防火墻的性能測試方案設(shè)計

隨著信息安全要求越來越高，防火墻成為必不可少的網(wǎng)絡(luò)元素。但防火墻設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的主要作用不是報文轉(zhuǎn)發(fā)，而是進(jìn)行報文檢測和訪問控制，防火墻的存在必然會對安全用戶正常使用網(wǎng)絡(luò)帶來一定影響。因此在滿足安全功能的前提下，選擇一款高性能、滿足網(wǎng)絡(luò)要求、符合預(yù)算的產(chǎn)品是非常重要的。

　　防火墻性能描述指標(biāo)

　　衡量防火墻的性能指標(biāo)主要包括吞吐量、報文轉(zhuǎn)發(fā)率、最大并發(fā)連接數(shù)、每秒新建連接數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)時延、抖動等。

　　圖1 防火墻主要性能指標(biāo)

　　l 防火墻吞吐量是指在沒有幀丟失的情況下，設(shè)備能夠接受的最大速率。其測試方法是：在測試中以一定速率發(fā)送一定數(shù)量的幀，并計算待測設(shè)備傳輸?shù)膸?，如果發(fā)送的幀與接收的幀數(shù)量相等，那么就將發(fā)送速率提高并重新測試;如果接收幀少于發(fā)送幀則降低發(fā)送速率重新測試，直至滿足沒有幀丟失時的最大發(fā)送速率，得出最終結(jié)果。吞吐量測試結(jié)果以比特/秒或字節(jié)/秒表示。

　　l 防火墻TCP并發(fā)連接數(shù)是指穿過被測設(shè)備的主機(jī)之間或主機(jī)與被測設(shè)備之間能夠同時維持的最大TCP聯(lián)接總數(shù)。防火墻TCP并發(fā)連接數(shù)的測試采用一種反復(fù)搜索機(jī)制進(jìn)行，在每次反復(fù)過程中，以低于被測設(shè)備所能承受的連接速率發(fā)送不同數(shù)量的并發(fā)連接，直至得出被測設(shè)備的最大TCP并發(fā)連接數(shù)。

　　l 防火墻最大TCP連接建立速率是指在被測設(shè)備能夠成功建立所有請求連接的條件下，所能承受的最大TCP連接建立速度。其測試采用反復(fù)搜索過程，每次反復(fù)過程中，以低于被測設(shè)備所能承受的最大并發(fā)連接數(shù)發(fā)起速率不同的TCP連接請求，直到得到所有連接被成功建立的最大速率。最大TCP連接建立速率以連接數(shù)/ 秒表示。

　　防火墻性能測試方法

　　對一款防火墻產(chǎn)品進(jìn)行性能評估，分為兩個步驟。首先要進(jìn)行防火墻基線性能測試，其次是進(jìn)行模擬實際應(yīng)用環(huán)境下的性能測試。

　　基線性能是防火墻在理想狀態(tài)下表現(xiàn)出來的性能指標(biāo)，具有測試結(jié)果比較穩(wěn)定、流量模型可控的優(yōu)點(diǎn)。但是在實際應(yīng)用中，往往達(dá)不到防火墻產(chǎn)品實際標(biāo)稱的基線性能。原因是實際應(yīng)用中經(jīng)過防火墻的流量要比測試基線性能時的流量復(fù)雜得多，因此評估防火墻性能時，不僅需要對基線性能進(jìn)行評估，更重要的是模擬實際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行評估。

　　1. 基線性能指標(biāo)測試

　　1) 吞吐量評估

　　防火墻的吞吐量實際上是一個靜態(tài)指標(biāo)，反映在理想情況下設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)能力。在實際應(yīng)用中吞吐量這個指標(biāo)一般是達(dá)不到的，而且對于用戶而言，實際感受到的是他的應(yīng)用處理能力，因此單純的吞吐量指標(biāo)不能說明防火墻的轉(zhuǎn)發(fā)性能。

　　一般情況下，防火墻的轉(zhuǎn)發(fā)性能可以用throughput和goodput兩個指標(biāo)來衡量。而對于防火墻設(shè)備來說，goodput這個指標(biāo)比throughput更具有實際意義。因此在測試防火墻吞吐量時，更多采用goodput指標(biāo)。

　　goodput 有時候也叫應(yīng)用層的吞吐量。在一定連接新建和并發(fā)的情況下，單個報文的應(yīng)用層數(shù)據(jù)承載量很大程度決定了應(yīng)用層報文轉(zhuǎn)發(fā)的能力。所以測試防火墻轉(zhuǎn)發(fā)性能時，需要明確測試載荷的大小。為了測試得到較全面的吞吐量性能數(shù)據(jù)，需要測試在不同載荷大小情況下的轉(zhuǎn)發(fā)性能。

　　在進(jìn)行吞吐量基線測試中，一般以HTTP作為應(yīng)用層協(xié)議，為了得到最理想的測試效果，通過會選擇HTTP1.1，每個TCP連接處理盡量多的HTTP事務(wù)(transacTIon)，并且將HTTP載荷設(shè)置較大。圖2是使用IxLoad設(shè)置的例子。

　　圖2 IxLoad設(shè)置
　2) 連接數(shù)評估

　　連接在狀態(tài)防火墻中是一個很重要的概念，與連接相關(guān)的性能指標(biāo)對評估防火墻非常重要。這些指標(biāo)包括并發(fā)連接數(shù)、新建連接速率。

　　l 并發(fā)連接數(shù)的測試

　　并發(fā)連接是一個很重要的指標(biāo)，它主要反映了被測設(shè)備維持多個會話的能力。關(guān)于此指標(biāo)的爭論也有很多。一般來說，它是和測試條件緊密聯(lián)系的，但是這方面的考慮有時會被人們忽略。比如，測試時采用的傳輸文件大小就會對測試結(jié)果有影響。例如，如果在傳輸中應(yīng)用層流量很大的話, 被測設(shè)備將會占用很大的系統(tǒng)資源去處理包檢查，導(dǎo)致無法處理新請求的連接，引起測試結(jié)果偏小;反之測試結(jié)果會大一些。所以沒有測試條件而只談并發(fā)連接數(shù)是難以定斷的。從宏觀上來看，這個測試的最終目的是比較不同設(shè)備的“資源”，也就是說處理器資源和存儲資源的綜合表現(xiàn)。

　　目前市場上出現(xiàn)了大家盲目攀比并發(fā)連接數(shù)的情況。事實上，并發(fā)幾十萬的連接數(shù)應(yīng)該完全可以滿足一個電信級數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求了，對于一般的企業(yè)來講, 甚至幾千個并發(fā)連接數(shù)還綽綽有余。并發(fā)連接總數(shù)能由儀表自動測試得出結(jié)果，減少了測試所用的時間和人力，這類儀表目前很多，常見的有Spirent的 Avalanche、IXIA的IxLoad以及BPS等。

　　l 新建連接速率

　　這個指標(biāo)主要體現(xiàn)了被測設(shè)備對于連接請求的實時反應(yīng)能力。對于中小用戶來講，這個指標(biāo)顯得更為重要?？梢栽O(shè)想一下，當(dāng)被測設(shè)備可以更快的處理連接請求，而且可以更快傳輸數(shù)據(jù)的話,網(wǎng)絡(luò)中的并發(fā)連接數(shù)就會傾向于偏小，從而設(shè)備壓力也會減小，用戶感受到的防火墻性能也就越好。Avalanche、IXLOAD以及BPS等測試工具都可以測試新建連接速率，幫助使用者搜索到被測設(shè)備能夠處理的峰值，測試原理基本都是相同的。

　　2. 模擬真實應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行性能指標(biāo)測試

　　如果能夠100%模擬用戶的實際應(yīng)用環(huán)境對防火墻性能進(jìn)行測試，那么防火墻選型這類活動將變得非常簡單，而且防火墻性能指標(biāo)將變得更加有意義。但是模擬真實應(yīng)用環(huán)境并不是簡單的事情。主要是因為用戶環(huán)境的復(fù)雜性和多變性導(dǎo)致真實環(huán)境的模擬幾乎不可能實現(xiàn)。這里討論的模擬真實應(yīng)用環(huán)境測試，只是將用戶環(huán)境進(jìn)行抽象，使得模擬環(huán)境在滿足測試條件的情況下最大限度的貼近真實應(yīng)用環(huán)境。

　　1) 多應(yīng)用協(xié)議吞吐量測試

　　前面提到goodput是衡量防火墻吞吐量的重要指標(biāo)，基線測試中，一般采用HTTP協(xié)議作為應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行測試。而在實際應(yīng)用環(huán)境中，應(yīng)用層的流量并不是純粹的HTTP，還有其他協(xié)議。如果用HTTP協(xié)議代替其他應(yīng)用層協(xié)議測試應(yīng)用層吞吐量，顯然是不合適的。因此需要針對不同的應(yīng)用場景，設(shè)計典型的應(yīng)用層流量分布模型，按照不同的比例分配帶寬。如圖3所示，是一個典型的某場景應(yīng)用帶寬分布。

　　圖3 典型應(yīng)用帶寬分布

　　模擬多協(xié)議測試，需要測試工具支持模擬多協(xié)議流量混合功能，并且能夠做基于協(xié)議的測試結(jié)果分析。包括不同協(xié)議的吞吐量、轉(zhuǎn)發(fā)延遲等。在多協(xié)議模擬測試中，BPS支持豐富的應(yīng)用層協(xié)議，并且具有良好的流量混合功能。

　　2) DDoS攻擊條件下的轉(zhuǎn)發(fā)性能測試

　　目前大部分防火墻常常遭到試圖闖入用戶網(wǎng)絡(luò)的黑客的攻擊。DDoS攻擊是黑客常用的攻擊手段，該攻擊使用虛假IP地址進(jìn)行攻擊并且持續(xù)不斷的更換形式。因此在模擬真實環(huán)境的測試中，將DDoS攻擊作為測試輸入條件是很有必要的。
這個測試的目的是將DDoS攻擊作為流量的一部分通過防火墻，模擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)在DDoS攻擊條件下，被測試設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)性能的下降程度。其中DDoS流量對于正常流量的影響，可通過變化混合的流量比例來實現(xiàn)。測試步驟如下：

　　l 保持DDoS流量不變(例如DDoS流量占接口帶寬的5%)，改變多協(xié)議正常流量的比例關(guān)系，例如SMTP:FTP:HTTP:HTTPS以 45:15:30:10的比例混合，與DDoS攻擊流量經(jīng)過防火墻轉(zhuǎn)發(fā)后，查看測試結(jié)果，查看轉(zhuǎn)發(fā)性能與沒有DDoS攻擊流量的情況下相比變化幅度是否滿足實際需求，同時也可以測試通過防火墻的傳輸延遲是否也保持在一個可接受的水平;

　　l 變化DDoS流量占接口帶寬的比例(例如從3%、5%到8%)，保持正常流量不變，測試轉(zhuǎn)發(fā)性能在不同DDoS攻擊強(qiáng)度下的變化情況，以及傳輸延遲在不同攻擊強(qiáng)度下的變化是否滿足實際應(yīng)用需求;

　　l 兩者都變化的情況，即在修改DDoS流量的同時也修改正常流量的比例，記錄不同組合情況下的轉(zhuǎn)發(fā)性能與延遲狀況。

　　3) 在一定負(fù)載條件下的新建連接測試

　　新建連接體現(xiàn)了新用戶能否快速接入網(wǎng)絡(luò)。一般理想情況下測試新建連接速率的時候都是在打開一個連接后立即關(guān)閉，這種情況下測試出來的結(jié)果一般是比較好的。但是在實際應(yīng)用場景中，情況并非如此，一般新建一個連接的時候會已經(jīng)存在一定的連接，也就是在有一定負(fù)載(并發(fā)連接)的條件下測試新建連接速率。測試步驟為：

　　l 首先測試出基線新建速率，也就是在沒有負(fù)載條件下的理想新建速率;

　　l 逐步增加負(fù)載，可以按照基線并發(fā)的百分比設(shè)定負(fù)載值，例如20%，30%，50%，70%，90%等。但是在測試的時候需要注意，在一定負(fù)載條件下測試不要超過最大并發(fā)連接數(shù)，否則測試結(jié)果是不準(zhǔn)確的;

　　l 測試中測試時間需要根據(jù)情況確定。如果采用打開/關(guān)閉TCP連接的方式，理想情況下在設(shè)備上看到的并發(fā)連接數(shù)應(yīng)該是測試負(fù)載的大小，但是由于在一定負(fù)載條件下，設(shè)備處理連接關(guān)閉的速率會受到一定影響，導(dǎo)致并發(fā)隨著新建速率的增大而不斷增大，如果測試時間足夠長，并且處理速度較慢的話，可能導(dǎo)致并發(fā)連接數(shù)超過基線連接數(shù)限制。因此在一定負(fù)載條件下，需要測試足夠長的時間，如果新建連接總是成功的，那么說明該設(shè)備的性能比較好的。

　　結(jié)束語

　　防火墻在保障網(wǎng)絡(luò)安全的同時，必然會引入一定的網(wǎng)絡(luò)性能損耗。根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇一款性能合適的防火墻對于用戶來說是至關(guān)重要的。本文從防火墻評估的角度介紹了防火墻基線性能測試和模擬實際環(huán)境性能測試的一般方法。在實際防火墻評估中，還應(yīng)該根據(jù)實際應(yīng)用場景，最大限度的提取應(yīng)用的關(guān)鍵流量特征，并對流量特征進(jìn)行抽象建模，利用測試儀器對流量進(jìn)行模擬，從而得到與實際應(yīng)用較符合的性能指標(biāo)。