为您详细解析防火墙的工作原理

http://www.cnw.com.cn/cnw07/security/FireWall/htm2007/20071030_27310.shtml

“黑客会打上我的主意吗？”这么想就对了，黑客就想钻鸡蛋缝的苍蝇一样，看到一丝从系统漏洞发出的光亮就会蠢蠢欲动！好，如何保护你的网络呢？计算机的高手们也许一张嘴就提议你安装网络的防火墙，那么第一个问题就来了：到底什么是防火墙呢？

什么是防火墙？

防火墙就是一种过滤塞（目前你这么理解不算错），你可以让你喜欢的东西通过这个塞子，别的玩意都统统过滤掉。在网络的世界里，要由防火墙过滤的就是承载通信数据的通信包。

天下的防火墙至少都会说两个词：Yes或者No。直接说就是接受或者拒绝。最简单的防火墙是以太网桥。但几乎没有人会认为这种原始防火墙能管多大用。大多数防火墙采用的技术和标准可谓五花八门。这些防火墙的形式多种多样：有的取代系统上已经装备的TCP/IP协议栈；

有的在已有的协议栈上建立自己的软件模块；有的干脆就是独立的一套操作系统。还有一些应用型的防火墙只对特定类型的网络连接提供保护（比如SMTP或者HTTP协议等）。还有一些基于硬件的防火墙产品其实应该归入安全路由器一类。以上的产品都可以叫做防火墙，因为他们的工作方式都是一样的：分析出入防火墙的数据包，决定放行还是把他们扔到一边。

所有的防火墙都具有IP地址过滤功能。这项任务要检查IP包头，根据其IP源地址和目标地址作出放行/丢弃决定。看看下面这张图，两个网段之间隔了一个防火墙，防火墙的一端有台UNIX计算机，另一边的网段则摆了台PC客户机。

 

 

当PC客户机向UNIX计算机发起telnet请求时，PC的telnet客户程序就产生一个TCP包并把它传给本地的协议栈准备发送。接下来，协议栈将这个TCP包“塞”到一个IP包里，然后通过PC机的TCP/IP栈所定义的路径将它发送给UNIX计算机。在这个例子里，这个IP包必须经过横在PC和UNIX计算机中的防火墙才能到达UNIX计算机。

现在我们“命令”（用专业术语来说就是配制）防火墙把所有发给UNIX计算机的数据包都给拒了，完成这项工作以后，“心肠”比较好的防火墙还会通知客户程序一声呢！既然发向目标的IP数据没法转发，那么只有和UNIX计算机同在一个网段的用户才能访问UNIX计算机了。

还有一种情况，你可以命令防火墙专给那台可怜的PC机找茬，别人的数据包都让过就它不行。这正是防火墙最基本的功能：根据IP地址做转发判断。但要上了大场面这种小伎俩就玩不转了，由于黑客们可以采用IP地址欺骗技术，伪装成合法地址的计算机就可以穿越信任这个地址的防火墙了。不过根据地址的转发决策机制还是最基本和必需的。另外要注意的一点是，不要用DNS主机名建立过滤表，对DNS的伪造比IP地址欺骗要容易多了。

服务器TCP/UDP 端口过滤

仅仅依靠地址进行数据过滤在实际运用中是不可行的，还有个原因就是目标主机上往往运行着多种通信服务，比方说，我们不想让用户采用 telnet的方式连到系统，但这绝不等于我们非得同时禁止他们使用SMTP/POP邮件服务器吧？所以说，在地址之外我们还要对服务器的TCP/ UDP端口进行过滤。

 

比如，默认的telnet服务连接端口号是23。假如我们不许PC客户机建立对UNIX计算机（在这时我们当它是服务器）的telnet连接，那么我们只需命令防火墙检查发送目标是UNIX服务器的数据包，把其中具有23目标端口号的包过滤就行了。这样，我们把IP地址和目标服务器TCP/UDP端口结合起来不就可以作为过滤标准来实现相当可靠的防火墙了吗？不，没这么简单。

 

 

客户机也有TCP/UDP端口

TCP/IP是一种端对端协议，每个网络节点都具有唯一的地址。网络节点的应用层也是这样，处于应用层的每个应用程序和服务都具有自己的对应“地址”，也就是端口号。地址和端口都具备了才能建立客户机和服务器的各种应用之间的有效通信联系。比如，telnet服务器在端口23侦听入站连接。同时telnet客户机也有一个端口号，否则客户机的IP栈怎么知道某个数据包是属于哪个应用程序的呢？

由于历史的原因，几乎所有的TCP/IP客户程序都使用大于1023的随机分配端口号。只有UNIX计算机上的root用户才可以访问1024以下的端口，而这些端口还保留为服务器上的服务所用。所以，除非我们让所有具有大于1023端口号的数据包进入网络，否则各种网络连接都没法正常工作。

这对防火墙而言可就麻烦了，如果阻塞入站的全部端口，那么所有的客户机都没法使用网络资源。因为服务器发出响应外部连接请求的入站（就是进入防火墙的意思）数据包都没法经过防火墙的入站过滤。反过来，打开所有高于1023的端口就可行了吗？也不尽然。由于很多服务使用的端口都大于1023，比如X client、基于RPC的NFS服务以及为数众多的非UNIX IP产品等（NetWare/IP）就是这样的。那么让达到1023端口标准的数据包都进入网络的话网络还能说是安全的吗？连这些客户程序都不敢说自己是足够安全的。

 

双向过滤

OK，咱们换个思路。我们给防火墙这样下命令：已知服务的数据包可以进来，其他的全部挡在防火墙之外。比如，如果你知道用户要访问Web服务器，那就只让具有源端口号80的数据包进入网络：

 

不过新问题又出现了。首先，你怎么知道你要访问的服务器具有哪些正在运行的端口号呢？ 象HTTP这样的服务器本来就是可以任意配置的，所采用的端口也可以随意配置。如果你这样设置防火墙，你就没法访问哪些没采用标准端口号的的网络站点了！反过来，你也没法保证进入网络的数据包中具有端口号80的就一定来自Web服务器。有些黑客就是利用这一点制作自己的入侵工具，并让其运行在本机的80端口！

 

检查ACK位

源地址我们不相信，源端口也信不得了，这个不得不与黑客共舞的疯狂世界上还有什么值得我们信任呢？还好，事情还没到走投无路的地步。对策还是有的，不过这个办法只能用于TCP协议。

TCP是一种可靠的通信协议，“可靠”这个词意味着协议具有包括纠错机制在内的一些特殊性质。为了实现其可靠性，每个TCP连接都要先经过一个“握手”过程来交换连接参数。还有，每个发送出去的包在后续的其他包被发送出去之前必须获得一个确认响应。但并不是对每个TCP包都非要采用专门的ACK包来响应，实际上仅仅在TCP包头上设置一个专门的位就可以完成这个功能了。所以，只要产生了响应包就要设置ACK位。连接会话的第一个包不用于确认，所以它就没有设置ACK位，后续会话交换的TCP包就要设置ACK位了。

 

举个例子，PC向远端的Web服务器发起一个连接，它生成一个没有设置ACK位的连接请求包。当服务器响应该请求时，服务器就发回一个设置了ACK位的数据包，同时在包里标记从客户机所收到的字节数。然后客户机就用自己的响应包再响应该数据包，这个数据包也设置了ACK位并标记了从服务器收到的字节数。通过监视ACK位，我们就可以将进入网络的数据限制在响应包的范围之内。于是，远程系统根本无法发起TCP连接但却能响应收到的数据包了。

 

这套机制还不能算是无懈可击，简单地举个例子，假设我们有台内部Web服务器，那么端口80就不得不被打开以便外部请求可以进入网络。还有，对UDP包而言就没法监视ACK位了，因为UDP包压根就没有ACK位。还有一些TCP应用程序，比如FTP，连接就必须由这些服务器程序自己发起。

FTP带来的困难

一般的Internet服务对所有的通信都只使用一对端口号，FTP程序在连接期间则使用两对端口号。第一对端口号用于FTP的“命令通道”提供登录和执行命令的通信链路，而另一对端口号则用于FTP的“数据通道”提供客户机和服务器之间的文件传送。

在通常的FTP会话过程中，客户机首先向服务器的端口21（命令通道）发送一个TCP连接请求，然后执行LOGIN、DIR等各种命令。一旦用户请求服务器发送数据，FTP服务器就用其20端口（数据通道）向客户的数据端口发起连接。问题来了，如果服务器向客户机发起传送数据的连接，那么它就会发送没有设置ACK位的数据包，防火墙则按照刚才的规则拒绝该数据包同时也就意味着数据传送没戏了。通常只有高级的、也就是够聪明的防火墙才能看出客户机刚才告诉服务器的端口，然后才许可对该端口的入站连接。

UDP端口过滤

好了，现在我们回过头来看看怎么解决UDP问题。刚才说了，UDP包没有ACK位所以不能进行ACK位过滤。UDP 是发出去不管的“不可靠”通信，这种类型的服务通常用于广播、路由、多媒体等广播形式的通信任务。NFS、DNS、WINS、NetBIOS-over-TCP/IP和 NetWare/IP都使用UDP。

看来最简单的可行办法就是不允许建立入站UDP连接。防火墙设置为只许转发来自内部接口的UDP包，来自外部接口的UDP包则不转发。现在的问题是，比方说，DNS名称解析请求就使用UDP，如果你提供DNS服务，至少得允许一些内部请求穿越防火墙。还有IRC这样的客户程序也使用UDP，如果要让你的用户使用它，就同样要让他们的UDP包进入网络。我们能做的就是对那些从本地到可信任站点之间的连接进行限制。但是，什么叫可信任！如果黑客采取地址欺骗的方法不又回到老路上去了吗？

 

 

有些新型路由器可以通过“记忆”出站UDP包来解决这个问题：如果入站UDP包匹配最近出站UDP包的目标地址和端口号就让它进来。如果在内存中找不到匹配的UDP包就只好拒绝它了！但是，我们如何确信产生数据包的外部主机就是内部客户机希望通信的服务器呢？如果黑客诈称DNS服务器的地址，那么他在理论上当然可以从附着DNS的UDP端口发起攻击。只要你允许DNS查询和反馈包进入网络这个问题就必然存在。办法是采用代理服务器。

所谓代理服务器，顾名思义就是代表你的网络和外界打交道的服务器。代理服务器不允许存在任何网络内外的直接连接。它本身就提供公共和专用的DNS、邮件服务器等多种功能。代理服务器重写数据包而不是简单地将其转发了事。给人的感觉就是网络内部的主机都站在了网络的边缘，但实际上他们都躲在代理的后面，露面的不过是代理这个假面具。

小结

IP地址可能是假的，这是由于IP协议的源路有机制所带来的，这种机制告诉路由器不要为数据包采用正常的路径，而是按照包头内的路径传送数据包。于是黑客就可以使用系统的IP地址获得返回的数据包。有些高级防火墙可以让用户禁止源路由。通常我们的网络都通过一条路径连接ISP，然后再进入Internet。这时禁用源路由就会迫使数据包必须沿着正常的路径返回。

还有，我们需要了解防火墙在拒绝数据包的时候还做了哪些其他工作。比如，防火墙是否向连接发起系统发回了“主机不可到达”的ICMP消息？或者防火墙真没再做其他事？这些问题都可能存在安全隐患。ICMP“主机不可达”消息会告诉黑客“防火墙专门阻塞了某些端口”，黑客立即就可以从这个消息中闻到一点什么气味。如果ICMP“主机不可达”是通信中发生的错误，那么老实的系统可能就真的什么也不发送了。反过来，什么响应都没有却会使发起通信的系统不断地尝试建立连接直到应用程序或者协议栈超时，结果最终用户只能得到一个错误信息。当然这种方式会让黑客无法判断某端口到底是关闭了还是没有使用。

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http://www.likespc.cn/the-working-principle-of-a-firewall.html

一、防火墙基本原理 

　　首先，我们需要了解一些基本的防火墙实现原理。防火墙目前主要分包过滤，和状态检测的包过滤，应用层代理防火

墙。但是他们的基本实现都是类似的。 

　　│ │—路由器—–网卡│防火墙│网卡│———-内部网络│ │ 

　　防火墙一般有两个以上的网络卡，一个连到外部(router)，另一个是连到内部网络。当打开主机网络转发功能时，两个网卡间的网络通讯能直接通过。当有防火墙时，他好比插在网卡之间，对所有的网络通讯进行控制。 

　　说到访问控制，这是防火墙的核心了：)，防火墙主要通过一个访问控制表来判断的，他的形式一般是一连串的如下规则： 

　　1 accept from+ 源地址，端口 to+ 目的地址，端口+ 采取的动作 

　　2 deny ………..(deny就是拒绝。。) 

　　3 nat …………(nat是地址转换。后面说) 

　　防火墙在网络层(包括以下的炼路层)接受到网络数据包后，就从上面的规则连表一条一条地匹配，如果符合就执行预先安排的动作了！如丢弃包。。。。 

　　但是，不同的防火墙，在判断攻击行为时，有实现上的差别。下面结合实现原理说说可能的攻击。 

　　二、攻击包过滤防火墙 

　　包过滤防火墙是最简单的一种了，它在网络层截获网络数据包，根据防火墙的规则表，来检测攻击行为。他根据数据包的源IP地址；目的IP地址；TCP/UDP源端口；TCP/UDP目的端口来过滤！！很容易受到如下攻击： 

　　1 ip 欺骗攻击： 

　　这种攻击，主要是修改数据包的源，目的地址和端口，模仿一些合法的数据包来骗过防火墙的检测。如：外部攻击者，将他的数据报源地址改为内部网络地址，防火墙看到是合法地址就放行了：)。可是，如果防火墙能结合接口，地址来匹

配，这种攻击就不能成功了：( 

　　2 d.o.s拒绝服务攻击 

　　简单的包过滤防火墙不能跟踪 tcp的状态，很容易受到拒绝服务攻击，一旦防火墙受到d.o.s攻击，他可能会忙于处理，而忘记了他自己的过滤功能。：)你就可以饶过了，不过这样攻击还很少的。！ 

　　3 分片攻击 

　　这种攻击的原理是：在IP的分片包中，所有的分片包用一个分片偏移字段标志分片包的顺序，但是，只有第一个分片包含有TCP端口号的信息。当IP分片包通过分组过滤防火墙时，防火墙只根据第一个分片包的Tcp信息判断是否允许通过，而其他后续的分片不作防火墙检测，直接让它们通过。 

　　这样，攻击者就可以通过先发送第一个合法的IP分片，骗过防火墙的检测，接着封装了恶意数据的后续分片包就可以直接穿透防火墙，直接到达内部网络主机，从而威胁网络和主机的安全。 

　　4 木马攻击 

　　对于包过滤防火墙最有效的攻击就是木马了，一但你在内部网络安装了木马，防火墙基本上是无能为力的。 

　　原因是：包过滤防火墙一般只过滤低端口(1-1024)，而高端口他不可能过滤的(因为，一些服务要用到高端口，因此防火墙不能关闭高端口的)，所以很多的木马都在高端口打开等待，如冰河，subseven等。。。 

　　但是木马攻击的前提是必须先上传，运行木马，对于简单的包过滤防火墙来说，是容易做的。这里不写这个了。大概就是利用内部网络主机开放的服务漏洞。 

　　早期的防火墙都是这种简单的包过滤型的，到现在已很少了，不过也有。现在的包过滤采用的是状态检测技术，下面谈谈状态检测的包过滤防火墙。

　　三、攻击状态检测的包过滤 

　　状态检测技术最早是checkpoint提出的，在国内的许多防火墙都声称实现了状态检测技术。 

　　可是：)很多是没有实现的。到底什么是状态检测？ 

　　一句话，状态检测就是从tcp连接的建立到终止都跟踪检测的技术。 

　　原先的包过滤，是拿一个一个单独的数据包来匹配规则的。可是我们知道，同一个tcp连接，他的数据包是前后关联的，先是syn包，-》数据包=》fin包。数据包的前后序列号是相关的。 

　　如果割裂这些关系，单独的过滤数据包，很容易被精心够造的攻击数据包欺骗！！！如nmap的攻击扫描，就有利用syn包，fin包，reset包来探测防火墙后面的网络。！ 

　　相反，一个完全的状态检测防火墙，他在发起连接就判断，如果符合规则，就在内存登记了这个连接的状态信息(地址，port，选项。。),后续的属于同一个连接的数据包，就不需要在检测了。直接通过。而一些精心够造的攻击数据包由于没有在内存登记相应的状态信息，都被丢弃了。这样这些攻击数据包，就不能饶过防火墙了。 

　　说状态检测必须提到动态规则技术。在状态检测里，采用动态规则技术，原先高端口的问题就可以解决了。实现原理是：平时，防火墙可以过滤内部网络的所有端口(1-65535),外部攻击者难于发现入侵的切入点，可是为了不影响正常的服务，防火墙一但检测到服务必须开放高端口时，如(ftp协议，irc等)，防火墙在内存就可以动态地天加一条规则打开相关的高端口。等服务完成后，这条规则就又被防火墙删除。这样，既保障了安全，又不影响正常服务，速度也快。！ 

　　一般来说，完全实现了状态检测技术防火墙，智能性都比较高，一些扫描攻击还能自动的反应，因此，攻击者要很小

心才不会被发现。 

　　但是，也有不少的攻击手段对付这种防火墙的。 

　　1 协议隧道攻击 

　　协议隧道的攻击思想类似与VPN的实现原理，攻击者将一些恶意的攻击数据包隐藏在一些协议分组的头部，从而穿透防火墙系统对内部网络进行攻击。 

　　例如，许多简单地允许ICMP回射请求、ICMP回射应答和UDP分组通过的防火墙就容易受到ICMP和UDP协议隧道的攻击。

Loki和lokid(攻击的客户端和服务端)是实施这种攻击的有效的工具。在实际攻击中，攻击者首先必须设法在内部网络的一个系统上安装上lokid服务端，而后攻击者就可以通过loki客户端将希望远程执行的攻击命令(对应IP分组)嵌入在ICMP或

UDP包头部，再发送给内部网络服务端lokid，由它执行其中的命令，并以同样的方式返回结果。由于许多防火墙允许ICMP和UDP分组自由出入，因此攻击者的恶意数据就能附带在正常的分组，绕过防火墙的认证，顺利地到达攻击目标主机下面的命令是用于启动lokid服务器程序： 

　　lokid-p CI Cvl 

　　loki客户程序则如下启动： 

　　loki Cd172.29.11.191(攻击目标主机)-p CI Cv1 Ct3 

　　这样，lokid和loki就联合提供了一个穿透防火墙系统访问目标系统的一个后门。 

　　2 利用FTP-pasv绕过防火墙认证的攻击 

　　FTP-pasv攻击是针对防火墙实施入侵的重要手段之一。目前很多防火墙不能过滤这种攻击手段。如CheckPoint的Firewall-1，在监视FTP服务器发送给客户端的包的过程中，它在每个包中寻找”227″这个字符串。如果发现这种包，将从中提取目标地址和端口，并对目标地址加以验证，通过后，将允许建立到该地址的TCP连接。 

　　攻击者通过这个特性，可以设
连接受防火墙保护的服务器和服务。

　　3 反弹木马攻击 

　　反弹木马是对付这种防火墙的最有效的方法。攻击者在内部网络的反弹木马定时地连接外部攻击者控制的主机，由于连接是从内部发起的，防火墙(任何的防火墙)都认为是一个合法的连接，因此基本上防火墙的盲区就是这里了。防火墙不能区分木马的连接和合法的连接。 

　　但是这种攻击的局限是：必须首先安装这个木马！！！所有的木马的第一步都是关键！

　　四、攻击代理 

　　代理是运行在应用层的防火墙，他实质是启动两个连接，一个是客户到代理，另一个是代理到目的服务器。 

　　实现上比较简单，和前面的一样也是根据规则过滤。由于运行在应用层速度比较慢/1 

　　攻击代理的方法很多。 

　　这里就以wingate为例，简单说说了。(太累了) 

　　WinGate是目前应用非常广泛的一种Windows95/NT代理防火墙软件，内部用户可以通过一台安装有WinGate的主机访问外部网络，但是它也存在着几个安全脆弱点。 

　　黑客经常利用这些安全漏洞获得WinGate的非授权Web、Socks和Telnet的访问，从而伪装成WinGate主机的身份对下一

个攻击目标发动攻击。因此，这种攻击非常难于被跟踪和记录。 

　　导致WinGate安全漏洞的原因大多数是管理员没有根据网络的实际情况对WinGate代理防火墙软件进行合理的设置，只是简单地从缺省设置安装完毕后就让软件运行，这就给攻击者可乘之机。 

　　1 非授权Web访问 

　　某些WinGate版本(如运行在NT系统下的2.1d版本)在误配置情况下，允许外部主机完全匿名地访问因特网。因此，外部攻击者就可以利用WinGate主机来对Web服务器发动各种Web攻击( 如CGI的漏洞攻击等)，同时由于Web攻击的所有报文都是

从80号Tcp端口穿过的，因此，很难追踪到攻击者的来源。 

　　检测 

　　检测WinGate主机是否有这种安全漏洞的方法如下： 

　　1) 以一个不会被过滤掉的连接(譬如说拨号连接)连接到因特网上。 

　　2) 把浏览器的代理服务器地址指向待测试的WinGate主机。 

　　如果浏览器能访问到因特网，则WinGate主机存在着非授权Web访问漏洞。 

　　2 非授权Socks访问 

　　在WinGate的缺省配置中，Socks代理(1080号Tcp端口)同样是存在安全漏洞。与打开的Web代理(80号Tcp端口)一样，外部攻击者可以利用Socks代理访问因特网。 

　　防范 

　　要防止攻击WinGate的这个安全脆弱点，管理员可以限制特定服务的捆绑。在多宿主(multi homed)系统上，执行以下步骤以限定如何提供代理服务。 

　　1选择Socks或WWWProxyServer属性。 

　　2选择Bindings标签。 

　　3按下ConnectionsWillBeAcceptedOnTheFollowingInte***ceOnly按钮，并指定本WinGate服务器的内部接口。 

　　非授权Telnet访问 

　　它是WinGate最具威胁的安全漏洞。通过连接到一个误配置的inGate服务器的Telnet服务，攻击者可以使用别人的主机隐藏自己的踪迹，随意地发动攻击。 

　　检测 

　　检测WinGate主机是否有这种安全漏洞的方法如下： 

　　1.使用telnet尝试连接到一台WinGate服务器。 

　　[root@happy/tmp]#telnet172.29.11.191 

　　Trying172.29.11.191…. 

　　Connectedto172.29.11.191. 

　　Escapecharacteris‘^]’. 

　　Wingate>10.50.21.5 

　　2.如果接受到如上的响应文本，那就输入待连接到的网站。 

　　3.如果看到了该新系统的登录提示符，那么该服务器是脆弱的。 

　　Connectedtohost10.50.21.5…Connected 

　　SunOS5.6 

　　Login: 

　　对策 

　　防止这种安全脆弱点的方法和防止非授权Socks访问的方法类似。在WinGate中简单地限制特定服务的捆绑就可以解决这个问题。一般来说，在多宿主(multihomed)系统管理员可以通过执行以下步骤来完成： 

　　1.选择TelnetSever属性。 

　　2.选择Bindings标签。 

　　3.按下ConnectionsWillBeAcceptedOnTheFollowingInte***ceOnly按钮，并指定本WinGate服务器的内部接口。

　　五、后话 

　　有防火墙的攻击不单是上面的一点，我有什么写的不对的，大家指正。 

　　一直以来，黑客都在研究攻击防火墙的技术和手段，攻击的手法和技术越来越智能化和多样化。但是就黑客攻击防火墙的过程上看，大概可以分为三类攻击。 

　　第一类攻击防火墙的方法是探测在目标网络上安装的是何种防火墙系统并且找出此防火墙系统允许哪些服务。我们叫它为对防火墙的探测攻击。 

　　第二类攻击防火墙的方法是采取地址欺骗、TCP序号攻击等手法绕过防火墙的认证机制，从而 对防火墙和内部网络破坏。 

　　第三类攻击防火墙的方法是寻找、利用防火墙系统实现和设计上的安全漏洞，从而有针对性地发动攻击。这种攻击难度比较大，可是破坏性很大。