基于Linux的IPv6復(fù)合防火墻的設(shè)計

引言
IPv6運用AH和ESP對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證和加密，保證了數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和可靠性，實現(xiàn)了信息在傳輸過程的安全性。但I(xiàn)Pv6并不能保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身的安全及其提供的服務(wù)的可用性，也不能防止黑客的非法入侵和竊取私有數(shù)據(jù)。面對IPv6將要廣泛的應(yīng)用，有必要將其和防火墻相結(jié)合來保障整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全。

目前Linux操作系統(tǒng)自2.2內(nèi)核以來已提供對IPv6的支持，其性能穩(wěn)定且安全性較高，因此本文以Linux為平臺來研究設(shè)計針對IPv6的防火墻系統(tǒng)。

Linux內(nèi)核對數(shù)據(jù)包的過濾處理

netfilter框架機(jī)制
netfilter是linux2.4內(nèi)核以后實現(xiàn)數(shù)據(jù)包過濾處理的一個抽象的、通用化的功能框架，它提供了不同于BSD Socket接口的操作網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的機(jī)制。在netfilter中，協(xié)議棧每種協(xié)議都定義了若干個鉤子（HOOK），而對應(yīng)協(xié)議的數(shù)據(jù)包將按照一定的規(guī)則通過一些鉤子，每一個鉤子都是處理函數(shù)掛載點。內(nèi)核模塊可以在各個鉤子上注冊處理函數(shù)以操作經(jīng)過對應(yīng)鉤子的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包經(jīng)過所注冊的函數(shù)處理后，根據(jù)一定的策略返回給內(nèi)核進(jìn)行下一步的處理。

IPv6協(xié)議定義了五個鉤子：

（1）NF_IPv6_PRE_ROUTING：數(shù)據(jù)包在抵達(dá)路由之前經(jīng)過這個鉤子。一般應(yīng)用于防止拒絕服務(wù)攻擊和NAT。
（2）NF_IPv6_LOCAL_IN：目的地為本地主機(jī)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過這個鉤子，這個鉤子可以應(yīng)用于防火墻。
（3）NF_IPv6_FORWARD：目的地非本地主機(jī)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過這個鉤子。
（4）NF_IPv6_POST_ROUTING：數(shù)據(jù)包在離開本地主機(jī)之前經(jīng)過這個鉤子，包括源地址為本地主機(jī)和非本地主機(jī)的數(shù)據(jù)包。
（5）NF_IPv6_LOCAL_OUT：本地主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包經(jīng)過這個鉤子。這個鉤子可以應(yīng)用于防火墻。如圖1所示。

圖1　netfilter框架機(jī)制

數(shù)據(jù)包從左邊進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行IP校驗以后，數(shù)據(jù)包經(jīng)過第一個鉤子NF_IP6_PRE_ROUTING注冊函數(shù)進(jìn)行處理，然后就進(jìn)入路由代碼決定該數(shù)據(jù)包是需要轉(zhuǎn)發(fā)還是發(fā)給本機(jī)。若該數(shù)據(jù)包是發(fā)給本機(jī)的，則該數(shù)據(jù)經(jīng)過鉤子NF_IP6_LOCAL_IN注冊函數(shù)的處理以后傳遞給上層協(xié)議。若該數(shù)據(jù)包應(yīng)該被轉(zhuǎn)發(fā)則它被NF_IP6_FORWARD注冊函數(shù)處理。經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過最后一個鉤子NF_IP6_POST_ROUTING注冊函數(shù)的處理以后，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。本地產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過鉤子NF_IP6_LOCAL_OUT注冊函數(shù)處理以后，進(jìn)行路由選擇處理，然后經(jīng)過NF_IP6_POST_ROUTING注冊函數(shù)的處理以后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。每個注冊函數(shù)處理完后，將返回一個整形常量，內(nèi)核根據(jù)這個返回值來對數(shù)據(jù)包作下一步的處理，現(xiàn)在內(nèi)核共定義了以下五個常量：

（1）NF_DROP表示丟棄此數(shù)據(jù)包，而不進(jìn)入此后的處理；
（2）NF_ACCEPT表示接受此數(shù)據(jù)包，進(jìn)入下一步的處理；
（3）NF_STOLEN表示異常分組；
（4）NF_QUEUE表示排隊到用戶空間，等待用戶處理；
（5）NF_REPEAT表示再次進(jìn)入該鉤子函數(shù)作處理。

ip6tables數(shù)據(jù)包過濾系統(tǒng)
目前，基于Netfilter框架的、稱為ip6tables的IPv6數(shù)據(jù)包選擇系統(tǒng)在Linux2.4以上的內(nèi)核中被應(yīng)用，它可以讓用戶訪問內(nèi)核過濾規(guī)則和命令。這種數(shù)據(jù)包選擇主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)包過濾(filter表)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(nat表)及數(shù)據(jù)包處理(mangle表)。Linux2.4內(nèi)核提供的這三種數(shù)據(jù)包處理功能都基于Netfilter的鉤子函數(shù)和IP表。它們相互之間是獨立的模塊，但完美的集成到由Netfilter提供的框架中。

filter表格不對數(shù)據(jù)包進(jìn)行修改，只對數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾。它通過鉤子函數(shù)NF_IP6_LOCAL_IN、NF_IP6_FORWARD及NF_IP6_LOCAL_OUT接入Netfilter框架。NAT表格監(jiān)聽三個Netfilter鉤子函數(shù)：

NF_IP6_PRE_ROUTING、NF_IP6_POST_ROUTING及NF_IP6_LOCAL_OUT，用于源NAT、目的NAT、偽裝（是源NAT的一個特例）及透明代理（是目的NAT的一個特例）。mangle表格在NF_IP6_PRE_ROUTING和NF_IP6_LOCAL_OUT鉤子中進(jìn)行注冊。使用mangle表，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的修改或給數(shù)據(jù)包附上一些額外數(shù)據(jù)。

ip6tables用戶命令基本上包含以下5部分：

（1）希望工作在哪個表（Filter、NAT、Mangle）；
（2）希望使用⑴所指定的表的哪個鏈（INPUT、OUTPUT、FORWARD等）；
（3）進(jìn)行的操作（插入、添加、刪除、修改）；
（4）對特定規(guī)則的目標(biāo)動作；
（5）匹配數(shù)據(jù)包條件。ip6tables的語法為：

#ip6tables[-ttable] command [match] [target] [-ttable]有三種可用的表選項：filter、nat和mangle。該選項如果未指定，則filter用作缺省表。filter表用于一般的信息包過濾，它包含INPUT、OUTPUT和FORWARD鏈。nat表用于要轉(zhuǎn)發(fā)的信息包，它包含PREROUTING、OUTPUT和POSTROUTING鏈。

PREROUTING鏈由指定信息包一到達(dá)防火墻就改變它們的規(guī)則所組成，而POSTROUTING鏈由指定正當(dāng)信息包打算離開防火墻時改變它們的規(guī)則所組成。如果信息包及其頭內(nèi)進(jìn)行了任何更改，則使用mangle表。該表包含一些規(guī)則來標(biāo)記用于高級路由的信息包，該表包含PREROUTING和OUTPUT鏈。

ip6tables的基本操作(command)：-A表示在鏈尾添加一條規(guī)則，-I表示插入一條規(guī)則，-D表示刪除一條規(guī)則，-R表示替代一條規(guī)則，-L表示列出所有規(guī)則。

ip6tables基本目標(biāo)動作(target)（適用于所有的鏈）：ACCEPT表示接收該數(shù)據(jù)包，DROP表示丟棄該數(shù)據(jù)包，QUEUE表示排隊該數(shù)據(jù)包到用戶空間，RETURN表示返回到前面調(diào)用的鏈，F(xiàn)OOBAR表示用戶自定義鏈。

ip6tables基本匹配條件（match）（適用于所有的鏈）：-p表示指定協(xié)議，-s表示源地址，-d表示目的地址，-i表示數(shù)據(jù)包輸入接口，-o表示數(shù)據(jù)包輸出接口。例如，識別IPv6的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的SSH連接時可以使用以下規(guī)則：

#ip6tables-AINPUT-ieth0-ptcp-s3ffe：ffff：100：：1/128--dport22-jACCEPT

當(dāng)然，還有其他對規(guī)則進(jìn)行操作的命令，如清空鏈表，設(shè)置鏈缺省策略，添加用戶自定義的鏈等，這里不再詳述。

INPUT、OUTPUT、FORWARD鏈?zhǔn)莍p6tables內(nèi)置的過濾鏈，每條鏈都可定義若干條過濾規(guī)則,構(gòu)成了基本的ip6tables包過濾防火墻，如圖2所示。

圖2　ip6tables內(nèi)置的過濾鏈表

應(yīng)用服務(wù)代理

包過濾防火墻只考查數(shù)據(jù)包的少數(shù)幾個參數(shù)，對高層的應(yīng)用服務(wù)不能識別。為了能過濾服務(wù)連接，通過代理服務(wù)器使允許代理的服務(wù)通過防火墻，阻塞沒有代理的服務(wù)。因此，使用代理服務(wù)的好處就是可以過濾協(xié)議，在應(yīng)用層級建立起安全機(jī)制。應(yīng)用代理后網(wǎng)絡(luò)通信過程如圖3所示。

圖3　應(yīng)用代理后網(wǎng)絡(luò)通信過程

Squid是Linux下一個高性能的代理緩存服務(wù)器，支持FTP、gopher和HTTP協(xié)議。和一般的代理緩存軟件不同，Squid用一個單獨的、非模塊化的、I/O驅(qū)動的進(jìn)程來處理所有的客戶端請求。可從www.squid-cache.org獲取該軟件的源代碼安裝包squid-2.5.STABLE.tar.gz，解壓縮包：

#tarxvfzsquid-2.5.STABLE2.tar.gz
然后，進(jìn)入相應(yīng)目錄對源代碼進(jìn)行配置和編譯：
#cdsquid-2.5.STABLE2
#./configure--prefix=/var/squid
--sysconfdir=/etc
--enable-arp-acl
--enable-linux-netfilter
--enable-pthreads
--enable-err-language="Simplify_Chinese"
--enable-storeio=ufs,null
--enable-default-err-language="Simplify_Chinese"

最后執(zhí)行#make;makeinstall將源代碼編譯為可執(zhí)行文件完成安裝。為了使squid支持IPv6，從devel.squid-cache.org/projects.html#squid3-ipv6下載squid3-ipv6.patch補丁并安裝。接下來在/etc/squid.conf中對squid的運行進(jìn)行配置。

下面是一個在配置文件中有關(guān)IPv6部分的簡單例子：
#IPv6的訪問控制列表
aclallsrc::/0
aclsitelocalsrcfec0:/16
aclipv4::ffff:0:0/96
#對列表所做的處理
http_accessdenyipv4
http_accessallowsitelocal
http_accessdenyall

IPv6復(fù)合型防火墻的設(shè)計

把分組過濾系統(tǒng)ip6tables和應(yīng)用代理squid結(jié)合使用，由分組過濾控制通信的底層，代理服務(wù)器用于過濾應(yīng)用層的服務(wù)，這樣就能從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層進(jìn)行全方位的安全處理。比如若要對http協(xié)議進(jìn)行控制，則用ip6tables把對Web端口80的請求轉(zhuǎn)發(fā)到squid端口，由squid對這個應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行控制，而用戶瀏覽器仍然認(rèn)為它訪問的是對方的80端口。如下面這條命令：

#ip6tables-tnat-APREROUTING-ieth0-s3ffe:ffff:200:: 1/128-ptcp--dport80-jREDIRECT--to-ports3128(eth0為防火墻主機(jī)輸入接口，3128是squid監(jiān)聽HTTP客戶連接請求的缺省端口)。系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包進(jìn)入防火墻后，首先由ip6tables的nat表中PREROUTING鏈的規(guī)則來判斷這個數(shù)據(jù)包的高層協(xié)議(如HTTP、FTP等)是否應(yīng)受控制，若應(yīng)受控制，則將其定向到squid端口，由squid代理進(jìn)程進(jìn)行處理，如上命令所示。之后，進(jìn)行路由判斷，若是防火墻本地包，則要由INPUT鏈處理，若是外地包，則要由FORWARD鏈來處理，最后經(jīng)過POSTROUTING鏈的snat處理把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出防火墻，形成透明代理。如下命令所示：

圖4　IPv6復(fù)合型防火墻系統(tǒng)的工作流程

ip6tables-APOSTROUTING-tnat-sIPv6(s1)-oeth1-jSNAT--to-sourceIPv6(s)。其中IPv6(s1)指數(shù)據(jù)包的源IPv6地址，eth1為防火墻主機(jī)輸出接口，IPv6(s)指防火墻主機(jī)的出口地址。

若數(shù)據(jù)包來自防火墻主機(jī)本身，經(jīng)過PREROUTING鏈規(guī)則處理，判斷是否應(yīng)進(jìn)行squid代理，若是，則進(jìn)行squid處理，之后經(jīng)過OUTPUT鏈規(guī)則處理，再判斷路由，最后由POSTROUTING鏈的snat處理把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出防火墻。

結(jié)論

由squid限定內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)之間的服務(wù)連接，使它們都通過squid的介入和轉(zhuǎn)換，再由防火墻本身提交請求和應(yīng)答，這樣就使內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)不會直接進(jìn)行會話，結(jié)合ip6tables的包過濾控制底層通信，從而能建立起一種從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層堅固的IPv6防火墻系統(tǒng)。ip6tables和squid都可以免費獲得，因此無論從安全性還是從經(jīng)濟(jì)性來說，這都是一種非常好的IPv6防火墻解決方案。