嵌入式防火墙的实现（几年前的毕业设计之五）

[align=center]第六章 嵌入式防火墙的实现[/align]
6．1 Linux防火墙的发展
防火墙(firewall)实际上是一种访问控制技术，主要作用是通过限制网络或某一特定区域的通信，阻止对信息资源的非法访问和防止保密信息从受保护网络上非法输出。它是提供信息安全服务，实现网络和信息安全的基础设施。目前实现防火墙的主要技术有：数据包过滤和应用代理。
（1） 包过滤
包过滤(packet，filter)技术是在网络层中对数据包实施有选择的通过。依据系统内预先设定的过滤规则，检查数据流中每个数据包，根据数据包的源地址、目的地址、TCP／UDP源端口号、TCP／UDP目的端口号及数据包头中的各种标志位等因素采确定是否允许数据包通过，其核心是安全策略即过滤规则的设计。
（2）应用代理
应用代理(application proxy)作用在应用层。其特点是完全“阻隔”了网络通信流，通过对每种应用服务编制专门的代理程序，实现监视和控制应用层通信流的作用．内部网络只接受代理提出的服务请求，拒绝外部网络其它接点的直接请求． 在实际应用当中，构筑防火墙的“真正的解决方案”很少采用单一的技术，通常是多种解决不同问题的技术的有机组合．大多数防火墙将数据包过滤和应用代理服务器结合起来使用．
一、 Nefilter简介
从1．1内核开始，Linux开始具有包过滤功能了，2．0的内核中则采用iPfwadm来操作内核包过滤规则。1998年在2．2的内核中，以ipchains取代了ipfwadm。 ipchains是以内核级运行的C及C++代码，没有很好地提供从用户空间访问ipchains的接口，导致防火墙应用程序不能使用许多常用的语言编写，如Perl，Tcl或Java．这就限制Ipchains的可扩展性。认识到以上问题。Rusty Russell在l 998年启动了Netfilter计划创建一个通用的框架结构用于包的修改和处理．

二、 Netfilter的特点
Netfilter是Linux2．4．x内核中用于包处理的抽象、通用化的框架，它为每种网络协议(IPv4、IPv6等)定义一套钩子函数(hook)，其中IPv4定义了5个钩子函数。内核的模块可以对每种协议注册多个钩子，这样当某个数据包通过Netfilter框架时。Netfilter检测是否有任何模块对该协议和钩子函数进行了注册。若有，则将该数据包传结这些模块处理。Netfilter提供了数据包过滤(filter表)，网络地址转换(NAT表)及数据包处理(mangle表)三种数据包处理能力。
6．2 iptables的配置方法
（1） 对链的操作
建立一个新链 (-N)。
删除一个空链 (-X)。
改变一个内建链的原则 (-P)。
列出一个链中的规则 (-L)。
清除一个链中的所有规则 (-F)。
归零(zero) 一个链中所有规则的封包字节(byte) 记数器 (-Z)。

（2） 对规则的操作
加入(append) 一个新规则到一个链 (-A)的最后。
在链内某个位置插入(insert) 一个新规则(-I)，通常是插在最前面。
在链内某个位置替换(replace) 一条规则 (-R)。
在链内某个位置删除(delete) 一条规则 (-D)。
删除(delete) 链内第一条规则 (-D)。

（3） 指定源地址和目的地址
通过--source/--src/-s来指定源地址(这里的/表示或者的意思，下同)，通过--destination/--dst/-s来指定目的地址。可以使用以下四中方法来指定ip地址：
a. 使用完整的域名，如“www.linuxaid.com.cn”；
b. 使用ip地址，如“192.168.1.1”；
c. 用x.x.x.x/x.x.x.x指定一个网络地址，如“192.168.1.0/255.255.255.0”;
d. 用x.x.x.x/x指定一个网络地址，如“192.168.1.0/24”这里的24表明了子网掩码的有效位数，这是 UNIX环境中通常使用的表示方法。
缺省的子网掩码数是32，也就是说指定192.168.1.1等效于192.168.1.1/32。

（4） 指定协议
可以通过--protocol/-p选项来指定协议，比如-p tcp。

（5） 指定网络接口将
可以使用--in-interface/-i或--out-interface/-o来指定网络接口。需要注意的是，对于INPUT链来说，只可能有-i，也即只会有进入的包；通理，对于OUTPUT链来说，只可能有-o，也即只会有出去的包。只有FORWARD链既可以有-i的网络接口，也可以有-o的网络接口。我们也可以指定一个当前并不存在的网络接口，比如ppp0，这时只有拨号成功后该规则才有效。

（6） 指定ip碎片
在TCP/IP通讯过程中，每一个网络接口都有一个最大传输单元(MTU)，这个参数定义了可以通过的数据包的最大尺寸。如果一个数据包大于这个参数值时，系统会将其划分成更小的数个数据包(称之为ip碎片)来传输，而接收方则对这些ip碎片再进行重组以还原整个包。
但是再进行包过滤的时候，ip碎片会导致这样一个问题：当系统将大数据包划分成ip碎片传送时，第一个碎片含有完整的包头信息，但是后续的碎片只有包头的部分信息，比如源地址，目的地址。因此假如我们有这样一条规则：
iptables -A FORWARD -p tcp -s 192.168.1.0/24 -d 192.168.2.100 --dport 80 -j ACCEPT
并且这时的FORWARD的策略(policy)为DROP时，系统只会让第一个ip碎片通过，而丢掉其余的ip碎片，因为第一个碎片含有完整的包头信息，可以满足该规则的条件，而余下的碎片因为包头信息不完整而无法满足规则定义的条件，因而无法通过。
我们可以通过--fragment/-f选项来指定第二个及其以后的ip碎片，比如以上面的例子为例，我们可以再加上这样一条规则来解决这个问题：
iptables -A FORWARD -f -s 192.168.1.0/24 -d 192.168.2.100 -j ACCEPT
但是需要注意的是，现在已经有好多进行ip碎片攻击的实例(比如向Win98 NT4/SP5,6 Win2K发送大量的ip碎片进行DoS攻击)，因此允许ip碎片通过是有安全隐患的，对于这一点我们可以采用iptables的匹配扩展来进行限制，但是这又会影响服务质量，我们将在下面讨论这个问题。
　　
（7） 指定非
可以在某些选项前加上!来表示非指定值，比如“-s -! 192.168.1.1/32”表示除了192.168.1.1以外的ip地址，“-p -! tcp”表示除了tcp以外的协议。

（8） TCP匹配扩展
通过使用--tcp-flags选项可以根据tcp包的标志位进行过滤，该选项后接两个参数：第一个参数为要检查的标志位，可以是SYN，ACK，FIN，RST，URG，PSH的组合，可以用ALL指定所有标志位；第二个参数是标志位值为1的标志。比如你要过滤掉所有SYN标志位为1的tcp包，可以使用以下规则：
iptables -A FORWARD -p tcp --tcp-flags ALL SYN -j DROP
选项--syn是以上的一种特殊情况，相当于“--tcp-flags SYN,RST,ACK SYN”的简写。

（9） mac匹配扩展
可以使用-m选项来扩展匹配内容。使用--match mac/-m mac匹配扩展可以用来检查ip数据包的源mac地址。只要在--mac-source后面跟上mac地址就可以了。比如：
iptables -A FORWARD -m mac --mac-source 00:00:BA:A5:7D:12 -j DROP
需要注意的是一个ip包在经过路由器转发后，其源mac地址已经变成了路由器的mac地址。

（10） limit匹配扩展
limit扩展是一个非常有用的匹配扩展。使用-m nat 来指定，其后可以有两个选项：
--limit avg: 指定单位时间内允许通过的数据包的个数。单位时间可以是/second、/minute、/hour、/day或使用第一个字母，比如5/second和5/s是一样的，都是表示每秒可以通过5个数据包，缺省值是3/hour。
[align=left]--limit-burst number：指定触发事件的阀值,缺省值是5。 [/align]
[align=left]看起来好像有点复杂，就让我们来看一个例子： [/align]
[align=left]假设又如下的规则： [/align]
iptables -A INPUT -p icmp -m limit --limit 6/m --limit-burst 5 -j ACCEPT
iptables -P INPUT DROP
然后从另一部主机上ping这部主机，就会发生如下的现象：
首先我们可以看到前四个包的回应都很正常，然后从第五个包开始，我们每10秒可以收到一个正常的回应。这是因为我们设定了单位时间(在这里是每分钟)内允许通过的数据包的个数是每分钟6个，也即每10秒钟一个；其次我们又设定了事件触发阀值为5，所以我们的前四个包都是正常的，只是从第五个包开始，限制规则开始生效，故只能每10秒收到一个正常回应。
假设我们停止ping，30秒后又开始ping，这时的现象是：
前两个包是正常的，从第三个包开始丢包，这是因为在这里我的允许一个包通过的周期是10秒，如果在一个周期内系统没有收到符合条件的包，系统的触发值就会恢复1，所以假如我们30秒内没有符合条件的包通过，系统的触发值就会恢复到3，假如5个周期内都没有符合条件的包通过，系统都触发值就会完全恢复。不知道你明白了没有，欢迎你来信讨论。
[align=left]（11） LOG目标扩展 [/align]
netfilter缺省的目标(也就是一旦满足规则所定义以后系统对数据包的处理方法)有：
ACEEPT：接收并转发数据包
DORP：丢掉数据包
目标扩展模块提供了扩展的目标。LOG目标提供了记录数据包的功能。该目标扩展有以下几个参数：
--log-level：指定记录信息的级别，级别有debug、info、notice、warning、err、crit、alert、emerg分别对应7到0的数字。其含义请参看syslog.conf的man手册。
--log-prefix：后接一个最长为30个字符的字符串，该字符串将出现在每一条日志的前面。
[align=left]（12） REJECT目标扩展 [/align]
[align=left]该目标扩展完全和DORP标准目标一样，除了向发送方返回一个“port unreachable”的icmp信息外。 [/align]
[align=left]还有其他一些扩展是常用的，如果你想了解可以参考Packet-Filtering-HOWTO。当然，最直接获得帮助的办法是查看iptables的在线帮助，比如想得到关于mac匹配扩展的帮助可以执行“iptables -m mac -help”命令，想得到LOG目标扩展的帮助可以执行“iptables -j LOG -help”命令。[/align]
6．3 防火墙的配置脚本
假设网络环境如下：某一单位，租用DDN专线上网，网络拓扑如下：
+--------------+
| 内部网段 | eth1+--------+eth0 DDN
| +------------|firewall|<===============>Internet
| 198.168.80.0 | +--------+
+--------------+
eth0: 198.199.37.254
eth1: 198.168.80.254
以上的IP地址都是Internet上真实的IP，故没有用到IP欺骗。并且，我们假设在内部网中只存在www服务器：
www服务器：http://www.test.com/ 198.168.80.11

下面我们将用iptables一步一步地来建立我们的包过滤防火墙，需要说明的是，在这个例子中，我们主要是对内部的各种服务器提供保护。
（1） 在/etc/rc.d/目录下用touch命令建立firewall文件，执行chmod u+x firewll以更改文件属性 ，编辑/etc/rc.d/rc.local文件，在末尾加上 /etc/rc.d/firewall 以确保开机时能自动执行该脚本。
（2） 刷新所有的链的规则
#!/bin/sh
echo "Starting iptables rules..."
#Refresh all chains
/sbin/iptables -F
（3） 我们将首先禁止转发任何包，然后再一步步设置允许通过的包。 所以首先设置防火墙FORWARD链的策略为DROP：
/sbin/iptables -P FORWARD DROP
（4）设置关于服务器的包过虑规则：
在这里需要注意的是，服务器/客户机交互是有来有往的，也就是说是双向的，所以我们不仅仅要设置数据包出去的规则，还要设置数据包返回的规则，我们先建立针对来自Internet数据包的过虑规则。
WWW服务：服务端口为80，采用tcp或udp协议。规则为：eth0=>允许目的为内部网WWW服务器的包。
############Define HTTP packets############################
#Allow Internet clients to www servers
/sbin/iptables -A FORWARD -p tcp -d 198.168.80.11 --dport www -i eth0 -j ACCEPT

（5） 设置针对Intranet客户的过虑规则：
在本例中我们的防火墙位于网关的位置，所以我们主要是防止来自Internet的攻击，不能防止来自Intranet的攻击。假如我们的服务器都是基于linux的，也可以在每一部服务器上设置相关的过虑规则来防止来自Intranet的攻击。对于Internet对Intranet客户的返回包，我们定义如下规则。
####Define packets from Internet server to Intranet##########
/sbin/iptables -A FORWARD -p tcp -d 198.168.80.0/24 ! -syn -i eth0 -j ACCEPT
/sbin/iptables -A FORWARD -p udp -d 198.168.80.0/24 -i eth0 -j ACCEPT
说明：第一条接收来自Internet的非连接请求tcp包；最后一条接收所有udp包，主要是针对oicq等使用udp的服务。
（6）接受来自整个Intranet的数据包过虑，我们定义如下规则：
###Define packets from Internet server to Intranet server####
/sbin/iptables -A FORWARD -s 198.168.80.0/24 -i eth1 -j ACCEPT
（7） 处理ip碎片
我们接受所有的ip碎片，但采用limit匹配扩展对其单位时间可以通过的ip碎片数量进行限制，以防止ip碎片攻击。
####################Define fregment rule###################
/sbin/iptables -A FORWARD -f -m limit --limit 100/s --limit-burst 100 -j ACCEPT
说明：对不管来自哪里的ip碎片都进行限制，允许每秒通过100个ip碎片，该限制触发的条件是100个ip碎片。
（8） 设置icmp包过滤
icmp包通常用于网络测试等，故允许所有的icmp包通过。但是黑客常常采用icmp进行攻击，如ping of death等，所以我们采用limit匹配扩展加以限制：
#################Define icmp rule##########################
/sbin/iptables -A FORWARD -p icmp -m limit --limit 1/s --limit-burst 10 -j ACCEPT
说明：对不管来自哪里的icmp包都进行限制，允许每秒通过一个包，该限制触发的条件是10个包。
通过以上个步骤，我们建立了一个相对完整的防火墙。只对外开放了有限的几个端口，同时提供了客户对Internet的无缝访问，并且对ip碎片攻击和icmp的ping of death提供了有效的防护手段。以下是完整的脚本文件内容，希望通过这个实例能是对iptables的用法有所了解：
#!/bin/sh
echo "Starting iptables rules..."
#Refresh all chains
/sbin/iptables -F
#################Define HTTP packets#######################
#Allow www request packets from Internet clients to www servers
/sbin/iptables -A FORWARD -p tcp -d 198.168.80.11 --dport www -i eth0 -j ACCEPT
####Define packets from Internet server to Intranet##########
/sbin/iptables -A FORWARD -p tcp -d 198.168.80.0/24 ! -syn -i eth0 -j ACCEPT
/sbin/iptables -A FORWARD -p udp -d 198.168.80.0/24 -i eth0 -j ACCEPT
######Define packets from Intranet to Internet##############
/sbin/iptables -A FORWARD -s 198.168.80.0/24 -i eth1 -j ACCEPT
####################Define fregment rule###################
/sbin/iptables -A FORWARD -f -m limit --limit 100/s --limit-burst 100 -j ACCEPT
####################Define icmp rule #####################
/sbin/iptables -A FORWARD -p icmp -m limit --limit 1/s --limit-burst 10 -j ACCEPT
[align=center]本章小结[/align]
本章首先介绍了Linux防火墙从ipfwadm，ipchains到iptables的发展过程及Linux防火墙的主要实现技术，接着详细介绍了iptables的配置方法，并结合一个实例配置防火墙的脚本。