什么是防火墻？
防火墻是一種機制，用于控制和監(jiān)視網(wǎng)絡上來往的信息流，目的是保護網(wǎng)絡上的設(shè)備。流過的信息要與預定義的安全標準或政策進行比較，丟棄不符合政策要求的信息。實際上，它是一個過濾器，阻止了不必要的網(wǎng)絡流量，限制了受保護網(wǎng)絡與其它網(wǎng)絡(如因特網(wǎng)，或站點網(wǎng)絡的另一部分)之間通信的數(shù)量和類型。下圖顯示了一個簡單的防火墻，禁止來自因特網(wǎng)對個人計算機(PC)和可編程邏輯控制器(PLC)的訪問，但允許對企業(yè)Web服務器的訪問。
圖1 一個簡化的防火墻舉例
防火墻類型
防火墻具有很多不同的設(shè)計和配置。它可以是一個連接到網(wǎng)絡的單獨物理硬件設(shè)備(如思科的PIX®或賽門鐵克的安全網(wǎng)關(guān)防火墻)，可以是一個帶有操作系統(tǒng)和防火墻功能(如運行在Linux®服務器上的“iptables”)的硬件/軟件單元，甚至可以是一個完全基于主機的軟件解決方案，即直接在工作站上安裝防火墻軟件(如諾頓的個人防火墻®或Sygate的個人防火墻)。
獨立的硬件或硬件/軟件單元通常被稱為網(wǎng)絡防火墻，通常是最安全的解決方案，把企業(yè)網(wǎng)絡與工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(IACN)分開。它們是專用的功能單元，除了個別例外，加固后可以抵擋一切攻擊。此外，網(wǎng)絡防火墻通常提供最佳的管理選項，因此通常允許對它們進行遠程管理。
基于主機的防火墻通常能夠接受某些妥協(xié)，因為主機的主要功能不是安保，通常要完成一些工作站或服務器的任務，例如數(shù)據(jù)庫訪問或Web服務。
同時，基于主機的防火墻解決方案目前僅適用于Windows或基于Unix的平臺，只能為網(wǎng)絡上的嵌入式控制設(shè)備(如PLC)做一定的流量管理�；谥鳈C的防火墻可以放置在IACN/監(jiān)控與數(shù)采(SCADA)網(wǎng)絡上，但它們通常在我們今天要考慮的范圍之外。因此，除少數(shù)情況外，本文假定IACN/SCADA防火墻是一個專用的硬件或硬件/軟件解決方案，通過一系列規(guī)則，對傳送到控制網(wǎng)絡信息流實施允許或拒絕。
防火墻分類
網(wǎng)絡使用離散的位組發(fā)送數(shù)據(jù)，通常把一定數(shù)量的位組稱為數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包通常包含若干個獨立的信息，包括(但不限于)的項目有：
• 發(fā)件人的身份(源地址);
• 收件人的身份(目的地址);
• 包涉及的服務(端口號);
• 網(wǎng)絡操作和狀態(tài)標志;
• 把數(shù)據(jù)的有效載荷傳遞到該服務。
接收一個數(shù)據(jù)包時，防火墻對包的這些特征進行分析，并決定對這個包采取什么行動�？梢赃x擇丟棄該包、允許立即通過、因帶寬限制而暫時緩存，或轉(zhuǎn)發(fā)給不同的收件人——應按照網(wǎng)絡安全策略采取適當?shù)男袆印?/p>
這些決定都基于一系列的規(guī)則，該規(guī)則通常被稱為訪問控制列表(ACL)。防火墻具有不同的類型，每種類型都具有復雜的分析和行動能力。下面給予分別介紹。
(1)包過濾防火墻
最簡單一類的防火墻被稱為包過濾防火墻。它具有一系列的靜態(tài)規(guī)則，對收到的報文按規(guī)則采取行動。下面的示例表明了包過濾防火墻是如何按規(guī)則處理數(shù)據(jù)包的：
• 在用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)端口53上接受域名服務(DNS)響應數(shù)據(jù)包；
• 阻止因特網(wǎng)協(xié)議(IP)地址為24.116.25.21的任何數(shù)據(jù)；
• 通過阻斷傳輸訪問控制協(xié)議(TCP)端口80、443、3128、8000和8080傳出的數(shù)據(jù)包以阻止網(wǎng)上沖浪，除非他們指向企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Web服務器的IP地址；
• 丟棄源路由包；
• 接受來自特定IP地址范圍的工程操作站，通過TCP端口23遠程登錄(telnet)到一個特定的分布式控制系統(tǒng)(DCS)IP地址的數(shù)據(jù)。
不幸的是，包過濾防火墻缺乏理解一系列數(shù)據(jù)包之間關(guān)系的能力。例如，廣泛適用的規(guī)則“接受UDP端口53上的DNS響應數(shù)據(jù)包”包含一個嚴重的缺陷。如果DNS沒有發(fā)過查詢，而用一個偽造的DNS“響應”包來代替呢？這個簡單的防火墻會接受這個數(shù)據(jù)包，并提供給“請求”主機，這可能會帶來麻煩。比較狡猾的黑客會利用防火墻的這些弱點潛入內(nèi)部系統(tǒng)。
包過濾防火墻的優(yōu)點具有：成本低廉且對網(wǎng)絡性能影響較小，因為只檢查數(shù)據(jù)包中的IP地址和端口號。這種方法有時也稱為靜態(tài)過濾。它往往是直接部署在交換機或路由器的第3層，而不是專用的“防火墻”。
(2)狀態(tài)防火墻
這是一種更復雜的防火墻，具有智能跟蹤流經(jīng)的數(shù)據(jù)包，以及了解他們之間的相互關(guān)系。因為具有接收包的歷史和當前連接的狀態(tài)，它只能接收“預期”的數(shù)據(jù)包。由于防火墻是智能的，所以有條件制定狀態(tài)防火墻的規(guī)則集。例如：
• 只有當發(fā)出的DNS查詢與相同的DNS請求標識相匹配時，才接收UDP端口53上的DNS響應數(shù)據(jù)包。
• 僅在控制通道協(xié)商成功后， 才允許文件傳輸協(xié)議(FTP)通道傳輸數(shù)據(jù)。
• 阻止所有源自TCP端口80傳入的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，除非他是專門針對先前傳出的超文本傳輸協(xié)議(HTTP)的請求。這種類型的防火墻提供了一種高層次的安保和性能，以及對最終用戶的透明度，但價格比較昂貴。由于它的復雜性，如果沒有相關(guān)資質(zhì)的人員管理，這類防火墻可以比簡單類型的防火墻更不安保。這種方法有時也稱為動態(tài)包過濾。
(3)應用代理防火墻
應用代理防火墻在應用層打開數(shù)據(jù)包，按照特定的應用規(guī)則來處理他們，然后重新組裝，轉(zhuǎn)發(fā)到所需的目標設(shè)備。通常，它們被設(shè)計成針對于各種應用協(xié)議(如Telnet、FTP、HTTP等)的單一機器，隨后轉(zhuǎn)發(fā)到各個主機計算機完成各項服務�？蛻舳瞬恢苯舆B接外部服務器，而是連接代理防火墻，需要時由代理防火墻發(fā)起連接外部服務器的請求。有些代理防火墻，支持配置內(nèi)部客戶端自動執(zhí)行這種重定向，且不用用戶知道。有些人可能會要求用戶直接連接代理服務器，然后通過指定的格式發(fā)起連接。
代理防火墻提供了一些重要的安保特性，例如防火墻可以識別和控制有些應用協(xié)議。它可以對應用協(xié)議使用訪問控制列表，在要求用戶或系統(tǒng)授權(quán)訪問之前提供額外的驗證。此外，可以創(chuàng)建規(guī)則集，用于理解特定的協(xié)議，可以僅為阻止協(xié)議子集進行配置。例如，可以創(chuàng)建這樣的HTTP防火墻規(guī)則：阻止所有含腳本的HTTP數(shù)據(jù)包入站。相比之下，過濾路由器要么阻止所有的HTTP數(shù)據(jù)，要么不阻止，而不是阻止一個子集。
這種類型的防火墻可以提供一個高水平的安保，但也明顯影響了網(wǎng)絡性能。此外，大部分應用代理防火墻產(chǎn)品只支持幾種常見的因特網(wǎng)協(xié)議，如HTTP、FTP或簡單郵件傳輸協(xié)議(SMTP)。其結(jié)果是，對含有工業(yè)應用層協(xié)議的報文，如公共工業(yè)協(xié)議®(CIP)或Modbus/TCP®，需要在防火墻狀態(tài)或包過濾模式中增加對工業(yè)應用層協(xié)議的數(shù)據(jù)處理。
在過去的幾年中，市場上出現(xiàn)了很多利用狀態(tài)與應用代理技術(shù)組合的防火墻，他們通常被稱為混合型防火墻。
(4)深度包檢測防火墻
防火墻市場目前已經(jīng)遷移到了第四代技術(shù)，被稱為“深度包檢測”(DPI)或“應用防火墻”。比起傳統(tǒng)的應用代理，它通常提供更深入的應用層過濾，但不執(zhí)行完整的TCP連接代理。例如，DPI防火墻能夠用可擴展標記語言(XML)在Web連接上檢查簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)的對象，實施允許/禁止什么對象進入網(wǎng)絡的政策。
其他防火墻服務
除了數(shù)據(jù)包過濾的核心服務，現(xiàn)代的防火墻還提供其他基于網(wǎng)絡的安保服務。這些服務可能包括：
(1)執(zhí)行像入侵檢測系統(tǒng)(IDS)的功能，可以記錄被拒絕訪問的數(shù)據(jù)包，識別專門導致網(wǎng)絡問題的數(shù)據(jù)包，或報告異常的信息流。
(2)在防火墻上部署“一線”的防病毒軟件。如果發(fā)現(xiàn)有感染數(shù)據(jù)的特征，這種數(shù)據(jù)在進入網(wǎng)絡前就被阻止。
(3)身份驗證服務，要求用戶連接到防火墻另一側(cè)的設(shè)備使用密碼或強大的驗證方法(如公共密鑰加密)通過防火墻驗證。
(4)虛擬專用網(wǎng)(VPN)網(wǎng)關(guān)服務，在防火墻和遠程主機設(shè)備之間建立一個加密的隧道。
(5)網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換(NAT)，在防火墻一側(cè)的一組IP地址映射到另一側(cè)不同的一組地址。
這些額外的服務將依賴于購買的防火墻的品牌和型號。顯然，這些附加功能可能意味著額外的成本，增加了配置的復雜性并降低了網(wǎng)絡的性能。然而，利用了這些功能，往往能顯著提高IACN/SCADA網(wǎng)絡的整體安保性能。
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