防火墻知識(shí)入門

　　傳統(tǒng)意義上的防火墻技術(shù)分為三大類，“包過濾”(Packet Filtering)、“應(yīng)用代理”(Application Proxy)和“狀態(tài)監(jiān)視”(Stateful Inspection)，無論一個(gè)防火墻的實(shí)現(xiàn)過程多么復(fù)雜，歸根結(jié)底都是在這三種技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展的。

　　1.包過濾技術(shù)

　　包過濾是最早使用的一種防火墻技術(shù)，它的第一代模型是“靜態(tài)包過濾”(Static Packet Filtering)，使用包過濾技術(shù)的防火墻通常工作在OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)上，后來發(fā)展更新的“動(dòng)態(tài)包過濾”(Dynamic Packet Filtering)增加了傳輸層(Transport Layer)，簡而言之，包過濾技術(shù)工作的地方就是各種基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)出的通道，它把這兩層作為數(shù)據(jù)監(jiān)控的對(duì)象，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的頭部、協(xié)議、地址、端口、類型等信息進(jìn)行分析，并與預(yù)先設(shè)定好的防火墻過濾規(guī)則(Filtering Rule)進(jìn)行核對(duì)，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)包的某個(gè)或多個(gè)部分與過濾規(guī)則匹配并且條件為“阻止”的時(shí)候，這個(gè)包就會(huì)被丟棄。適當(dāng)?shù)脑O(shè)置過濾規(guī)則可以讓防火墻工作得更安全有效，但是這種技術(shù)只能根據(jù)預(yù)設(shè)的過濾規(guī)則進(jìn)行判斷，一旦出現(xiàn)一個(gè)沒有在設(shè)計(jì)人員意料之中的有害數(shù)據(jù)包請(qǐng)求，整個(gè)防火墻的保護(hù)就相當(dāng)于擺設(shè)了。也許你會(huì)想，讓用戶自行添加不行嗎?但是別忘了，我們要為是普通計(jì)算機(jī)用戶考慮，并不是所有人都了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的，如果防火墻工具出現(xiàn)了過濾遺漏問題，他們只能等著被入侵了。一些公司采用定期從網(wǎng)絡(luò)升級(jí)過濾規(guī)則的方法，這個(gè)創(chuàng)意固然可以方便一部分家庭用戶，但是對(duì)相對(duì)比較專業(yè)的用戶而言，卻不見得就是好事，因?yàn)樗麄兛赡軙?huì)有根據(jù)自己的機(jī)器環(huán)境設(shè)定和改動(dòng)的規(guī)則，如果這個(gè)規(guī)則剛好和升級(jí)到的規(guī)則發(fā)生沖突，用戶就該郁悶了，而且如果兩條規(guī)則沖突了，防火墻該聽誰的，會(huì)不會(huì)當(dāng)場“死給你看”(崩潰)?也許就因?yàn)榭紤]到這些因素，至今我沒見過有多少個(gè)產(chǎn)品會(huì)提供過濾規(guī)則更新功能的，這并不能和殺毒軟件的病毒特征庫升級(jí)原理相提并論。為了解決這種魚與熊掌的問題，人們對(duì)包過濾技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，這種改進(jìn)后的技術(shù)稱為“動(dòng)態(tài)包過濾”(市場上存在一種“基于狀態(tài)的包過濾防火墻”技術(shù)，即Stateful-based Packet Filtering，他們其實(shí)是同一類型)，與它的前輩相比，動(dòng)態(tài)包過濾功能在保持著原有靜態(tài)包過濾技術(shù)和過濾規(guī)則的基礎(chǔ)上，會(huì)對(duì)已經(jīng)成功與計(jì)算機(jī)連接的報(bào)文傳輸進(jìn)行跟蹤，并且判斷該連接發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，一旦觸發(fā)其判斷機(jī)制，防火墻就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生新的臨時(shí)過濾規(guī)則或者把已經(jīng)存在的過濾規(guī)則進(jìn)行修改，從而阻止該有害數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳輸，但是由于動(dòng)態(tài)包過濾需要消耗額外的資源和時(shí)間來提取數(shù)據(jù)包內(nèi)容進(jìn)行判斷處理，所以與靜態(tài)包過濾相比，它會(huì)降低運(yùn)行效率，但是靜態(tài)包過濾已經(jīng)幾乎退出市場了，我們能選擇的，大部分也只有動(dòng)態(tài)包過濾防火墻了。

　　基于包過濾技術(shù)的防火墻，其缺點(diǎn)是很顯著的：它得以進(jìn)行正常工作的一切依據(jù)都在于過濾規(guī)則的實(shí)施，但是偏又不能滿足建立精細(xì)規(guī)則的要求(規(guī)則數(shù)量和防火墻性能成反比)，而且它只能工作于網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，并不能判斷高級(jí)協(xié)議里的數(shù)據(jù)是否有害，但是由于它廉價(jià)，容易實(shí)現(xiàn)，所以它依然服役在各種領(lǐng)域，在技術(shù)人員頻繁的設(shè)置下為我們工作著。

　　2.應(yīng)用代理技術(shù)

　　由于包過濾技術(shù)無法提供完善的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，而且一些特殊的報(bào)文攻擊僅僅使用過濾的方法并不能消除危害(如SYN攻擊、ICMP洪水等)，因此人們需要一種更全面的防火墻保護(hù)技術(shù)，在這樣的需求背景下，采用“應(yīng)用代理”(Application Proxy)技術(shù)的防火墻誕生了。我們的讀者還記得“代理”的概念嗎?代理服務(wù)器作為一個(gè)為用戶保密或者突破訪問限制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道，在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用廣泛。我們都知道，一個(gè)完整的代理設(shè)備包含一個(gè)服務(wù)端和客戶端，服務(wù)端接收來自用戶的請(qǐng)求，調(diào)用自身的客戶端模擬一個(gè)基于用戶請(qǐng)求的連接到目標(biāo)服務(wù)器，再把目標(biāo)服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，完成一次代理工作過程。那么，如果在一臺(tái)代理設(shè)備的服務(wù)端和客戶端之間連接一個(gè)過濾措施呢?這樣的思想便造就了“應(yīng)用代理”防火墻，這種防火墻實(shí)際上就是一臺(tái)小型的帶有數(shù)據(jù)檢測過濾功能的透明代理服務(wù)器(Transparent Proxy)，但是它并不是單純的在一個(gè)代理設(shè)備中嵌入包過濾技術(shù)，而是一種被稱為“應(yīng)用協(xié)議分析”(Application Protocol Analysis)的新技術(shù)。

　　“應(yīng)用協(xié)議分析”技術(shù)工作在OSI模型的最高層——應(yīng)用層上，在這一層里能接觸到的所有數(shù)據(jù)都是最終形式，也就是說，防火墻“看到”的數(shù)據(jù)和我們看到的是一樣的，而不是一個(gè)個(gè)帶著地址端口協(xié)議等原始內(nèi)容的數(shù)據(jù)包，因而它可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的數(shù)據(jù)檢測過程。整個(gè)代理防火墻把自身映射為一條透明線路，在用戶方面和外界線路看來，它們之間的連接并沒有任何阻礙，但是這個(gè)連接的數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)際上是經(jīng)過了代理防火墻轉(zhuǎn)向的，當(dāng)外界數(shù)據(jù)進(jìn)入代理防火墻的客戶端時(shí)，“應(yīng)用協(xié)議分析”模塊便根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議處理這個(gè)數(shù)據(jù)，通過預(yù)置的處理規(guī)則(沒錯(cuò)，又是規(guī)則，防火墻離不開規(guī)則)查詢這個(gè)數(shù)據(jù)是否帶有危害，由于這一層面對(duì)的已經(jīng)不再是組合有限的報(bào)文協(xié)議，甚至可以識(shí)別類似于“GET /sql.asp?id=1 and 1”的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所以防火墻不僅能根據(jù)數(shù)據(jù)層提供的信息判斷數(shù)據(jù)，更能像管理員分析服務(wù)器日志那樣“看”內(nèi)容辨危害。而且由于工作在應(yīng)用層，防火墻還可以實(shí)現(xiàn)雙向限制，在過濾外部網(wǎng)絡(luò)有害數(shù)據(jù)的同時(shí)也監(jiān)控著內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的信息，管理員可以配置防火墻實(shí)現(xiàn)一個(gè)身份驗(yàn)證和連接時(shí)限的功能，進(jìn)一步防止內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息泄漏的隱患。最后，由于代理防火墻采取是代理機(jī)制進(jìn)行工作，內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信都需先經(jīng)過代理服務(wù)器審核，通過后再由代理服務(wù)器連接，根本沒有給分隔在內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)兩邊的計(jì)算機(jī)直接會(huì)話的機(jī)會(huì)，可以避免入侵者使用“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”攻擊方式(一種能通過包過濾技術(shù)防火墻規(guī)則的數(shù)據(jù)報(bào)文，但是當(dāng)它進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理后，卻變成能夠修改系統(tǒng)設(shè)置和用戶數(shù)據(jù)的惡意代碼)滲透內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，可以說，“應(yīng)用代理”是比包過濾技術(shù)更完善的防火墻技術(shù)。

　　但是，似乎任何東西都不可能逃避“墨菲定律”的規(guī)則，代理型防火墻的結(jié)構(gòu)特征偏偏正是它的最大缺點(diǎn)，由于它是基于代理技術(shù)的，通過防火墻的每個(gè)連接都必須建立在為之創(chuàng)建的代理程序進(jìn)程上，而代理進(jìn)程自身是要消耗一定時(shí)間的，更何況代理進(jìn)程里還有一套復(fù)雜的協(xié)議分析機(jī)制在同時(shí)工作，于是數(shù)據(jù)在通過代理防火墻時(shí)就不可避免的發(fā)生數(shù)據(jù)遲滯現(xiàn)象，換個(gè)形象的說法，每個(gè)數(shù)據(jù)連接在經(jīng)過代理防火墻時(shí)都會(huì)先被請(qǐng)進(jìn)保安室喝杯茶搜搜身再繼續(xù)趕路，而保安的工作速度并不能很快。代理防火墻是以犧牲速度為代價(jià)換取了比包過濾防火墻更高的安全性能，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量不是很大的情況下，也許用戶不會(huì)察覺到什么，然而到了數(shù)據(jù)交換頻繁的時(shí)刻，代理防火墻就成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，而且一旦防火墻的硬件配置支撐不住高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)流量而發(fā)生罷工，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能就會(huì)因此癱瘓了。所以，代理防火墻的普及范圍還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及包過濾型防火墻，而在軟件防火墻方面更是幾乎沒見過類似產(chǎn)品了——單機(jī)并不具備代理技術(shù)所需的條件，所以就目前整個(gè)龐大的軟件防火墻市場來說，代理防火墻很難有立足之地。

　　3.狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)

　　這是繼“包過濾”技術(shù)和“應(yīng)用代理”技術(shù)后發(fā)展的防火墻技術(shù)，它是CheckPoint技術(shù)公司在基于“包過濾”原理的“動(dòng)態(tài)包過濾”技術(shù)發(fā)展而來的，與之類似的有其他廠商聯(lián)合發(fā)展的“深度包檢測”(Deep Packet Inspection)技術(shù)。這種防火墻技術(shù)通過一種被稱為“狀態(tài)監(jiān)視”的模塊，在不影響網(wǎng)絡(luò)安全正常工作的前提下采用抽取相關(guān)數(shù)據(jù)的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的各個(gè)層次實(shí)行監(jiān)測，并根據(jù)各種過濾規(guī)則作出安全決策。

　　“狀態(tài)監(jiān)視”(Stateful Inspection)技術(shù)在保留了對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的頭部、協(xié)議、地址、端口、類型等信息進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了“會(huì)話過濾”(Session Filtering)功能，在每個(gè)連接建立時(shí)，防火墻會(huì)為這個(gè)連接構(gòu)造一個(gè)會(huì)話狀態(tài)，里面包含了這個(gè)連接數(shù)據(jù)包的所有信息，以后這個(gè)連接都基于這個(gè)狀態(tài)信息進(jìn)行，這種檢測的高明之處是能對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)視，一旦建立了一個(gè)會(huì)話狀態(tài)，則此后的數(shù)據(jù)傳輸都要以此會(huì)話狀態(tài)作為依據(jù)，例如一個(gè)連接的數(shù)據(jù)包源端口是8000，那么在以后的數(shù)據(jù)傳輸過程里防火墻都會(huì)審核這個(gè)包的源端口還是不是8000，否則這個(gè)數(shù)據(jù)包就被攔截，而且會(huì)話狀態(tài)的保留是有時(shí)間限制的，在超時(shí)的范圍內(nèi)如果沒有再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這個(gè)會(huì)話狀態(tài)就會(huì)被丟棄。狀態(tài)監(jiān)視可以對(duì)包內(nèi)容進(jìn)行分析，從而擺脫了傳統(tǒng)防火墻僅局限于幾個(gè)包頭部信息的檢測弱點(diǎn)，而且這種防火墻不必開放過多端口，進(jìn)一步杜絕了可能因?yàn)殚_放端口過多而帶來的安全隱患。

　　由于狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)相當(dāng)于結(jié)合了包過濾技術(shù)和應(yīng)用代理技術(shù)，因此是最先進(jìn)的，但是由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中還不能做到真正的完全有效的數(shù)據(jù)安全檢測，而且在一般的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)上很難設(shè)計(jì)出基于此技術(shù)的完善防御措施(市面上大部分軟件防火墻使用的其實(shí)只是包過濾技術(shù)加上一點(diǎn)其他新特性而已)。

　　四. 技術(shù)展望

　　防火墻作為維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵設(shè)備，在目前采用的網(wǎng)絡(luò)安全的防范體系中，占據(jù)著舉足輕重的位置。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，越來越多的企業(yè)與個(gè)體都遭遇到不同程度的安全難題，因此市場對(duì)防火墻的設(shè)備需求和技術(shù)要求都在不斷提升，而且越來越嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全問題也要求防火墻技術(shù)有更快的提高，否則將會(huì)在面對(duì)新一輪入侵手法時(shí)束手無策。

　　多功能、高安全性的防火墻可以讓用戶網(wǎng)絡(luò)更加無憂，但前提是要確保網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，因此在防火墻發(fā)展過程中，必須始終將高性能放在主要位置，目前各大廠商正在朝這個(gè)方向努力，而且豐富的產(chǎn)品功能也是用戶選擇防火墻的依據(jù)之一，一款完善的防火墻產(chǎn)品，應(yīng)該包含有訪問控制、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、代理、認(rèn)證、日志審計(jì)等基礎(chǔ)功能，并擁有自己特色的安全相關(guān)技術(shù)，如規(guī)則簡化方案等，明天的防火墻技術(shù)將會(huì)如何發(fā)展，讓我們拭目以待。

　　防火墻：功夫到七層

　　在短短的幾年里，防火墻的功能重心從網(wǎng)絡(luò)層發(fā)展到了應(yīng)用層。本文結(jié)合Microsoft ISA Server的發(fā)展，闡述了這種變遷的技術(shù)背景，以及未來的防火墻技術(shù)走向。

　　應(yīng)用層攻擊挑戰(zhàn)傳統(tǒng)防火墻

　　最近兩年來，攻擊者的興趣明顯從端口掃描和制造拒絕服務(wù)攻擊(DoS Attack)轉(zhuǎn)向了針對(duì)Web、E-mail甚至數(shù)據(jù)庫等主流應(yīng)用的攻擊。傳統(tǒng)的防火墻僅僅檢查IP數(shù)據(jù)包的包頭，而忽略了內(nèi)容——如果用信件來做比喻，也就是只檢查了信封而沒有檢查信紙。因此對(duì)這類應(yīng)用層的攻擊無能為力?？梢哉f，僅僅靠第三層和第四層的IP地址和協(xié)議端口過濾的防火墻產(chǎn)品早已走到了盡頭。

　　戰(zhàn)火燒向七層

　　為了對(duì)抗應(yīng)用層(OSI網(wǎng)絡(luò)模型的第七層)的攻擊，防火墻必須具備應(yīng)用層的過濾能力，Microsoft ISA Server 2004等防火墻產(chǎn)品已經(jīng)具備了這種能力。

　　如果把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)比做一座建筑，傳統(tǒng)的包過濾防火墻就是在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和Internet之間的一系列并列的門。每道門都有安檢人員對(duì)到達(dá)的包裹(IP數(shù)據(jù)包)進(jìn)行逐一檢查，若沒有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包含有異常代碼便開門放行。攻擊者常用的伎倆就是通過端口掃描來檢查哪些門是敞開不設(shè)防的，然后加以利用。晚些時(shí)候出現(xiàn)的具有狀態(tài)檢測δ艿姆闌鵯嬌梢約觳檳男┦?蒞?搶醋訧nternet對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問請(qǐng)求的應(yīng)答。也就是說，安檢人員能夠鑒別那些不請(qǐng)自來的包裹。

　　但應(yīng)用層攻擊就要復(fù)雜得多，因?yàn)楣魯?shù)據(jù)包在絕大多數(shù)情況下是合法的數(shù)據(jù)包，不同的只是內(nèi)容具有攻擊性，而且因?yàn)镮P數(shù)據(jù)包是分段傳輸?shù)模鋬?nèi)容的判別需要將所有相關(guān)的包重組后才能準(zhǔn)確進(jìn)行。一旦這種攻擊數(shù)據(jù)包通過了防火墻，它們通常會(huì)開始有條不紊地利用目標(biāo)系統(tǒng)的漏洞制造緩沖區(qū)溢出，獲得系統(tǒng)的控制權(quán)，然后以此為平臺(tái)開始尋找周圍其他系統(tǒng)的漏洞或者其他的蠕蟲留下的后門，進(jìn)而展開攻擊。

　　防火墻的對(duì)策

　　對(duì)此，Microsoft ISA Server 2004采取的應(yīng)對(duì)措施是，針對(duì)每一類主流的應(yīng)用， HTTP、SMTP、FTP和SQL Server數(shù)據(jù)庫訪問(基于RPC)都設(shè)置專門的過濾器，如果未來出現(xiàn)新的應(yīng)用層威脅，還可以增加相應(yīng)的過濾器。用戶可以針對(duì)每一種過濾器進(jìn)行應(yīng)用相關(guān)的過濾設(shè)置，例如，可以通過限制任何HTTP訪問請(qǐng)求的緩沖區(qū)不得超過3000個(gè)字節(jié)來防止一些蠕蟲的攻擊。在這種新的機(jī)制下，來自Internet的數(shù)據(jù)包被發(fā)送到各自的過濾器，過濾器會(huì)將數(shù)據(jù)包重組后進(jìn)行內(nèi)容掃描和判別。拿一封郵件來說，SMTP過濾器會(huì)等待相關(guān)的包到齊后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前重組郵件對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行掃描，與已知類型的攻擊進(jìn)行比對(duì)，在確認(rèn)這是正常流量后才允許通過。

　　經(jīng)過正確配置的現(xiàn)代防火墻可以阻擋絕大多數(shù)已知的病毒郵件和攻擊代碼。雖然阻擋未知的病毒和攻擊要困難得多，但是經(jīng)過合理的策略設(shè)置通常是有效的。正確設(shè)置策略的基礎(chǔ)是企業(yè)用戶對(duì)于自身業(yè)務(wù)需求的正確理解，例如，多數(shù)企業(yè)的用戶通常是沒有必要通過郵件來傳遞可執(zhí)行文件和Visual Basic腳本代碼的。用戶可以通過阻斷含有這類可執(zhí)行附件的郵件來對(duì)付一些未知的病毒。一旦真的需要發(fā)送這類文件，也可以設(shè)置更有針對(duì)性的策略，比如只允許IT部門的用戶發(fā)送含有可執(zhí)行文件附件郵件，或者允許用戶接收除含有名為“Kournikova.jpg.vbs”的腳本附件之外的所有郵件。

　　安全與性能的矛盾

　　用戶早已習(xí)慣于把安全性和性能看成是對(duì)立的，就像在機(jī)場的安檢入口，檢查的步驟越多，等待安檢的隊(duì)伍也就越長。對(duì)于防火墻來說，性能和安全的確是一對(duì)永遠(yuǎn)的矛盾，但是應(yīng)用層過濾的功能對(duì)防火墻性能的影響并沒有多數(shù)用戶想象得那么大，Microsoft ISA Server 2004標(biāo)稱每秒鐘可處理超過1000個(gè)并發(fā)用戶，同時(shí)保持每會(huì)話(session)27Mbps的吞吐量。事實(shí)上，有些廠商通過硬件(ASIC)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的過濾引擎，能夠達(dá)到更加接近線速(可理解為以太網(wǎng)交換機(jī)的處理極限)的處理能力。

　　新的挑戰(zhàn)

　　具有應(yīng)用層過濾功能的防火墻可以更有效地阻擋當(dāng)前多數(shù)病毒和攻擊程序，但新的安全威脅的不斷出現(xiàn)又對(duì)防火墻提出了新的挑戰(zhàn)。攻擊的來源正在變得更加復(fù)雜，而攻擊的手段也愈加高明，最近垃圾郵件與攻擊代碼的結(jié)合就是一個(gè)典型的例證。這一方面需要防火墻設(shè)備對(duì)于應(yīng)用層的內(nèi)容有更好的認(rèn)知和智能判別的能力，另一方面也需要防火墻更多地與其他的安全設(shè)備和應(yīng)用有效配合，從而實(shí)現(xiàn)更加有力的防護(hù)。

　　這就是防火墻了。