防火墙技术

防火墙技术

摘 要：因特网的迅猛发展给人们的生活带来了极大的方便，但同时因特网也面临着空前的威胁。因此，如何使用有效可行的方法使网络危险降到人们可接受的范围之内越来越受到人们的关注。而如何实施防范策略，首先取决于当前系统的安全性。所以对网络安全的各独立元素——防火墙、漏洞扫描、入侵检测和反病毒等进行风险评估是很有必要的。防火墙技术作为时下比较成熟的一种网络安全技术，其安全性直接关系到用户的切身利益。针对网络安全独立元素——防火墙技术，通过对防火墙日志文件的分析，设计相应的数学模型和软件雏形，采用打分制的方法，判断系统的安全等级，实现对目标网络的网络安全风险评估，为提高系统的安全性提供科学依据。

关键词： 网络安全，防火墙

1防火墙的概念

防火墙是设置在被保护网络和外部网络之间的一道屏障，以防止发生不可预测的、潜在破坏性的侵入。防火墙是指设置在不同网络(如可信任的企业内部网和不可信的公共网)或网络安全域之间的一系列部件的组合。它是不同网络或网络安全域之间信息的唯一出入口，能根据企业的安全政策控制(允许、拒绝、监测)出入网络的信息流，且本身具有较强的抗攻击能力。它是提供信息安全服务，实现网络和信息安全的基础设施。防火墙提供信息安全服务，是实现网络和信息安全的基础设施。在逻辑上，防火墙是一个分离器，一个限制器，也是一个分析器，它有效地监控了内部网络和互联网之间的任何活动，保证了内部网络的安全。

1.1 传统防火墙介绍

目前的防火墙技术无论从技术上还是从产品发展历程上，都经历了五个发展历程。

第一代防火墙技术几乎与路由器同时出现，采用了包过滤（Packet filter）技术。

第二代、第三代防火墙：1989年，贝尔实验室的Dave Presotto和Howard Trickey推出了第二代防火墙，即电路层防火墙，同时提出了第三代防火墙——应用层防火墙（代理防火墙）的初步结构。

第四代防火墙：1992年，USC信息科学院的BobBraden开发出了基于动态包过滤（Dynamic packet filter）技术的第四代防火墙，后来演变为目前所说的状态监视（Stateful inspection）技术。1994年，以色列的CheckPoint公司开发出了第一个采用这种技术的商业化的产品。

第五代防火墙：1998年，NAI公司推出了一种自适应代理（Adaptive proxy）技术，并在其产品Gauntlet Firewall for NT中得以实现，给代理类型的防火墙赋予了全新的意义，可以称之为第五代防火墙。

1.2 智能防火墙简介

智能防火墙是相对传统的防火墙而言的，从技术特征上智能防火墙是利用统计、记忆、概率和决策的智能方法来对数据进行识别，并达到访问控制的目的。新的数学方法，消除了匹配检查所需要的海量计算，高效发现网络行为的特征值，直接进行访问控制。由于这些方法多是人工智能学科采用的方法，因此，又称为智能防火墙。

2 防火墙的功能

2.1 防火墙的主要功能

1）包过滤。

包过滤是一种网络的数据安全保护机制，它可用来控制流出和流入网络的数据，它通常由定义的各条数据安全规则所组成，防火墙设置可基于源地址、源端口、目的地址、目的端口、协议和时间;可根据地址簿进行设置规则。

2）地址转换。

网络地址变换是将内部网络或外部网络的IP地址转换，可分为源地址转换Source NAT(SNAT)和目的地址转换Destination NAT(DNAT)。

3）认证和应用代理。

认证指防火墙对访问网络者合法身分的确定。代理指防火墙内置用户认证数据库;提供HTTP、FTP和SMTP代理功能，并可对这三种协议进行访问控制;同时支持URL过滤功能。

4）透明和路由

指防火墙将网关隐藏在公共系统之后使其免遭直接攻击。隐蔽智能网关提供了对互联网服务进行几乎透明的访问，同时阻止了外部未授权访问者对专用网络的非法访问;防火墙还支持路由方式，提供静态路由功能，支持内部多个子网之间的安全访问。

2.2 入侵检测功能

入侵检测技术就是一种主动保护自己免受黑客攻击的一种网络安全技术，包括以下：

1）反端口扫描。 2）检测拒绝服务攻击

3）检测多种缓冲区溢出攻击(Buffer Overflow)。 4）检测CGI/IIS服务器入侵。

5）检测后门、木马及其网络蠕虫。

3 防火墙的原理及分类

国际计算机安全委员会ICSA将防火墙分成三大类:包过滤防火墙，应用级代理服务器以及状态包检测防火墙。

3.1包过滤防火墙

顾名思义，包过滤防火墙就是把接收到的每个数据包同预先设定的包过滤规则相比较，从而决定是否阻塞或通过。过滤规则是基于网络层IP包包头信息的比较。包过滤防火墙工作在网络层，IP包的包头中包含源、目的IP地址，封装协议类型，TCP/UDP端口号，ICMP消息类型，TCP包头中的ACK等等。如果接收的数据包与允许转发的规则相匹配，则数据包按正常情况处理;如果与拒绝转发的规则相匹配，则防火墙丢弃数据包;如果没有匹配规则，则按缺省情况处理。包过滤防火墙是速度最快的防火墙，这是因为它处于网络层，并且只是粗略的检查连接的正确性，所以在一般的传统路由器上就可以实现，对用户来说都是透明的。但是它的安全程度较低，很容易暴露内部网络，使之遭受攻击。

3.2应用级代理防火墙

应用级代理技术通过在OSI的最高层检查每一个IP包，从而实现安全策略。代理技术与包过滤技术完全不同，包过滤技术在网络层控制所有的信息流，而代理技术一直处理到应用层，在应用层实现防火墙功能。它的代理功能，就是在防火墙处终止客户连接并初始化一个新的连接到受保护的内部网络。

3.3代理服务型防火墙

代理服务(Proxy Service)也称链路级网关或TCP通道(Circuit Level Gateways or TCP Tunnels)，也有人将它归于应用级网关一类。它是针对数据包过滤和应用网关技术存在的缺点而引入的防火墙技术，其特点是将所有跨越防火墙的网络通信链路分为两段。

3.4复合型防火墙

由于对更高安全性的要求，常把基于包过滤的方法与基于应用代理的方法结合起来，形成复合型防火墙产品。这种结合通常是以下两种方案。屏蔽主机防火墙体系结构，屏蔽子网防火墙体系结构。

4 防火墙包过滤技术

就目前而言，对于局部网络的保护，防火墙仍然不失为一种有效的手段，防火墙技术主要分为包过滤和应用代理两类。其中包过滤作为最早发展起来的一种技术，其应用非常广泛。

所谓包过滤，就是对流经网络防火墙的所有数据包逐个检查，并依据所制定的安全策略来决定数据包是通过还是不通过。包过滤最主要的优点在于其速度与透明性。也正是由于此。包过滤技术历经发展演变而未被淘汰。

由于其主要是对数据包的过滤操作，所以数据包结构是包过滤技术的基础。考虑包过滤技术的发展过程，可以认为包过滤的核心问题就是如何充分利用数据包中各个字段的信息，并结合安全策略来完成防火墙的功能。

4.1传统包过滤技术

传统包过滤技术，大多是在IP层实现，它只是简单的对当前正在通过的单一数据包进行检测，查看源/目的IP地址、端口号以及协议类型(UDP/TCP)等，结合访问控制规则对数据包实施有选择的通过。这种技术实现简单，处理速度快，对应用透明，但是它存在的问题也很多，主要表现有：

1）所有可能会用到的端口都必须静态放开。 2）不能对数据传输状态进行判断。 3）无法过滤审核数据包上层的内容。

综合上述问题，传统包过滤技术的缺陷在于:(l)缺乏状态检测能力;(2)缺乏应用防御能力。(3)只对当前正在通过的单一数据包进行检测，而没有考虑前后数据包之间的联系;(4)只检查包头信息，而没有深入检测数据包的有效载荷。

4.2 动态包过滤

动态包过滤又称为基于状态的数据包过滤，是在传统包过滤技术基础之上发展起来的一项过滤技术，最早由Checkpoint提出。

与传统包过滤技术只检查单个、孤立的数据包不同，动态包过滤试图将数据包的上下文联系起来，建立一种基于状态的包过滤机制。

动态包过滤通过在内存中动态地建立和维护一个状态表，数据包到达时，对该数据包的处理方式将综合静态安全规则和数据包所处的状态进行。

4.3深度包检测

目前许多造成大规模损害的网络攻击，比如红色代码和尼姆达，都是利用了应用的弱点。利用高层协议的攻击和网络病毒的频繁出现，对防火墙提出了新的要求。防火墙必须深入检查数据包的内部来确认出恶意行为并阻止它们。

深度包检测(Deep Packet Inspection)就是针对这种需求，深入检测数据包有效载荷，执行基于应用层的内容过滤，以此提高系统应用防御能力。

应用防御的技术问题主要包括:(1)需要对有效载荷知道得更清楚;(2)也需要高速检查它的能力。

5．防火墙发展趋势

随着新的网络攻击的出现，防火墙技术也有一些新的发展趋势。这主要可以从包过滤技术、防火墙体系结构和防火墙系统管理三方面来体现。

5.1防火墙包过滤技术发展趋势

1）一些防火墙厂商把在AAA系统上运用的用户认证及其服务扩展到防火墙中，使其拥有可以支持基于用户角色的安全策略功能。该功能在无线网络应用中非常必要。具有用户身份验证的防火墙通常是采用应用级网关技术的，包过滤技术的防火墙不具有。用户身份验证功能越强，它的安全级别越高，但它给网络通信带来的负面影响也越大，因为用户身份验证需要时间，特别是加密型的用户身份验证。

2）多级过滤技术

所谓多级过滤技术，是指防火墙采用多级过滤措施，并辅以鉴别手段。在分组过滤（网络层）一级，过滤掉所有的源路由分组和假冒的IP源地址；在传输层一级，遵循过滤规则，过滤掉所有禁止出或/和入的协议和有害数据包如nuke包、圣诞树包等；在应用网关（应用层）一级，能利用FTP、SMTP等各种网关，控制和监测Internet提供的所用通用服务。这是针对以上各种已有防火墙技术的不足而产生的一种综合型过滤技术，它可以弥补以上各种单独过滤技术的不足。

这种过滤技术在分层上非常清楚，每种过滤技术对应于不同的网络层，从这个概念出发，又有很多内容可以扩展，为将来的防火墙技术发展打下基础。 3）使防火墙具有病毒防护功能。现在通常被称之为\病毒防火墙\，当然目前主要还是在个人防火墙中体现，因为它是纯软件形式，更容易实现。这种防火墙技术可以有效地防止病毒在网络中的传播，比等待攻击的发生更加积极。拥有病毒防护功能的防火墙可以大大减少公司的损失。

5.2 防火墙的体系结构发展趋势

随着网络应用的增加，对网络带宽提出了更高的要求。这意味着防火墙要能够以非常高的速率处理数据。另外，在以后几年里，多媒体应用将会越来越普遍，它要求数据穿过防火墙所带来的延迟要足够小。为了满足这种需要，一些防火墙

制造商开发了基于ASIC的防火墙和基于网络处理器的防火墙。从执行速度的角度看来，基于网络处理器的防火墙也是基于软件的解决方案，它在很大程度上依赖于软件的性能，但是由于这类防火墙中有一些专门用于处理数据层面任务的引擎，从而减轻了CPU的负担，该类防火墙的性能要比传统防火墙的性能好许多。 与基于ASIC的纯硬件防火墙相比，基于网络处理器的防火墙具有软件色彩，因而更加具有灵活性。基于ASIC的防火墙使用专门的硬件处理网络数据流，比起前两种类型的防火墙具有更好的性能。但是纯硬件的ASIC防火墙缺乏可编程性，这就使得它缺乏灵活性，从而跟不上防火墙功能的快速发展。理想的解决方案是增加ASIC芯片的可编程性，使其与软件更好地配合。这样的防火墙就可以同时满足来自灵活性和运行性能的要求。

5.3 防火墙的系统管理发展趋势

防火墙的系统管理也有一些发展趋势，主要体现在以下几个方面：

1）首先是集中式管理，分布式和分层的安全结构是将来的趋势。集中式管理可以降低管理成本，并保证在大型网络中安全策略的一致性，快速响应和快速防御也要求采用集中式管理系统。

2）强大的审计功能和自动日志分析功能。这两点的应用可以更早地发现潜在的威胁并预防攻击的发生。日志功能还可以管理员有效地发现系统中存的安全漏洞，及时地调整安全策略等各方面管理具有非常大的帮助。不过具有这种功能的防火墙通常是比较高级的，早期的静态包过滤防火墙是不具有的。 3）网络安全产品的系统化

随着网络安全技术的发展，现在有一种提法，叫做\建立以防火墙为核心的网络安全体系\。通过建立一个以防火墙为核心的安全体系，就可以为内部网络系统部署多道安全防线，各种安全技术各司其职，从各方面防御外来入侵。 如现在的IDS设备就能很好地与防火墙一起联合。一般情况下，为了确保系统的通信性能不受安全设备的影响太大，IDS设备不能像防火墙一样置于网络入口处，只能置于旁路位置。而在实际使用中，IDS的任务往往不仅在于检测，很多时候在IDS发现入侵行为以后，也需要IDS本身对入侵及时遏止。显然，要让处于旁路侦听的IDS完成这个任务又太难为，同时主链路又不能串接太多类似设备。在这种情况下，如果防火墙能和IDS、病毒检测等相关安全产品联合起来，充分发挥各自的长处，协同配合，共同建立一个有效的安全防范体系，那么系统网络的安全性就能得以明显提升。

参考文献

[1] 王艳.浅析计算机安全[J] . 电脑知识与技术.2010.

[2] 艾军.防火墙体系结构及功能分析[J].电脑知识与技术.2004.

[3] 高峰.许南山.防火墙包过滤规则问题的研究[M].计算机应用.2003. [4] 孟涛、杨磊.防火墙和安全审计[M].计算机安全.2004. [5] 郑林.防火墙原理入门[Z]. 企业.2000.

[6] 魏利华.防火墙技术及其性能研究.能源研究与信息.2004.

[7] 李剑，刘美华，曹元大.分布式防火墙系统.安全与环境学报.2002. [8] 王卫平，陈文惠，朱卫未.防火墙技术分析.信息安全与通信保密.2006. [9]林海波,网络安全与防火墙技术[M].北京清华大学出版社,2000. [10]张宝剑.计算机安全与防护技术[M].机械工业出版社,2003.

参考文献

[1] 王艳.浅析计算机安全[J] . 电脑知识与技术.2010.

[2] 艾军.防火墙体系结构及功能分析[J].电脑知识与技术.2004.

[3] 高峰.许南山.防火墙包过滤规则问题的研究[M].计算机应用.2003. [4] 孟涛、杨磊.防火墙和安全审计[M].计算机安全.2004. [5] 郑林.防火墙原理入门[Z]. 企业.2000.

[6] 魏利华.防火墙技术及其性能研究.能源研究与信息.2004.

[7] 李剑，刘美华，曹元大.分布式防火墙系统.安全与环境学报.2002. [8] 王卫平，陈文惠，朱卫未.防火墙技术分析.信息安全与通信保密.2006. [9]林海波,网络安全与防火墙技术[M].北京清华大学出版社,2000. [10]张宝剑.计算机安全与防护技术[M].机械工业出版社,2003.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7om5.html