基于Linux的IPv6复合防火墙的设计 - 全文

 引言

IPv6运用AH和ESP对所传输的数据进行认证和加密，保证了数据的机密性、完整性和可靠性，实现了信息在传输过程的安全性。但IPv6并不能保障网络系统本身的安全及其提供的服务的可用性，也不能防止黑客的非法入侵和窃取私有数据。面对IPv6将要广泛的应用，有必要将其和防火墙相结合来保障整个网络系统的安全。

目前Linux操作系统自2.2内核以来已提供对IPv6的支持，其性能稳定且安全性较高，因此本文以Linux为平台来研究设计针对IPv6的防火墙系统。

Linux内核对数据包的过滤处理

netfilter框架机制

netfilter是linux2.4内核以后实现数据包过滤处理的一个抽象的、通用化的功能框架，它提供了不同于BSD Socket接口的操作网络数据包的机制。在netfilter中，协议栈每种协议都定义了若干个钩子（HOOK），而对应协议的数据包将按照一定的规则通过一些钩子，每一个钩子都是处理函数挂载点。内核模块可以在各个钩子上注册处理函数以操作经过对应钩子的数据包。数据包经过所注册的函数处理后，根据一定的策略返回给内核进行下一步的处理。
IPv6协议定义了五个钩子：

（1）NF_IPv6_PRE_ROUTING：数据包在抵达路由之前经过这个钩子。一般应用于防止拒绝服务攻击和NAT。
（2）NF_IPv6_LOCAL_IN：目的地为本地主机的数据包经过这个钩子，这个钩子可以应用于防火墙。
（3）NF_IPv6_FORWARD：目的地非本地主机的数据包经过这个钩子。
（4）NF_IPv6_POST_ROUTING：数据包在离开本地主机之前经过这个钩子，包括源地址为本地主机和非本地主机的数据包。
（5）NF_IPv6_LOCAL_OUT：本地主机发出的数据包经过这个钩子。这个钩子可以应用于防火墙。如图1所示。

图1　netfilter框架机制

数据包从左边进入系统，进行IP校验以后，数据包经过第一个钩子NF_IP6_PRE_ROUTING注册函数进行处理，然后就进入路由代码决定该数据包是需要转发还是发给本机。若该数据包是发给本机的，则该数据经过钩子NF_IP6_LOCAL_IN注册函数的处理以后传递给上层协议。若该数据包应该被转发则它被NF_IP6_FORWARD注册函数处理。经过转发的数据包经过最后一个钩子NF_IP6_POST_ROUTING注册函数的处理以后，再传输到网络上。本地产生的数据经过钩子NF_IP6_LOCAL_OUT注册函数处理以后，进行路由选择处理，然后经过NF_IP6_POST_ROUTING注册函数的处理以后发送到网络上。每个注册函数处理完后，将返回一个整形常量，内核根据这个返回值来对数据包作下一步的处理，现在内核共定义了以下五个常量：

（1）NF_DROP表示丢弃此数据包，而不进入此后的处理；
（2）NF_ACCEPT表示接受此数据包，进入下一步的处理；
（3）NF_STOLEN表示异常分组；
（4）NF_QUEUE表示排队到用户空间，等待用户处理；
（5）NF_REPEAT表示再次进入该钩子函数作处理。

ip6tables数据包过滤系统

目前，基于Netfilter框架的、称为ip6tables的IPv6数据包选择系统在Linux2.4以上的内核中被应用，它可以让用户访问内核过滤规则和命令。这种数据包选择主要用于实现数据包过滤(filter表)、网络地址转换(nat表)及数据包处理(mangle表)。Linux2.4内核提供的这三种数据包处理功能都基于Netfilter的钩子函数和IP表。它们相互之间是独立的模块，但完美的集成到由Netfilter提供的框架中。

filter表格不对数据包进行修改，只对数据包进行过滤。它通过钩子函数NF_IP6_LOCAL_IN、NF_IP6_FORWARD及NF_IP6_LOCAL_OUT接入Netfilter框架。NAT表格监听三个Netfilter钩子函数：

NF_IP6_PRE_ROUTING、NF_IP6_POST_ROUTING及NF_IP6_LOCAL_OUT，用于源NAT、目的NAT、伪装（是源NAT的一个特例）及透明代理（是目的NAT的一个特例）。mangle表格在NF_IP6_PRE_ROUTING和NF_IP6_LOCAL_OUT钩子中进行注册。使用mangle表，可以实现对数据包的修改或给数据包附上一些额外数据。
ip6tables用户命令基本上包含以下5部分：

（1）希望工作在哪个表（Filter、NAT、Mangle）；
（2）希望使用⑴所指定的表的哪个链（INPUT、OUTPUT、FORWARD等）；
（3）进行的操作（插入、添加、删除、修改）；
（4）对特定规则的目标动作；
（5）匹配数据包条件。ip6tables的语法为：

#ip6tables[-ttable] command [match] [target] [-ttable]有三种可用的表选项：filter、nat和mangle。该选项如果未指定，则filter用作缺省表。filter表用于一般的信息包过滤，它包含INPUT、OUTPUT和FORWARD链。nat表用于要转发的信息包，它包含PREROUTING、OUTPUT和POSTROUTING链。

PREROUTING链由指定信息包一到达防火墙就改变它们的规则所组成，而POSTROUTING链由指定正当信息包打算离开防火墙时改变它们的规则所组成。如果信息包及其头内进行了任何更改，则使用mangle表。该表包含一些规则来标记用于高级路由的信息包，该表包含PREROUTING和OUTPUT链。

ip6tables的基本操作(command)：-A表示在链尾添加一条规则，-I表示插入一条规则，-D表示删除一条规则，-R表示替代一条规则，-L表示列出所有规则。

ip6tables基本目标动作(target)（适用于所有的链）：ACCEPT表示接收该数据包，DROP表示丢弃该数据包，QUEUE表示排队该数据包到用户空间，RETURN表示返回到前面调用的链，FOOBAR表示用户自定义链。
ip6tables基本匹配条件（match）（适用于所有的链）：-p表示指定协议，-s表示源地址，-d表示目的地址，-i表示数据包输入接口，-o表示数据包输出接口。例如，识别IPv6的网络服务器上的SSH连接时可以使用以下规则：
#ip6tables-AINPUT-ieth0-ptcp-s3ffe：ffff：100：：1/128--dport22-jACCEPT
当然，还有其他对规则进行操作的命令，如清空链表，设置链缺省策略，添加用户自定义的链等，这里不再详述。
INPUT、OUTPUT、FORWARD链是ip6tables内置的过滤链，每条链都可定义若干条过滤规则,构成了基本的ip6tables包过滤防火墙，如图2所示。

图2　ip6tables内置的过滤链表

应用服务代理

包过滤防火墙只考查数据包的少数几个参数，对高层的应用服务不能识别。为了能过滤服务连接，通过代理服务器使允许代理的服务通过防火墙，阻塞没有代理的服务。因此，使用代理服务的好处就是可以过滤协议，在应用层级建立起安全机制。应用代理后网络通信过程如图3所示。

图3　应用代理后网络通信过程

Squid是Linux下一个高性能的代理缓存服务器，支持FTP、gopher和HTTP协议。和一般的代理缓存软件不同，Squid用一个单独的、非模块化的、I/O驱动的进程来处理所有的客户端请求。可从获取该软件的源代码安装包squid-2.5.STABLE.tar.gz，解压缩包：

#tarxvfzsquid-2.5.STABLE2.tar.gz
然后，进入相应目录对源代码进行配置和编译：
#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"

最后执行#make;makeinstall将源代码编译为可执行文件完成安装。为了使squid支持IPv6，从devel.squid-cache.org/projects.html#squid3-ipv6下载squid3-ipv6.patch补丁并安装。接下来在/etc/squid.conf中对squid的运行进行配置。

下面是一个在配置文件中有关IPv6部分的简单例子：
#IPv6的访问控制列表
aclallsrc::/0
aclsitelocalsrcfec0:/16
aclipv4::ffff:0:0/96
#对列表所做的处理
http_accessdenyipv4
http_accessallowsitelocal
http_accessdenyall

IPv6复合型防火墙的设计

把分组过滤系统ip6tables和应用代理squid结合使用，由分组过滤控制通信的底层，代理服务器用于过滤应用层的服务，这样就能从网络层到应用层进行全方位的安全处理。比如若要对http协议进行控制，则用ip6tables把对Web端口80的请求转发到squid端口，由squid对这个应用层协议进行控制，而用户浏览器仍然认为它访问的是对方的80端口。如下面这条命令：

#ip6tables-tnat-APREROUTING-ieth0-s3ffe:ffff:200:: 1/128-ptcp--dport80-jREDIRECT--to-ports3128(eth0为防火墙主机输入接口，3128是squid监听HTTP客户连接请求的缺省端口)。系统的工作流程如图4所示。当一个数据包进入防火墙后，首先由ip6tables的nat表中PREROUTING链的规则来判断这个数据包的高层协议(如HTTP、FTP等)是否应受控制，若应受控制，则将其定向到squid端口，由squid代理进程进行处理，如上命令所示。之后，进行路由判断，若是防火墙本地包，则要由INPUT链处理，若是外地包，则要由FORWARD链来处理，最后经过POSTROUTING链的snat处理把数据包转发出防火墙，形成透明代理。如下命令所示：

图4　IPv6复合型防火墙系统的工作流程

ip6tables-APOSTROUTING-tnat-sIPv6(s1)-oeth1-jSNAT--to-sourceIPv6(s)。其中IPv6(s1)指数据包的源IPv6地址，eth1为防火墙主机输出接口，IPv6(s)指防火墙主机的出口地址。

若数据包来自防火墙主机本身，经过PREROUTING链规则处理，判断是否应进行squid代理，若是，则进行squid处理，之后经过OUTPUT链规则处理，再判断路由，最后由POSTROUTING链的snat处理把数据包转发出防火墙。

结论

由squid限定内外网络之间的服务连接，使它们都通过squid的介入和转换，再由防火墙本身提交请求和应答，这样就使内外网络的计算机不会直接进行会话，结合ip6tables的包过滤控制底层通信，从而能建立起一种从网络层到应用层坚固的IPv6防火墙系统。ip6tables和squid都可以免费获得，因此无论从安全性还是从经济性来说，这都是一种非常好的IPv6防火墙解决方案。