電子郵件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

1.2.2 電子郵件系統(tǒng)應(yīng)用程序運(yùn)行情況及分析

若防火墻存在的隱患被觸發(fā)，系統(tǒng)后端模塊由于無法請求到后端存儲導(dǎo)致業(yè)務(wù)不可用，前面所述問題顯示出來系統(tǒng)后端模塊應(yīng)用程序脆弱。因此，仍需從系統(tǒng)應(yīng)用層面對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

電子郵件系統(tǒng)后端模塊是通過部署REDHAT CLUSTER集群，實(shí)現(xiàn)HA高可用切換的，后端模塊出現(xiàn)瓶頸時(shí)，高可用無法進(jìn)行切換而僵死堵塞，對后續(xù)業(yè)務(wù)產(chǎn)生巨大影響。電子郵件系統(tǒng)的服務(wù)需求是大批量的用戶請求能夠無延遲地獲取信件，而后端模塊（MS）主要負(fù)責(zé)郵件提取。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，業(yè)務(wù)請求量逐漸增大會導(dǎo)致后端模塊堵塞，無法正常獲取郵件；防火墻恢復(fù)后，后端堵塞現(xiàn)象無法立刻恢復(fù)。因此，在合并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)區(qū)的同時(shí)還需要將應(yīng)用集群形式進(jìn)行優(yōu)化，防止外部情況發(fā)生時(shí)，后端應(yīng)用堵塞并僵死無法正常收取信件的隱患發(fā)生。

2 優(yōu)化解決方法

2.1 合并網(wǎng)絡(luò)區(qū)

如圖3所示，將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)二級區(qū)合并之后，現(xiàn)在存在2個(gè)基本的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，減少了防火墻，很大程度上減少了跨網(wǎng)絡(luò)區(qū)域多防火墻帶來的隱患，為其他信息系統(tǒng)運(yùn)行提供了有效的幫助和指導(dǎo)。

圖3 電子郵件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2 后端應(yīng)用優(yōu)化解決方法

為了緩解由于后端模塊在業(yè)務(wù)高峰期出現(xiàn)故障時(shí)無法進(jìn)行高可用切換的問題，在進(jìn)行后端應(yīng)用優(yōu)化過程中，將取信模塊（MS模塊）從高可用切換模式中脫離出來，變?yōu)樨?fù)載均衡模式，即如果MS出現(xiàn)故障，讀取郵件的請求也會發(fā)送到備節(jié)點(diǎn)（備節(jié)點(diǎn)存儲與主節(jié)點(diǎn)存儲相同的信件內(nèi)容），不影響信件正常收發(fā)。每個(gè)MS節(jié)點(diǎn)掛接一定數(shù)量的存儲卷，一個(gè)存儲卷只掛接在一個(gè)MS節(jié)點(diǎn)下面。當(dāng)前的分區(qū)規(guī)則是：前端服務(wù)模塊訪問MS節(jié)點(diǎn)時(shí)，向與MS節(jié)點(diǎn)號對應(yīng)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求。每1到2個(gè)MS節(jié)點(diǎn)劃分為一組，同一分組的MS節(jié)點(diǎn)掛接完全一樣的存儲卷，同一分組內(nèi)部的所有MS節(jié)點(diǎn)同時(shí)提供服務(wù)。

前端模塊訪問MS時(shí)，根據(jù)MS分組號，通過選舉算法得到MS分組內(nèi)部可用MS節(jié)點(diǎn)列表，對照郵件關(guān)鍵字，按照MS節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行哈希，得到對應(yīng)的MS節(jié)點(diǎn)。

圖4為后端應(yīng)用優(yōu)化示例圖。圖4中，MS節(jié)點(diǎn)組1內(nèi)部有2個(gè)節(jié)點(diǎn)1_A和1_B，2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)提供服務(wù)。在節(jié)點(diǎn)1_B恢復(fù)后，請求切換到節(jié)點(diǎn)1_B；節(jié)點(diǎn)組2內(nèi)，節(jié)點(diǎn)通過分布式選舉算法，新增加MS節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)可自行加入分組內(nèi)可用MS節(jié)點(diǎn)列表中，在節(jié)點(diǎn)故障后，前端請求會無縫切換到分組內(nèi)其他MS節(jié)點(diǎn)。

圖4 后端應(yīng)用優(yōu)化示例

3 結(jié)束語

本文通過對電子郵件系統(tǒng)跨網(wǎng)絡(luò)區(qū)域多防火墻情況的優(yōu)化，降低了防火墻對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，同時(shí)對系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，大大減少了故障頻次，強(qiáng)化了信息系統(tǒng)健壯性。這兩方面優(yōu)化為其他信息系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的技術(shù)參考，為信息系統(tǒng)運(yùn)行減少了外部影響因素，為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。