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linux防火墙实现技术比较

阐述linux下的防火墙的不同实现之间的区别,以ipchains, iptables, checkpoint FW1为例。

  二 基本概念

  2.0

  在进入正题之前,我将花少许篇幅阐述一些基本概念。尽管防火墙的术语这些年基本上没有太大的变化,但是如果你以前只看过90年代初的一些文献的话,有些概念仍然会让你混淆。此处只列出一些最实用的,它们不是准确的定义,我只是尽可能的让它们便于理解而已。

  2.1 包过滤:

  防火墙的一类。80年代便有论文来描述这种系统。传统的包过滤功能在路由器上常可看到,而专门的防火墙系统一般在此之上加了功能的扩展,如状态检测等。它通过检查单个包的地址,协议,端口等信息来决定是否允许此数据包通过。

  2.2 代理:

  防火墙的一类。工作在应用层,特点是两次连接(browser与proxy之间,proxy与web server之间)。如果对原理尚有疑惑,建议用sniffer抓一下包。代理不在此文的讨论范围之内。

  2.3 状态检测:

  又称动态包过滤,是在传统包过滤上的功能扩展,最早由checkpoint提出。传统的包过滤在遇到利用动态端口的协议时会发生困难,如ftp。你事先无法知道哪些端口需要打开,而如果采用原始的静态包过滤,又希望用到的此服务的话,就需要实现将所有可能用到的端口打开,而这往往是个非常大的范围,会给安全带来不必要的隐患。 而状态检测通过检查应用程序信息(如ftp的PORT和PASS命令),来判断此端口是否允许需要临时打开,而当传输结束时,端口又马上恢复为关闭状态。

  2.4 DMZ非军事化区:

  为了配置管理方便,内部网中需要向外提供服务的服务器往往放在一个单独的网段,这个网段便是非军事化区。防火墙一般配备三块网卡,在配置时一般分别分别连接内部网,internet和DMZ。

  2.5

  由于防火墙地理位置的优越(往往处于网络的关键出口上),防火墙一般附加了NAT,地址伪装和VPN等功能,这些不在本文的讨论范围。

  三 检测点

  3.0 综述

  包过滤需要检查IP包,因此它工作在网络层,截获IP包,并与用户定义的规则做比较。

  3.1 ipchains

  摘自【3】

  

  总体来说,分为输入检测,输出检测和转发检测。但具体到代码的时候,输出检测实际分散到了几处(不同的上层协议走IP层的不同的流程):

  UDP/RAW/ICMP报文:ip_build_xmit

  TCP报文:ip_queue_xmit

  转发的包:ip_forward

  其它:ip_build_and_send_pkt

  正如ipchains项目的负责人Rusty Russell所说,在开始ipchians不久,便发现选择的检测点位置错了,最终只能暂时将错就错。一个明显的问题是转发的包在此结构中必须经过三条链的匹配。地址伪装功能与防火墙模块牵扯过于紧密,如果不详细了解其原理的话,配置规则很容易出错。

  此部分详细的分析可参见我早期的一份文章【9】。

  3.2 iptables

  

  2.4内核中的防火墙系统不是2.2的简单增强,而是一次完全的重写,在结构上发生了非常大的变化。相比2.2的内核,2.4的检测点变为了五个。

  在每个检测点上登记了需要处理的函数(通过nf_register_hook()保存在全局变量nf_hooks中),当到达此检测点的时候,实现登记的函数按照一定的优先级来执行。严格的从概念上将,netfilter便是这么一个框架,你可以在适当的位置上登记一些你需要的处理函数,正式代码中已经登记了许多处理函数(在代码中搜nf_register_hook的调用),如在NF_IP_FORWARD点上登记了装发的包过滤功能。你也可以登记自己的处理函数,具体例子可参看【8】与【10】。

  3.3 FW1

  FW1是chekpoint推出的用于2.2内核的防火墙。由于其发布的模组文件带了大量的调试信息,可以从反汇编的代码中窥探到到许多实现细节。

  FW1通过dev_add_pack的办法加载输入过滤函数,如果对这个函数不熟悉,请参看【14】。但是此处有个问题:在net_bh()中,传往网络层的skbuff是克隆的,即

  skb2=skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);

  if(skb2)

  pt_prev->func(skb2, skb->dev, pt_prev);

  这样的话如果你想丢弃此包的话,光将其free掉是不够的,因为它只是其中的一份拷贝而已。

  FW1是怎么解决这个问题的呢?见下面的代码(从汇编代码翻译成的C程序):

  packet_type *fw_type_list=NULL;

  static struct packet_type fw_ip_packet_type =

  {

  __constant_htons(ETH_P_IP),

  NULL, /* All devices */

  fw_filterin,

  NULL,

  NULL, /* next */

  };

  fwinstallin(int isinstall )

  {

  packet_type *temp;

  /*安装*/

  if(isinstall==0){

  dev_add_pack(&fw_ip_packet_type);

  fw_type_list = fw_ip_packet_type->next;

  for(temp = fw_type_list; temp; temp=temp->temp)

  dev_remove_pack(temp);

  }

  /*卸载*/

  else {

  dev_remove_pack(&fw_ip_packet_type);

  for(temp = fw_ip_packet_type; temp; temp=temp->next)

  dev_add_pack(temp);

  }

  }

  不难看出,FW1把ip_packet_type歇载掉了,然后自己在自己的处理函数(fw_filterin)中调ip_recv。

  输出的挂载和lkm的手法一样,更改dev->hard_start_xmit。dev结构在2.2版本的发展过程中变了一次,为了兼容FW1对这点也做了处理(通过检查版本号来取偏移)。

  还有一款linux下的防火墙产品WebGuard(http://www.gennet.com.tw/b5/csub_webguard.html)采用的手法与FW1其非常类似。有兴趣的人可以自行研究一下。

  四 规则

  4.0 综述

  4.1 ipchains

  man ipfw可以看到这一段的详细解释。关键数据结构如下:

  规则链用ip_chain结构来表示,缺省有input,ouptput,forward三条链。在配置规则的时候,也可以添加新的链。每条链事实上就是一组相关的规则,以链表的形式存储。

  struct ip_chain

  {

  ip_chainlabel label; /* Defines the label for each block */

  struct ip_chain *next; /* Pointer to next block */

  struct ip_fwkernel *chain; /* Pointer to first rule in block */

  __u32 refcount; /* Number of refernces to block */

  int policy; /* Default rule for chain. Only *

  * used in built in chains */

  struct ip_reent reent[0]; /* Actually several of these */

  };

  每条规则用一个ip_fwkernel结构表示:

  struct ip_fwkernel

  {

  struct ip_fw ipfw;

  struct ip_fwkernel *next; /* where to go next if current

  * rule doesn't match */

  struct ip_chain *branch; /* which branch to jump to if

  * current rule matches */

  int 易做图branch; /* Use this if branch == NULL */

  struct ip_counters counters[0]; /* Actually several of these */

  };

  ip_fwkernel中的一个重要部分就是ip_fw,用来表示待匹配的数据包消息:

  struct ip_fw

  {

  struct in_addr fw_src, fw_dst; /* Source and destination IP addr */

  struct in_addr fw_smsk, fw_dmsk; /* Mask for src and dest IP addr */

  __u32 fw_mark; /* ID to stamp on packet */

  __u16 fw_proto; /* Protocol, 0 = ANY */

  __u16 fw_易做图; /* Flags word */

  __u16 fw_inv易做图; /* Inverse flags */

  __u16 fw_spts[2]; /* Source port range. */

  __u16 fw_dpts[2]; /* Destination port range. */

  __u16 fw_redirpt; /* Port to redirect to. */

  __u16 fw_outputsize; /* Max amount to output to

  NETLINK */

  char fw_vianame[IFNAMSIZ]; /* name of inte易做图ce "via" */

  __u8 fw_tosand, fw_tosxor; /* Revised packet priority */

  };

  2.2内核中网络包与规则的实际匹配在ip_fw_check中进行。

  4.2 iptables

  一条规则分为三部分:

  struct ipt_entry file://主要用来匹配IP头

  struct ip_match file://额外的匹配(tcp头,mac地址等)

  struct ip_target file://除缺省的动作外(如ACCEPT,DROP),可以增加新的(如REJECT)。

  man iptable:

  >A firewall rule specifies criteria for a packet, and a

  >targ
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