防火墙技术原理
一、防火墙的定义
防火墙（FireWall）：一种高级访问控制设备，位于两个或多个网络间，实施网络之间访问控制的组件集合。对于普通用户来说，所谓“防火墙”，指的就是一种被放置在自己的计算机与外界网络之间的防御系统，从网络发往计算机的所有数据都要经过它的判断处理后，才会决定能不能把这些数据交给计算机，一旦发现有害数据，防火墙就会拦截下来，实现了对计算机的保护功能。
二、防火墙的核心技术
1、 包过滤：
最常用的技术。工作在网络层，根据数据包头中的IP、端口、协议等确定是否数据包通过。
包过滤防火墙技术原理
1、简单包过滤防火墙不检查数据区
2、简单包过滤防火墙不建立连接状态表
3、前后报文无关
4、应用层控制很弱
简而言之，包过滤技术工作的地方就是各种基于TCP/IP协议的数据报文进出的通道，它把这两层作为数据监控的对象，对每个数据包的头部、协议、地址、端口、类型等信息进行分析，并与预先设定好的防火墙过滤规则（Filtering Rule）进行核对，一旦发现某个包的某个或多个部分与过滤规则匹配并且条件为“阻止”的时候，这个包就会被丢弃。适当的设置过滤规则可以让防火墙工作得更安全有效，但是这种技术只能根据预设的过滤规则进行判断，一旦出现一个没有在设计人员意料之中的有害数据包请求，整个防火墙的保护就相当于摆设了。也许你会想，让用户自行添加不行吗？但是别忘了，我们要为是普通计算机用户考虑，并不是所有人都了解网络协议的，如果防火墙工具出现了过滤遗漏问题，他们只能等着被入侵了。一些公司采用定期从网络升级过滤规则的方法，这个创意固然可以方便一部分家庭用户，但是对相对比较专业的用户而言，却不见得就是好事，因为他们可能会有根据自己的机器环境设定和改动的规则，如果这个规则刚好和升级到的规则发生冲突，用户就该郁闷了，而且如果两条规则冲突了，防火墙该听谁的，会不会当场“死给你看”（崩溃）？也许就因为考虑到这些因素，至今我没见过有多少个产品会提供过滤规则更新功能的，这并不能和杀毒软件的病毒特征库升级原理相提并论。为了解决这种鱼与熊掌的问题，人们对包过滤技术进行了改进，这种改进后的技术称为“动态包过滤”（市场上存在一种“基于状态的包过滤防火墙”技术，即Stateful-based Packet Filtering，他们其实是同一类型），与它的前辈相比，动态包过滤功能在保持着原有静态包过滤技术和过滤规则的基础上，会对已经成功与计算机连接的报文传输进行跟踪，并且判断该连接发送的数据包是否会对系统构成威胁，一旦触发其判断机制，防火墙就会自动产生新的临时过滤规则或者把已经存在的过滤规则进行修改，从而阻止该有害数据的继续传输，但是由于动态包过滤需要消耗额外的资源和时间来提取数据包内容进行判断处理，所以与静态包过滤相比，它会降低运行效率，但是静态包过滤已经几乎退出市场了，我们能选择的，大部分也只有动态包过滤防火墙了。
基于包过滤技术的防火墙，其缺点是很显著的：它得以进行正常工作的一切依据都在于过滤规则的实施，但是偏又不能满足建立精细规则的要求（规则数量和防火墙性能成反比），而且它只能工作于网络层和传输层，并不能判断高级协议里的数据是否有害，但是由于它廉价，容易实现，所以它依然服役在各种领域，在技术人员频繁的设置下为我们工作着。
2、 应用代理：
另一种主要技术，工作在第7层应用层，通过编写应用代理程序，实现对应用层数据的检测和分析。
应用代理防火墙技术原理
1、不检查IP\TCP报头
2、不建立连接状态表
3、网络层保护比较弱
我们的读者还记得“代理”的概念吗？代理服务器作为一个为用户保密或者突破访问限制的数据转发通道，在网络上应用广泛。我们都知道，一个完整的代理设备包含一个服务端和客户端，服务端接收来自用户的请求，调用自身的客户端模拟一个基于用户请求的连接到目标服务器，再把目标服务器返回的数据转发给用户，完成一次代理工作过程。那么，如果在一台代理设备的服务端和客户端之间连接一个过滤措施呢？这样的思想便造就了“应用代理”防火墙，这种防火墙实际上就是一台小型的带有数据检测过滤功能的透明代理服务器（Transparent Proxy），但是它并不是单纯的在一个代理设备中嵌入包过滤技术，而是一种被称为“应用协议分析”（Application Protocol Analysis）的新技术。
“应用协议分析”技术工作在OSI模型的最高层——应用层上，在这一层里能接触到的所有数据都是最终形式，也就是说，防火墙“看到”的数据和我们看到的是一样的，而不是一个个带着地址端口协议等原始内容的数据包，因而它可以实现更高级的数据检测过程。整个代理防火墙把自身映射为一条透明线路，在用户方面和外界线路看来，它们之间的连接并没有任何阻碍，但是这个连接的数据收发实际上是经过了代理防火墙转向的，当外界数据进入代理防火墙的客户端时，“应用协议分析”模块便根据应用层协议处理这个数据，通过预置的处理规则（没错，又是规则，防火墙离不开规则）查询这个数据是否带有危害，由于这一层面对的已经不再是组合有限的报文协议，甚至可以识别类似于“GET /sql.asp?id=1 and 1”的数据内容，所以防火墙不仅能根据数据层提供的信息判断数据，更能像管理员分析服务器日志那样“看”内容辨危害。而且由于工作在应用层，防火墙还可以实现双向限制，在过滤外部网络有害数据的同时也监控着内部网络的信息，管理员可以配置防火墙实现一个身份验证和连接时限的功能，进一步防止内部网络信息泄漏的隐患。最后，由于代理防火墙采取是代理机制进行工作，内外部网络之间的通信都需先经过代理服务器审核，通过后再由代理服务器连接，根本没有给分隔在内外部网络两边的计算机直接会话的机会，可以避免入侵者使用“数据驱动”攻击方式（一种能通过包过滤技术防火墙规则的数据报文，但是当它进入计算机处理后，却变成能够修改系统设置和用户数据的恶意代码）渗透内部网络，可以说，“应用代理”是比包过滤技术更完善的防火墙技术。
但是，似乎任何东西都不可能逃避“墨菲定律”的规则，代理型防火墙的结构特征偏偏正是它的最大缺点，由于它是基于代理技术的，通过防火墙的每个连接都必须建立在为之创建的代理程序进程上，而代理进程自身是要消耗一定时间的，更何况代理进程里还有一套复杂的协议分析机制在同时工作，于是数据在通过代理防火墙时就不可避免的发生数据迟滞现象，换个形象的说法，每个数据连接在经过代理防火墙时都会先被请进保安室喝杯茶搜搜身再继续赶路，而保安的工作速度并不能很快。代理防火墙是以牺牲速度为代价换取了比包过滤防火墙更高的安全性能，在网络吞吐量不是很大的情况下，也许用户不会察觉到什么，然而到了数据交换频繁的时刻，代理防火墙就成了整个网络的瓶颈，而且一旦防火墙的硬件配置支撑不住高强度的数据流量而发生罢工，整个网络可能就会因此瘫痪了。所以，代理防火墙的普及范围还远远不及包过滤型防火墙，而在软件防火墙方面更是几乎没见过类似产品了——单机并不具备代理技术所需的条件，所以就目前整个庞大的软件防火墙市场来说，代理防火墙很难有立足之地。
3、 状态检测：
工作在2－4层，控制方式与1同，处理的对象不是单个数据包，而是整个连接，通过规则表（管理人员和网络使用人员事先设定好的）和连接状态表，综合判断是否允许数据包通过。
状态检测防火墙技术原理
1、 不检查数据区
2、 建立连接状态表
3、 前后报文相关
4、 应用层控制很弱
这是继“包过滤”技术和“应用代理”技术后发展的防火墙技术，它是CheckPoint技术公司在基于“包过滤”原理的“动态包过滤”技术发展而来的，与之类似的有其他厂商联合发展的“深度包检测”（Deep Packet Inspection）技术。这种防火墙技术通过一种被称为“状态监视”的模块，在不影响网络安全正常工作的前提下采用抽取相关数据的方法对网络通信的各个层次实行监测，并根据各种过滤规则作出安全决策。
“状态监视”（Stateful Inspection）技术在保留了对每个数据包的头部、协议、地址、端口、类型等信息进行分析的基础上，进一步发展了“会话过滤”（Session Filtering）功能，在每个连接建立时，防火墙会为这个连接构造一个会话状态，里面包含了这个连接数据包的所有信息，以后这个连接都基于这个状态信息进行，这种检测的高明之处是能对每个数据包的内容进行监视，一旦建立了一个会话状态，则此后的数据传输都要以此会话状态作为依据，例如一个连接的数据包源端口是8000，那么在以后的数据传输过程里防火墙都会审核这个包的源端口还是不是8000，否则这个数据包就被拦截，而且会话状态的保留是有时间限制的，在超时的范围内如果没有再进行数据传输，这个会话状态就会被丢弃。状态监视可以对包内容进行分析，从而摆脱了传统防火墙仅局限于几个包头部信息的检测弱点，而且这种防火墙不必开放过多端口，进一步杜绝了可能因为开放端口过多而带来的安全隐患。
由于状态监视技术相当于结合了包过滤技术和应用代理技术，因此是最先进的，但是由于实现技术复杂，在实际应用中还不能做到真正的完全有效的数据安全检测，而且在一般的计算机硬件系统上很难设计出基于此技术的完善防御措施（市面上大部分软件防火墙使用的其实只是包过滤技术加上一点其他新特性而已）。
4、 完全内容检测：
需要很强的性能支撑，既有包过滤功能、也有应用代理的功能。工作在2-7层，不仅分析数据包头信息、状态信息，而且对应用层协议进行还原和内容分析，有效防范混合型安全威胁。
完全内容检测防火墙技术原理
1、网络层保护强
2、应用层保护强
3、会话保护很强
4、上下文相关
5、前后报文有联系
三、防火墙体系结构
1、 过滤路由器（Filtering Router）
过滤路由器作为内外网连接的唯一通道，通过ACL策略要求所有的报文都必须在此通过检查，实现报文过滤功能
它的缺点是一旦被攻陷后很难发现，而且不能识别不同的用户（没有日志记录）。
2、 多宿主主机（Dual Homed Gateway）
1、 双宿主主机优于过滤路由器的地方是：堡垒主机的系统软件可用于维护系统日志
2、 它的致使弱点是：一旦入侵者侵入堡垒主机，则无法保证内部网络的安全。
3、 被屏蔽主机（Screened Host Gateway ）
1、 通常在路由器上设立ACL过滤规则，并通过堡垒主机进行数据转发，来确保内部网络的安全
2、 弱点：如果攻击者进入屏蔽主机内，内网中就会受到很大的威胁，这与双宿主主机受攻击时的情形差不多。
4、 被屏蔽子网（Screened Subnet）
1、 这种结构是在内部网络和外部网络之间建立一个被隔离的子网，用两台过滤路由器分别与内部网络和外部网络连接，中间通过堡垒主机进行数据转发。
2、 特点：如果攻击者试图进入内网或者子网，他必须攻破过滤路由器和双宿主主机，然后才可以进入子网主机，整个过程中将引发警报机制。
