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网络安全
黄玮
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第八章 防火墙

温故

  • 网络与系统渗透无孔不入
    • 人
    • 应用程序
    • 网络设备
    • 主机/服务器操作系统
    • 物理设备
  • 掌握网络与系统渗透方法
    • 知己知彼，百战不殆

知新

  • 防火墙在网络与系统防御中的作用和地位
  • 防火墙实现的关键技术
  • 防火墙实例及应用

防火墙概述

定义

在两个 信任程度不同 的网络之间设置的、用于加强 访问控制 的 软硬件 保护措施。

信任程度不同的网络

  • 外网：外部网络，不仅包括互联网，泛指一切非当前防火墙保护范围的网络
  • 内网：内部网络，此处特指防火墙保护范围内的网络
  • 边界：外网和内网之间的通信过程必须经过「防火墙」的 访问控制 ，此时防火墙在整个网络拓扑中的逻辑位置相当于就是网络「边界」

访问控制 {id="network-acl-1"}

  • 入站（Inbound）。从 外网 发起，目的地是 内网 的流量方向
  • 出站（Outbound）。从 内网 发起，目的地是 外网 的流量方向
  • 防外不防内
    • 防外：与外部网络有关的流量可以被防火墙审查，进而达到保护效果
    • 不防内：非 入站 和 出站 流量，属于内部网络中节点之间的流量由于不流经防火墙，所以防火墙无法对流量进行审查，自然就无法保护了

访问控制 {id="network-acl-2"}

  • 粗粒度防护：取决于网络防火墙对网络流量的检查 粒度 ，绝大多数情况下我们使用的都是网络层防火墙，不具备 深度包检测 能力
  • 深度包检测（Deep Packet Insepction, DPI）：又称 完全数据包探测（complete packet inspection） 或 信息萃取（Information eXtraction，IX），是一种网络数据包过滤技术，用来检查通过检测点数据包的内容负载部分（也可能包含其报文头部）

为什么要强调 深度包检测 这个概念？

因为只有看见，才能让「访问控制」有的放矢，才能落实保护。

防火墙发展简史

“上古” 防火墙 {id="legacy-fw"}

  • 第一代防火墙
    • 采用了包过滤技术
  • 第二代、第三代防火墙
    • 1989 年，推出了电路层防火墙和应用层防火墙的初步结构
  • 第四代防火墙
    • 1992 年，开发出了基于动态包过滤技术的第四代防火墙
  • 第五代防火墙
    • 1998 年，NAI公司推出一种自适应代理技术，可以称之为第五代防火墙

现代防火墙 {id="modern-fw"}

  • 一体化安全网关 UTM
    • 统一威胁管理
    • 整合防火墙、入侵检测、入侵保护、防病毒、防垃圾邮件等综合功能
  • 应用防火墙
    • 又可以称为IPS：入侵保护
    • 普遍采用了 深度包检测 技术
      • 病毒防火墙
      • Web 防火墙
      • VoIP 防火墙
      • 。。。

防火墙现状与发展 {id="fw-status-and-future-1"}

防火墙现状与发展 {id="fw-status-and-future-2"}

  • 持续发展的 深度包检测
    • 支持识别的应用层协议种类越来越多
    • 加密流量的处理方式「八仙过海各显神通」
    • 集成恶意代码、垃圾信息检测等多样化防护能力
  • 增值功能越来越多
    • 代理、负载均衡、计费、VPN 等
  • 满足云计算环境中的防火墙部署需求
    • 虚拟化能力
    • SDN 能力

华为、深信服（Sangfor）、启明星辰（Venustech）、山石网科（Hillstone）、新华三（H3C）

防火墙技术原理

防火墙关键技术

  • 包过滤技术
  • 状态检测技术
  • 应用级代理技术

包过滤技术

检查数据包的报头信息

  1. IP 数据报的源 IP 地址、目的 IP 地址、协议类型，选项字段等
  2. TCP 数据包的源端口、目标端口、标志段等
  3. UDP 数据包的源端口、目标端口
  4. ICMP 类型

包过滤技术的优点

  • 不需要内部网络用户做任何配置，对用户来说是完全透明的
  • 过滤速度快，效率高

包过滤技术的缺点

  • 不能进行数据内容级别的访问控制
  • 一些应用协议不适合用数据报过滤
  • 过滤规则的配置复杂，容易产生冲突和漏洞

状态检测技术

状态检测技术的优点

  • 状态表是动态建立的，可以实现对一些复杂协议建立的临时端口进行有效的管理
  • 状态检测技术是为每一个会话连接建立、维护其状态信息，并利用这些状态信息对数据包进行过滤
  • 动态状态表是状态检测防火墙的核心，利用其可以实现比包过滤防火墙更强的控制访问能力

状态检测技术的缺点

  • 没有对数据包内容进行检测，不能进行数据内容级别的控制
  • 允许外网主机与内网主机直接连接，增加了内网主机被外部攻击者直接攻击的风险

应用级代理

应用级代理示例

应用级代理优点

  • 内部网络的拓扑、IP 地址等被代理防火墙屏蔽，能有效实现内外网络的隔离
  • 具有强鉴别和日志能力，支持用户身份识别，实现用户级的安全
  • 能进行数据内容的检查，实现基于内容的过滤，对通信进行严密的监控
  • 过滤规则比数据包过滤规则简单

应用级代理缺点

  • 代理服务的额外处理请求降低了过滤性能，其过滤速度比包过滤器速度慢
  • 需要为每一种应用服务编写代理软件模块，提供的服务数目有限
  • 对操作系统的依赖程度高，容易因操作系统和应用软件的缺陷而受到攻击

防火墙的实现技术

以 Linux 操作系统上的 Netfilter/iptables 机制为例

Netfilter/iptables 框架简介

  • Netfilter/iptables 从 Linux 内核版本 2.4 开始，默认被包含在内核源代码树中
  • 可以对操作系统的流入和流出数据报文进行控制
    • 防火墙
    • NAT
    • 数据报文自定义修改
  • Netfilter 工作在系统内核层
  • iptables 工作在用户态

Netfilter/iptables 架构 {id="netfilter-iptables-arch-1"}

Netfilter/iptables 架构 {id="netfilter-iptables-arch-2"}

iptables 基本概念 {id="iptables-basics-1"}

  • 表(tables)
    • filter表、nat表、mangle表、raw表
  • 链(chains)
    • 数据包的传输路径，每条链其实就是众多规则中的一个检查清单
      • Input、Forward、PreRouting、PostRouting、Output
  • 规则(rules)
    • 网络管理员预定义的网络 访问控制策略

iptables 基本概念 {id="iptables-basics-2"}

  • filter 表
    • 报文过滤
    • 只读过滤报文
  • nat 表
    • 实现 NAT 服务
  • mangle表
    • 报文处理：修改报文和附加额外数据到报文
  • raw表
    • 可以对收到的报文在连接跟踪前进行处理
    • 只作用于 PreRouting 和 Output 链

iptables 中的报文检查流程 {id="iptables-workflow"}

raw > mangle > nat > filter

netfilter 架构的数据流图 {id="netfilter-internal-workflow"}

部署了 Netfilter/iptables 的操作系统 {id="netfilter-iptables-on-host"}

硬件防火墙

  • 通用 CPU 架构
  • ASIC 架构
  • 网络处理器架构

通用 CPU 架构防火墙 {id="x86-fw"}

  • 又被称为x86架构
    • 采用通用CPU和PCI总线接口
  • 可编程性高
    • 更灵活
    • 更易扩展
  • 产品功能主要由软件实现
  • 代表产品
    • 大部分的开源/商业软件防火墙（基于*nix系统）

ASIC 架构防火墙 {id="asic-fw"}

  • Application Specific Integrated Circuit
    • 专用集成电路
    • 一种带有逻辑处理的加速处理器
  • 把一些原先由 CPU 完成的经常性和重复工作交给 ASIC 芯片来负责完成
    • 交换机、路由器、智能 IC 卡
  • 通常配合通用CPU单元来完成复杂运算
  • 代表产品
    • 大部分国外的商业硬件防火墙

NP 架构防火墙 {id="np-fw"}

  • Network Processor：网络处理器
  • 通用 CPU 架构和 ASIC 架构的折衷
    • 开发难度
    • 性能
    • 灵活性/可扩展性
  • 代表产品
    • 大部分国内的商业硬件防火墙

三种硬件架构的横向比较

架构类型 X86 NP ASIC
灵活性 ★★★ ★★ ★
扩展性 ★★★ ★★ ★
性能 ★ ★★ ★★★
安全性 ★ ★★ ★★★
价格 低 中等 较高

防火墙的配置和应用 {id="setup-iptables"}

路由模式

透明模式

混合模式

防火墙部署的其他细节 {id="fw-setup-tips-1"}

  • 双机热备模式
    • 避免单点故障
  • 负载均衡模式
    • 性能扩展
    • 避免单点故障

负载均衡模式部署的防火墙

防火墙部署的其他细节 {id="fw-setup-tips-2"}

单机防火墙配置

  • ufw
    • ufw 简介
    • ufw 使用
  • iptables
    • iptables 简介
    • iptables 使用

UFW - Uncomplicated Firewall

  • UFW 是 Ubuntu 开发团队为 Ubuntu 发行版量身定制的简化版 iptables 命令行配置工具

ufw 使用 {id="ufw-howto-use"}

UFW 官网文档

iptables

sudo iptables --help

推荐的 iptables 规则管理方法 {id="recommended-rules-manage"}

# 需要 root 权限
# 导出当前防火墙规则到文件
iptables-save > iptables.rules

# 备份当前规则文件
cp iptables.rules iptables.rules.bak

# 用文本编辑器编辑上一步备份出来的当前 iptables 规则文件的副本 iptables.rules

# 应用编辑后的防火墙规则
# -c  指定在还原 iptables 时候，重置当前的数据包计数器和字节计数器的值为零
iptables-restore < iptables.rules

# 随时可以使用之前备份的 iptables.rules.bak 来重置回最近一次没问题的规则

基于防火墙实现 NAT {id="nat-based-on-fw"}

  • 私有地址（private address）属于非注册地址，是专门为组织机构内部使用而划定的。如下图：

  • NAT 是将一个地址域（如专用 Intranet）映射到另一个地址域（如 Internet）的标准方法
  • NAT 可以将内部网络中的所有节点的地址转换成一个 IP 地址，反之亦然
  • 可以应用到防火墙技术里，把个别 IP 地址隐藏起来不被外部发现，使外部无法直接访问内部网络设备

NAT 工作原理 {id="nat-internals"}

  • 静态网络地址转换
  • 动态网络地址转换
  • 网络地址端口映射

静态地址转换

  • 将公网 IP 地址一一对应地转换为内部私有 IP 地址

动态地址转换

  • 将内部本地地址与内部合法地址一对一的进行转换 与静态地址转换不同的是它是从内部合法地址池动态分配临时的 IP 地址来对内部本地地址进行转换

网络地址端口映射

将公网 IP 映射到私有 IP ，而外网多个 IP 被映射到同一内部共有 IP 地址的不同端口

防火墙规则调试和审查

防火墙规则调试

按照课本里的 实验四：防火墙规则调试 动手实验完成。

防火墙规则审查

  • 静态分析工具（主要是商业工具，缺开源解决方案）
    • 防火墙规则的语义理解
      • 数据流图分析
      • 自动化规则树生成
  • 黑盒测试工具
    • 基于网络扫描器的模糊测试

nftables

摘录 nftables 官网 的一句话描述

nftables replaces the popular {ip,ip6,arp,eb}tables. This software provides a new in-kernel packet classification framework that is based on a network-specific Virtual Machine (VM) and a new nft userspace command line tool. nftables reuses the existing Netfilter subsystems such as the existing hook infrastructure, the connection tracking system, NAT, userspace queueing and logging subsystem.

nftables 与 iptables 的关系 {id="nftables-vs-iptables"}

  • 均基于 Netfilter 内核
  • nftables 简化了配置语法和新增了「语法糖」
    • 一个工具整合了多重协议栈多个独立工具 {ip,ip6,arp,eb}tables
    • 允许一条规则定义多重匹配条件
    • 允许一条规则匹配后执行多个 action
  • nftables 提升了规则匹配和报文处理性能
  • nftables 支持导出数据为 JSON 和 XML 格式
  • nftables 增强了调试便利性
  • nftables 没有内置默认「表/链」

从 iptables 迁移到 nftables {id="moving-from-iptables-to-nftables"}

# 检查当前系统内核是否加载了 nf_tables 内核模块
modinfo nf_tables
# 如下输出信息表示已加载
# filename:       /lib/modules/5.7.0-kali1-amd64/kernel/net/netfilter/nf_tables.ko
# alias:          nfnetlink-subsys-10
# author:         Patrick McHardy <kaber@trash.net>
# license:        GPL
# depends:        nfnetlink
# retpoline:      Y
# intree:         Y
# name:           nf_tables
# vermagic:       5.7.0-kali1-amd64 SMP mod_unload modversions

# 检查加载了哪些 nf_tables 有关的模块
lsmod | grep nf_tableso
# nf_tables             229376  237 nft_compat,nft_counter,nft_chain_nat
# nfnetlink              16384  4 nft_compat,nf_conntrack_netlink,nf_tables
# 检查当前系统上是否已安装 nftables 工具

apt policy nftables
# nftables:
#   Installed: 0.9.6-1
#   Candidate: 0.9.6-1
#   Version table:
#  *** 0.9.6-1 500
#         500 http://http.kali.org/kali kali-rolling/main amd64 Packages
#         100 /var/lib/dpkg/status

# 如果没有安装，则执行安装操作
sudo apt update && sudo apt install nftables

# 导出 iptables 规则
iptables-save > iptables.rules

# 使用 iptables-restore-translate 翻译 iptables 规则并保存
iptables-restore-translate -f iptables.rules > ruleset.nft

# 查看当前 nftables 规则
nft list ruleset

# 确认已备份当前主机的防火墙规则
# nftables 已加载了当前防火墙规则
# 清空 iptables 规则，并准备禁用 iptables 只保留 nftables 用来规则防火墙规则
sudo iptables -F
sudo ip6tables -F

主流 Linux 发行版对 nftables 的支持情况

网闸

  • 其他别名：安全隔离与信息交换系统 / 物理隔离网闸 / 安全隔离网闸
  • 实现 不同安全级别网络 之间的安全隔离，并提供适度可控的 数据交换 的软硬件系统
    • 从「隔离」网络的角度来说，和防火墙的作用有相似之处

网闸与防火墙的区别与联系 {id="ng-vs-fw-1"}

  • 网闸是相对新的一个产品概念，与防火墙相比，网闸缺少标准化的学术模型
    • 只应用在「高安全等级」网络保护环境
  • 网闸直接采用 物理隔离 方式实现 不同信任程度 之间网络的隔离

网闸与防火墙的区别与联系 {id="ng-vs-fw-2"}

  • 网闸采用基于非 TCP/IP 协议的 数据交换 方式，杜绝基于 TCP/IP 协议的网络攻击手段
  • 网闸软硬件实现均不基于通用操作系统，而是走定制化（基于 BSD 或精简安全加固后 Linux 系统、嵌入式操作系统 VxWorks 等）专用操作系统路线
  • 网闸不支持跨网络的访问，不同网络之间实现 通信协议 级别隔离，只支持 数据交换 ，且同一时刻只允许「 单向 数据流动」
    • 类似「自动化」U 盘数据摆渡系统

防水墙

填补防火墙「防外不防内」的防护能力空白：专注于「内部网络」安全问题

  • 信息泄露
  • 限制内网的「横向移动」行为
  • 和网闸类似，防水墙同样缺少标准化的学术模型，防水墙的安全能力边界并没有统一定义
  • 缺少开源解决方案，只有商业解决方案

课后思考题

  1. 防火墙的典型网络部署方式有哪些
  2. 防火墙能实现的和不能实现的防护各有哪些