防火墻的工作原理

“黑客會打上我的主意嗎？”這么想就對了，黑客就想鉆雞蛋縫的蒼蠅一樣，看到一絲從系統(tǒng)漏洞發(fā)出的光亮就會蠢蠢欲動！好，如何保護你的網(wǎng)絡(luò)呢？計算機的高手們也許一張嘴就提議你安裝網(wǎng)絡(luò)的防火墻，那么第一個問題就來了：到底什么是防火墻呢？　
　　
　　什么是防火墻？　
　　防火墻就是一種過濾塞（目前你這么理解不算錯），你可以讓你喜歡的東西通過這個塞子，別的玩意都統(tǒng)統(tǒng)過濾掉。在網(wǎng)絡(luò)的世界里，要由防火墻過濾的就是承載通信數(shù)據(jù)的通信包?！?br /> 　　
　　天下的防火墻至少都會說兩個詞：Yes或者No。直接說就是接受或者拒絕。最簡單的防火墻是以太網(wǎng)橋。但幾乎沒有人會認為這種原始防火墻能管多大用。大多數(shù)防火墻采用的技術(shù)和標準可謂五花八門。這些防火墻的形式多種多樣：有的取代系統(tǒng)上已經(jīng)裝備的TCP/IP協(xié)議棧；有的在已有的協(xié)議棧上建立自己的軟件模塊；有的干脆就是獨立的一套操作系統(tǒng)。還有一些應(yīng)用型的防火墻只對特定類型的網(wǎng)絡(luò)連接提供保護（比如SMTP或者HTTP協(xié)議等）。還有一些基于硬件的防火墻產(chǎn)品其實應(yīng)該歸入安全路由器一類。以上的產(chǎn)品都可以叫做防火墻，因為他們的工作方式都是一樣的：分析出入防火墻的數(shù)據(jù)包，決定放行還是把他們?nèi)拥揭贿叀！?br /> 　　
　　
　　所有的防火墻都具有IP地址過濾功能。這項任務(wù)要檢查IP包頭，根據(jù)其IP源地址和目標地址作出放行/丟棄決定?？纯聪旅孢@張圖，兩個網(wǎng)段之間隔了一個防火墻，防火墻的一端有臺UNIX計算機，另一邊的網(wǎng)段則擺了臺PC客戶機。　
　　　
　　當(dāng)PC客戶機向UNIX計算機發(fā)起telnet請求時，PC的telnet客戶程序就產(chǎn)生一個TCP包并把它傳給本地的協(xié)議棧準備發(fā)送。接下來，協(xié)議棧將這個TCP包“塞”到一個IP包里，然后通過PC機的TCP/IP棧所定義的路徑將它發(fā)送給UNIX計算機。在這個例子里，這個IP包必須經(jīng)過橫在PC和UNIX計算機中的防火墻才能到達UNIX計算機。　
　　　
　　現(xiàn)在我們“命令”（用專業(yè)術(shù)語來說就是配制）防火墻把所有發(fā)給UNIX計算機的數(shù)據(jù)包都給拒了，完成這項工作以后，“心腸”比較好的防火墻還會通知客戶程序一聲呢！既然發(fā)向目標的IP數(shù)據(jù)沒法轉(zhuǎn)發(fā)，那么只有和UNIX計算機同在一個網(wǎng)段的用戶才能訪問UNIX計算機了?！?br /> 　　
　　還有一種情況，你可以命令防火墻專給那臺可憐的PC機找茬，別人的數(shù)據(jù)包都讓過就它不行。這正是防火墻最基本的功能：根據(jù)IP地址做轉(zhuǎn)發(fā)判斷。但要上了大場面這種小伎倆就玩不轉(zhuǎn)了，由于黑客們可以采用IP地址欺騙技術(shù)，偽裝成合法地址的計算機就可以穿越信任這個地址的防火墻了。不過根據(jù)地址的轉(zhuǎn)發(fā)決策機制還是最基本和必需的。另外要注意的一點是，不要用DNS主機名建立過濾表，對DNS的偽造比IP地址欺騙要容易多了?！?br /> 　　
　　服務(wù)器TCP/UDP 端口過濾　
　　僅僅依靠地址進行數(shù)據(jù)過濾在實際運用中是不可行的，還有個原因就是目標主機上往往運行著多種通信服務(wù)，比方說，我們不想讓用戶采用 telnet的方式連到系統(tǒng)，但這絕不等于我們非得同時禁止他們使用SMTP/POP郵件服務(wù)器吧？所以說，在地址之外我們還要對服務(wù)器的TCP/ UDP端口進行過濾。
　　　
　　比如，默認的telnet服務(wù)連接端口號是23。假如我們不許PC客戶機建立對UNIX計算機（在這時我們當(dāng)它是服務(wù)器）的telnet連接，那么我們只需命令防火墻檢查發(fā)送目標是UNIX服務(wù)器的數(shù)據(jù)包，把其中具有23目標端口號的包過濾就行了。這樣，我們把IP地址和目標服務(wù)器TCP/UDP端口結(jié)合起來不就可以作為過濾標準來實現(xiàn)相當(dāng)可靠的防火墻了嗎？不，沒這么簡單?！?br /> 　　客戶機也有TCP/UDP端口　
　　TCP/IP是一種端對端協(xié)議，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都具有唯一的地址。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的應(yīng)用層也是這樣，處于應(yīng)用層的每個應(yīng)用程序和服務(wù)都具有自己的對應(yīng)“地址”，也就是端口號。地址和端口都具備了才能建立客戶機和服務(wù)器的各種應(yīng)用之間的有效通信聯(lián)系。比如，telnet服務(wù)器在端口23偵聽入站連接。同時telnet客戶機也有一個端口號，否則客戶機的IP棧怎么知道某個數(shù)據(jù)包是屬于哪個應(yīng)用程序的呢？　
　　
　　由于歷史的原因，幾乎所有的TCP/IP客戶程序都使用大于1023的隨機分配端口號。只有UNIX計算機上的root用戶才可以訪問1024以下的端口，而這些端口還保留為服務(wù)器上的服務(wù)所用。所以，除非我們讓所有具有大于1023端口號的數(shù)據(jù)包進入網(wǎng)絡(luò)，否則各種網(wǎng)絡(luò)連接都沒法正常工作。　
　　
　　這對防火墻而言可就麻煩了，如果阻塞入站的全部端口，那么所有的客戶機都沒法使用網(wǎng)絡(luò)資源。因為服務(wù)器發(fā)出響應(yīng)外部連接請求的入站（就是進入防火墻的意思）數(shù)據(jù)包都沒法經(jīng)過防火墻的入站過濾。反過來，打開所有高于1023的端口就可行了嗎？也不盡然。由于很多服務(wù)使用的端口都大于1023，比如X client、基于RPC的NFS服務(wù)以及為數(shù)眾多的非UNIX IP產(chǎn)品等（NetWare/IP）就是這樣的。那么讓達到1023端口標準的數(shù)據(jù)包都進入網(wǎng)絡(luò)的話網(wǎng)絡(luò)還能說是安全的嗎？連這些客戶程序都不敢說自己是足夠安全的。　
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　　雙向過濾　
　　OK，咱們換個思路。我們給防火墻這樣下命令：已知服務(wù)的數(shù)據(jù)包可以進來，其他的全部擋在防火墻之外。比如，如果你知道用戶要訪問Web服務(wù)器，那就只讓具有源端口號80的數(shù)據(jù)包進入網(wǎng)絡(luò)：　
　　　
　　不過新問題又出現(xiàn)了。首先，你怎么知道你要訪問的服務(wù)器具有哪些正在運行的端口號呢？ 象HTTP這樣的服務(wù)器本來就是可以任意配置的，所采用的端口也可以隨意配置。如果你這樣設(shè)置防火墻，你就沒法訪問哪些沒采用標準端口號的的網(wǎng)絡(luò)站點了！反過來，你也沒法保證進入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包中具有端口號80的就一定來自Web服務(wù)器。有些黑客就是利用這一點制作自己的入侵工具，并讓其運行在本機的80端口！　
　　檢查ACK位　
　　源地址我們不相信，源端口也信不得了，這個不得不與黑客共舞的瘋狂世界上還有什么值得我們信任呢？還好，事情還沒到走投無路的地步。對策還是有的，不過這個辦法只能用于TCP協(xié)議。　
　　
　　TCP是一種可靠的通信協(xié)議，“可靠”這個詞意味著協(xié)議具有包括糾錯機制在內(nèi)的一些特殊性質(zhì)。為了實現(xiàn)其可靠性，每個TCP連接都要先經(jīng)過一個“握手”過程來交換連接參數(shù)。還有，每個發(fā)送出去的包在后續(xù)的其他包被發(fā)送出去之前必須獲得一個確認響應(yīng)。但并不是對每個TCP包都非要采用專門的ACK包來響應(yīng)，實際上僅僅在TCP包頭上設(shè)置一個專門的位就可以完成這個功能了。所以，只要產(chǎn)生了響應(yīng)包就要設(shè)置ACK位。連接會話的第一個包不用于確認，所以它就沒有設(shè)置ACK位，后續(xù)會話交換的TCP包就要設(shè)置ACK位了?！?br /> 　　
　　舉個例子，PC向遠端的Web服務(wù)器發(fā)起一個連接，它生成一個沒有設(shè)置ACK位的連接請求包。當(dāng)服務(wù)器響應(yīng)該請求時，服務(wù)器就發(fā)回一個設(shè)置了ACK位的數(shù)據(jù)包，同時在包里標記從客戶機所收到的字節(jié)數(shù)。然后客戶機就用自己的響應(yīng)包再響應(yīng)該數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包也設(shè)置了ACK位并標記了從服務(wù)器收到的字節(jié)數(shù)。通過監(jiān)視ACK位，我們就可以將進入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)限制在響應(yīng)包的范圍之內(nèi)。于是，遠程系統(tǒng)根本無法發(fā)起TCP連接但卻能響應(yīng)收到的數(shù)據(jù)包了。　
　　
　　這套機制還不能算是無懈可擊，簡單地舉個例子，假設(shè)我們有臺內(nèi)部Web服務(wù)器，那么端口80就不得不被打開以便外部請求可以進入網(wǎng)絡(luò)。還有，對UDP包而言就沒法監(jiān)視ACK位了，因為UDP包壓根就沒有ACK位。還有一些TCP應(yīng)用程序，比如FTP，連接就必須由這些服務(wù)器程序自己發(fā)起?！?br /> 　　
　　FTP帶來的困難　
　　一般的Internet服務(wù)對所有的通信都只使用一對端口號，F(xiàn)TP程序在連接期間則使用兩對端口號。第一對端口號用于FTP的“命令通道”提供登錄和執(zhí)行命令的通信鏈路，而另一對端口號則用于FTP的“數(shù)據(jù)通道”提供客戶機和服務(wù)器之間的文件傳送。　
　　
　　在通常的FTP會話過程中，客戶機首先向服務(wù)器的端口21（命令通道）發(fā)送一個TCP連接請求，然后執(zhí)行LOGIN、DIR等各種命令。一旦用戶請求服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)TP服務(wù)器就用其20端口 (數(shù)據(jù)通道)向客戶的數(shù)據(jù)端口發(fā)起連接。問題來了，如果服務(wù)器向客戶機發(fā)起傳送數(shù)據(jù)的連接，那么它就會發(fā)送沒有設(shè)置ACK位的數(shù)據(jù)包，防火墻則按照剛才的規(guī)則拒絕該數(shù)據(jù)包同時也就意味著數(shù)據(jù)傳送沒戲了。通常只有高級的、也就是夠聰明的防火墻才能看出客戶機剛才告訴服務(wù)器的端口，然后才許可對該端口的入站連接。　
　　
　　UDP端口過濾　
　　好了，現(xiàn)在我們回過頭來看看怎么解決UDP問題。剛才說了，UDP包沒有ACK位所以不能進行ACK位過濾。UDP 是發(fā)出去不管的“不可靠”通信，這種類型的服務(wù)通常用于廣播、路由、多媒體等廣播形式的通信任務(wù)。NFS、DNS、WINS、NetBIOS-over-TCP/IP和 NetWare/IP都使用UDP?！?br /> 　　
　　看來最簡單的可行辦法就是不允許建立入站UDP連接。防火墻設(shè)置為只許轉(zhuǎn)發(fā)來自內(nèi)部接口的UDP包，來自外部接口的UDP包則不轉(zhuǎn)發(fā)。現(xiàn)在的問題是，比方說，DNS名稱解析請求就使用UDP，如果你提供DNS服務(wù)，至少得允許一些內(nèi)部請求穿越防火墻。還有IRC這樣的客戶程序也使用UDP，如果要讓你的用戶使用它，就同樣要讓他們的UDP包進入網(wǎng)絡(luò)。我們能做的就是對那些從本地到可信任站點之間的連接進行限制。但是，什么叫可信任！如果黑客采取地址欺騙的方法不又回到老路上去了嗎？　
　　
　　有些新型路由器可以通過“記憶”出站UDP包來解決這個問題：如果入站UDP包匹配最近出站UDP包的目標地址和端口號就讓它進來。如果在內(nèi)存中找不到匹配的UDP包就只好拒絕它了！但是，我們?nèi)绾未_信產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的外部主機就是內(nèi)部客戶機希望通信的服務(wù)器呢？如果黑客詐稱DNS服務(wù)器的地址，那么他在理論上當(dāng)然可以從附著DNS的UDP端口發(fā)起攻擊。只要你允許DNS查詢和反饋包進入網(wǎng)絡(luò)這個問題就必然存在。辦法是采用代理服務(wù)器。　
　　
　　　　所謂代理服務(wù)器，顧名思義就是代表你的網(wǎng)絡(luò)和外界打交道的服務(wù)器。代理服務(wù)器不允許存在任何網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的直接連接。它本身就提供公共和專用的DNS、郵件服務(wù)器等多種功能。代理服務(wù)器重寫數(shù)據(jù)包而不是簡單地將其轉(zhuǎn)發(fā)了事。給人的感覺就是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的主機都站在了網(wǎng)絡(luò)的邊緣，但實際上他們都躲在代理的后面，露面的不過是代理這個假面具。　
　　
　　小結(jié)　
　　　　IP地址可能是假的，這是由于IP協(xié)議的源路有機制所帶來的，這種機制告訴路由器不要為數(shù)據(jù)包采用正常的路徑，而是按照包頭內(nèi)的路徑傳送數(shù)據(jù)包。于是黑客就可以使用系統(tǒng)的IP地址獲得返回的數(shù)據(jù)包。有些高級防火墻可以讓用戶禁止源路由。通常我們的網(wǎng)絡(luò)都通過一條路徑連接ISP，然后再進入Internet。這時禁用源路由就會迫使數(shù)據(jù)包必須沿著正常的路徑返回。　
　　
　　　　還有，我們需要了解防火墻在拒絕數(shù)據(jù)包的時候還做了哪些其他工作。比如，防火墻是否向連接發(fā)起系統(tǒng)發(fā)回了“主機不可到達”的ICMP消息？或者防火墻真沒再做其他事？這些問題都可能存在安全隱患。ICMP“主機不可達”消息會告訴黑客“防火墻專門阻塞了某些端口”，黑客立即就可以從這個消息中聞到一點什么氣味。如果ICMP“主機不可達”是通信中發(fā)生的錯誤，那么老實的系統(tǒng)可能就真的什么也不發(fā)送了。反過來，什么響應(yīng)都沒有卻會使發(fā)起通信的系統(tǒng)不斷地嘗試建立連接直到應(yīng)用程序或者協(xié)議棧超時，結(jié)果最終用戶只能得到一個錯誤信息。當(dāng)然這種方式會讓黑客無法判斷某端口到底是關(guān)閉了還是沒有使用。