基于Linux系統(tǒng)的包過濾防火墻(1)

第1 章、基于路由器的包過濾防火墻
1.1 包過濾防火墻的一般概念
1.1.1 什么是包過濾防火墻
包過濾防火墻是用一個軟件查看所流經(jīng)的數(shù)據(jù)包的包頭（header），由此決定整個包的命運。它可能會決定丟棄（DROP）這個包，可能會接受（ACCEPT）這個包（讓這個包通過），也可能執(zhí)行其它更復雜的動作。
在Linux系統(tǒng)下,包過濾功能是內(nèi)建于核心的（作為一個核心模塊，或者直接內(nèi)建），同時還有一些可以運用于數(shù)據(jù)包之上的技巧，不過最常用的依然是查看包頭以決定包的命運。
1.1.2 包過濾防火墻的工作層次
包過濾是一種內(nèi)置于Linux內(nèi)核路由功能之上的防火墻類型，其防火墻工作在網(wǎng)絡(luò)層。
1.1.3 包過濾防火墻的工作原理
（1）使用過濾器。數(shù)據(jù)包過濾用在內(nèi)部主機和外部主機之間，        過濾系統(tǒng)是一臺路由器或是一臺主機。過濾系統(tǒng)根據(jù)過濾規(guī)則來決定是否讓數(shù)據(jù)包通過。用于過濾數(shù)據(jù)包的路由器被稱為過濾路由器。
數(shù)據(jù)包過濾是通過對數(shù)據(jù)包的IP頭和TCP頭或UDP頭的檢查來實現(xiàn)的，主要信息有：
* IP源地址
* IP目標地址
* 協(xié)議（TCP包、UDP包和ICMP包）
* TCP或UDP包的源端口
* TCP或UDP包的目標端口
* ICMP消息類型
* TCP包頭中的ACK位
* 數(shù)據(jù)包到達的端口
* 數(shù)據(jù)包出去的端口
在TCP/IP中，存在著一些標準的服務(wù)端口號，例如，HTTP的端口號為80。通過屏蔽特定的端口可以禁止特定的服務(wù)。包過濾系統(tǒng)可以阻塞內(nèi)部主機和外部主機或另外一個網(wǎng)絡(luò)之間的連接，例如，可以阻塞一些被視為是有敵意的或不可信的主機或網(wǎng)絡(luò)連接到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中。
（2）過濾器的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)包過濾一般使用過濾路由器來實現(xiàn)，這種路由器與普通的路由器有所不同。
普通的路由器只檢查數(shù)據(jù)包的目標地址，并選擇一個達到目的地址的最佳路徑。它處理數(shù)據(jù)包是以目標地址為基礎(chǔ)的，存在著兩種可能性：若路由器可以找到一個路徑到達目標地址則發(fā)送出去；若路由器不知道如何發(fā)送數(shù)據(jù)包則通知數(shù)據(jù)包的發(fā)送者“數(shù)據(jù)包不可達”。
過濾路由器會更加仔細地檢查數(shù)據(jù)包，除了決定是否有到達目標地址的路徑外，還要決定是否應(yīng)該發(fā)送數(shù)據(jù)包。“應(yīng)該與否”是由路由器的過濾策略決定并強行執(zhí)行的。
路由器的過濾策略主要有：
* 拒絕來自某主機或某網(wǎng)段的所有連接。
* 允許來自某主機或某網(wǎng)段的所有連接。
* 拒絕來自某主機或某網(wǎng)段的指定端口的連接。
* 允許來自某主機或某網(wǎng)段的指定端口的連接。
* 拒絕本地主機或本地網(wǎng)絡(luò)與其它主機或其它網(wǎng)絡(luò)的所有連接。
* 允許本地主機或本地網(wǎng)絡(luò)與其它主機或其它網(wǎng)絡(luò)的所有連接。
* 拒絕本地主機或本地網(wǎng)絡(luò)與其它主機或其它網(wǎng)絡(luò)的指定端口的連接。
* 允許本地主機或本地網(wǎng)絡(luò)與其它主機或其它網(wǎng)絡(luò)的指定端口的連接。
1.1.4 包過濾器操作的基本過程
下面做個簡單的敘述：
（1）包過濾規(guī)則必須被包過濾設(shè)備端口存儲起來。
（2）當包到達端口時，對包報頭進行語法分析。大多數(shù)包過濾設(shè)備只檢查IP、TCP、或UDP報頭中的字段。
（3）包過濾規(guī)則以特殊的方式存儲。應(yīng)用于包的規(guī)則的順序與包過濾器規(guī)則存儲順序必須相同。
（4）若一條規(guī)則阻止包傳輸或接收，則此包便不被允許。
（5）若一條規(guī)則允許包傳輸或接收，則此包便可以被繼續(xù)處理。
（6）若包不滿足任何一條規(guī)則，則此包便被阻塞。
1.1.5 包過濾技術(shù)的優(yōu)缺點
（1）優(yōu)點：
→對于一個小型的、不太復雜的站點，包過濾比較容易實現(xiàn)。
→因為過濾路由器工作在IP層和TCP層，所以處理包的速度比代理服務(wù)器快。
→過濾路由器為用戶提供了一種透明的服務(wù)，用戶不需要改變客戶端的任何應(yīng)用程序，也不需要用戶學習任何新的東西。因為過濾路由器工作在IP層和TCP層，而IP層和TCP層與應(yīng)用層的問題毫不相關(guān)。所以，過濾路由器有時也被稱為“包過濾網(wǎng)關(guān)”或“透明網(wǎng)關(guān)”，之所被稱為網(wǎng)關(guān)，是因為包過濾路由器和傳統(tǒng)路由器不同，它涉及到了傳輸層。
→過濾路由器在價格上一般比代理服務(wù)器便宜。
（2）缺點：
→一些包過濾網(wǎng)關(guān)不支持有效的用戶認證。
→規(guī)則表很快會變得很大而且復雜，規(guī)則很難測試。隨著表的增大和復雜性的增加，規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)漏洞的可能  性也會增加。
→這種防火墻最大的缺陷是它依賴一個單一的部件來保護系統(tǒng)。如果這個部件出現(xiàn)了問題，會使得網(wǎng)絡(luò)大門敞開，而用戶其至可能還不知道。
→在一般情況下，如果外部用戶被允許訪問內(nèi)部主機，則它就可以訪問內(nèi)部網(wǎng)上的任何主機。
→包過濾防火墻只能阻止一種類型的IP欺騙，即外部主機偽裝內(nèi)部主機的IP，對于外部主機偽裝外部主機的IP欺騙卻不可能阻止，而且它不能防止DNS欺騙。
雖然，包過濾防火墻有如上所述的缺點，但是在管理良好的小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)上，它能夠正常的發(fā)揮其作用。一般情況下，人們不單獨使用包過濾網(wǎng)關(guān)，而是將它和其他設(shè)備（如堡壘主機等）聯(lián)合使用。
1.2　Netfilter/iptables架構(gòu)
1.2.1 Linux下的包過濾防火墻管理工具
從1.1內(nèi)核開始,Linux系統(tǒng)就已經(jīng)具有包過濾功能了,隨著Linux內(nèi)核版本的不斷升級,Linux下的包過濾系統(tǒng)經(jīng)歷了如下3個階段：
→ 在2.0的內(nèi)核中,采用ipfwadm來操作內(nèi)核包過濾規(guī)則。
→ 在2.2的內(nèi)核中，采用ipchains來控制內(nèi)核包過濾規(guī)則。
→  在2.4內(nèi)核中，采用一個全新的內(nèi)核包過濾管理工具—iptables.
Linux因其健壯性、可靠性、靈活性以及幾乎無限范圍的可定制性而在IT界變得非常受歡迎。Linux具有許多內(nèi)置的能力，使開發(fā)人員可以根據(jù)自己的需要定制其工具、行為和外觀，而無需昂貴的第三方工具。如果Linux系統(tǒng)連接到因特網(wǎng)或LAN、服務(wù)器或連接LAN和因特網(wǎng)的代理服務(wù)器，所要用到的一種內(nèi)置能力就是針對網(wǎng)絡(luò)上Linux系統(tǒng)的防火墻配置�？梢栽贜etfilter/iptables IP信息包過濾系統(tǒng)（它集成在2.4.x版本的Linux內(nèi)核中）的幫助下運用這種能力。Netfilter/iptables是與最新的2.4.x版本 Linux內(nèi)核集成的IP信息包過濾系統(tǒng)。
與ipfwadm和ipchains這樣的Linux信息包過濾方案相比，Netfilter/iptables信息包過濾系統(tǒng)是最新的解決方案，使用戶更易于理解其工作原理，也具有更為強大的功能。對于Linux系統(tǒng)管理員、網(wǎng)絡(luò)管理員以及家庭用戶（他們想要根據(jù)自己特定的需求來配置防火墻、在防火墻解決方案上節(jié)省費用和對IP信息包過濾具有完全控制權(quán)）來說，Netfilter/iptables系統(tǒng)十分理想，且更容易被使用。
1.2.2 新一代的Netfilter網(wǎng)絡(luò)底層架構(gòu)
Netfilter是一種內(nèi)核中用于擴展各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的結(jié)構(gòu)化底層構(gòu)架。Netfilter的設(shè)計思想是生成一個模塊結(jié)構(gòu)使之能夠比較容易的擴展。新的特性加入到內(nèi)核中并不需要重新啟動內(nèi)核。這樣，可以通過簡單的構(gòu)造一個內(nèi)核模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)新特性的擴展。為底層的網(wǎng)絡(luò)特性擴展帶來了極大的便利，使更多從事網(wǎng)絡(luò)底層研發(fā)的人員能夠集中精力實現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)特性。
事實上，我們可以將Netfilter視為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧中可以讓其它模塊操作網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的一系列“鉤子”，在數(shù)據(jù)包通過協(xié)議堆棧的某些特定的點上， Netfilter框架允許一個模塊轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄數(shù)據(jù)包、通過某種方式改變數(shù)據(jù)包、在用戶空間（非內(nèi)核模式）對包進行排隊，當然也可以根本不去干涉它。
（1）Netfilter/iptables系統(tǒng)的含義。Linux 2.4內(nèi)核中Netfilter是新的用來實現(xiàn)防火墻的過濾器。 iptables是用來指定Netfilter規(guī)則的用戶工具。
Iptables只是一個管理內(nèi)核包過濾的工具，它為用戶配置防火墻規(guī)則提供了方便。
Iptables可以加入、插入或刪除核心包過濾表格（鏈）中的規(guī)則。實際上真正來執(zhí)行這些規(guī)則的netfilter及其相關(guān)模塊（如iptables模塊和nat模塊等）。
因此，要使用Netfilter/iptables系統(tǒng)，必須首先有2.4版本內(nèi)核的相關(guān)支持，同時必須安裝iptables軟件包。在Red Hat 9.0發(fā)行版中，此系統(tǒng)是默認的配置。
（2）使用Netfilter/iptables替代ipchains的原因：
→連接跟蹤
→自動碎片重裝
→改良的匹配規(guī)則
→增強的日志功能
→允許撕裂包中的任何信息
→用戶隊列允許用戶空間對包進行編程
→支持內(nèi)置包轉(zhuǎn)發(fā)而舍棄了IPMASQANDM
（3）Netfilter/iptables系統(tǒng)的主要功能
→狀態(tài)包過濾（連接跟蹤）
→各種網(wǎng)絡(luò)地址翻譯
→靈活、易擴展的急智機制
→大量的增強型補丁包
（4）Netfilter/iptables的用途
→建立Internet防火墻和基于狀態(tài)的包過濾
→用NAT和偽裝（masquerading）共享上網(wǎng)
→用NAT實現(xiàn)透明代理
→用修改IP包頭的ToS字段來實現(xiàn)更復雜的功能
→和tc+iprouter2配合使用可以實現(xiàn)QoS路由
（5）Netfilter/iptables系統(tǒng)的優(yōu)點。Netfilter/iptables的最大優(yōu)點是它可以配置有狀態(tài)的防火墻，這是 ipfwadm和ipchains等以前的工具都無法提供的一種重要功能。有狀態(tài)的防火墻能夠指定并記住為發(fā)送或接收信息包所建立的連接的狀態(tài)。防火墻可以從信息包的連接跟蹤狀態(tài)獲得該信息。在決定新的信息包過濾時，防火墻所使用的這些狀態(tài)信息可以增加其效率和速度。有4種有效狀態(tài)，名稱分別為 ESTABLISHED、INVALID、NEW和RELATED。其中：
→狀態(tài)ESTABLISHED指出該信息包屬于已建立的連接，該連接一直用于發(fā)送和接收信息包并且完全有效。
→狀態(tài)INVALID指出該信息包與任何已知的流或連接都不相關(guān)聯(lián)，它可能包含錯誤的數(shù)據(jù)或頭。
→狀態(tài)NEW意味著該項信息包已經(jīng)或?qū)�啟動新的連接，或者它與尚味用于發(fā)送和接收信息包的連接相關(guān)聯(lián)。
→狀態(tài)RELATED表示該信息包正在啟動新連接，以及它與已建立的連接相關(guān)聯(lián)。
Netfilter/iptables的另一個重要優(yōu)點是，它使用戶可以完全控制防火墻配置和信息包過濾。您可以定制自己的規(guī)則來懣足您的特定需求，從而只允許您想要的網(wǎng)絡(luò)流量進入系統(tǒng)。
此外，Netfilter/iptables是免費的，這對于那些想要節(jié)省費用的人來說十分理想，它可以代替昂貴的防火墻解決方案。
總之，最新的Linux內(nèi)核2.4.x具有Netfilter/iptables系統(tǒng)這種內(nèi)置的IP信息包過濾工具，它使配置防火墻和信息包過濾變得便宜且方便。Netfilter/iptables系統(tǒng)使其用戶可以完全控制防火墻配置和信息包過濾。它允許為防火墻建立可定制化的規(guī)則來控制信息包過濾。它還允許配置有狀態(tài)的防火墻。
1.2.3 Netfilter/iptables的內(nèi)核空間和用戶空間
雖然netfilter/iptables IP信息包過濾系統(tǒng)被稱為單個實體，但它實際上由兩個組件netfilter和iptables組成。
（1）內(nèi)核空間。Netfilter組件也稱為內(nèi)核空間（KernelSpace），是內(nèi)核的一部分，由一些“表”（table）組成，每個表由若干“鏈”組成，而每條鏈中可以有一條或數(shù)條規(guī)則（rule）。
（2）用戶空間。Iptables組件是一種工具，也稱為用戶空間（userspace），它使插入、修改和除去信息包過濾表中的規(guī)則變得容易。
1.2.4 Netfilter/iptables過濾系統(tǒng)是如何工作的
Netfilter/iptables IP信息包過濾系統(tǒng)是一種功能強大的工具，可用于添加、編輯和除去規(guī)則，這些規(guī)則是在做包過濾決定時所遵循的依據(jù)。這些規(guī)則存儲在專用的信息包過濾表中，而這些表集成在Linux內(nèi)核中。在信息包過濾表中，規(guī)則被分組在鏈（chain）中。
（1）用戶使用iptables命令在用戶空間設(shè)置過濾規(guī)則。通過使用用戶空間可以構(gòu)建用戶自己的定制過濾規(guī)則，這些規(guī)則存儲在內(nèi)核空間的信息包過濾表中。這些規(guī)則具有目標，它們告訴內(nèi)核對來自某些源、前往某些目的地或具有某些協(xié)議類型的信息包做些什么。如果某個信息包與規(guī)則匹配，那么使用目標 ACCEPT允許該信息包通過。還可以使用目標DROP或REJECT來阻塞并殺死信息包。對于可對信息包執(zhí)行的其它操作，還有許多其它目標。
根據(jù)規(guī)則所處理的信息包的類型，可以將規(guī)則分組在鏈中。
→處理入站信息包的規(guī)則被添加到INPUT鏈中。
→處理出站信息包的規(guī)則被添加到OUTPUT鏈中。
→處理正在轉(zhuǎn)發(fā)的信息包的規(guī)則被添加到FORWARD鏈中。
這3個鏈是系統(tǒng)默認的表（filter）中內(nèi)置的3個默認主鏈。每個鏈都有一個策略，它定義默認目標，也就是要執(zhí)行的默認操作，當信息包與鏈中的任何規(guī)則都不匹配時，執(zhí)行此操作。
（2）內(nèi)核空間接管過濾工作。當規(guī)則建立并將鏈放在filter表之后，        就可以開始進行真正的信息包過濾工作了。這時內(nèi)核空間從用戶空間接管工作。
包過濾工作要經(jīng)過如下的步驟：
1）路由。當信息包到達防火墻時，內(nèi)核先檢查信息包的頭信息，尤其是信息包的目的地。我們將這個過程稱為路由。
2）根據(jù)情況將數(shù)據(jù)包送往包過濾表（filter）的不同的鏈。
→如果信息包源自外界并且數(shù)據(jù)包的目的地址是本機，而且防火墻是打開的，那么內(nèi)核將它傳遞到內(nèi)核空間信息包過濾表的INPUT鏈。
→如果信息包源自系統(tǒng)本機，并且此信息包要前往另一個系統(tǒng)，那么信息包被傳遞到OUTPUT鏈。
→信息包源自廣域網(wǎng)前往局域網(wǎng)或相反方向的信息包被傳遞到FORWARD鏈。
3）規(guī)則檢查。將信息包的頭信息與它所傳遞到的鏈中的每條規(guī)則進行比較，看它是否與某條規(guī)則完全匹配。
→如果信息包與某條規(guī)則匹配，那么內(nèi)核就對該信息包執(zhí)行由該項規(guī)則的目標指定的操作。
&如果目標為ACCEPT，則允許該信息包通過，并將該包發(fā)給相應(yīng)的本地進程處理。
&如果目標為DROP或REJECT，則不允許該信息包通過，并將該包阻塞并殺死。
→如果信息包與這條規(guī)則不匹配，那么它將與鏈中的下一條規(guī)則進行比較。
→最后，如果信息包與鏈中的任何規(guī)則都不匹配，那么內(nèi)核將參考該鏈的策略來決定如何處理該信息包。理想的策略應(yīng)該告訴內(nèi)核DROP該信息包。
1.2.5 Red Hat linux 9中的Netfilter/iptables
Red Hat linux 9使用2.4版本的內(nèi)核，并且內(nèi)核的編譯選項中包含對Netfilter的支持，同時iptables軟件包是被默認安裝的，所以可以直接使用。
另外，為了完成轉(zhuǎn)發(fā)功能，必須打開系統(tǒng)內(nèi)核的IP轉(zhuǎn)發(fā)功能。使Linux變成路由器。
在Red Hat中有兩種方法：
（1）修改內(nèi)核變量ip_forward
#echo “1”>;/proc/sys/net/ipv4/ip_forward
（2）修改腳本/etc/sysconfig/network。
將FORWARD_IPV4=false
改為FORWARD_IPV4=true
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