研究針對雲服務的混合防火牆技術論文

摘要：對於網絡服務以及應用, 防火牆是第一道防線.儘管通過現有的方法能夠顯著增強系統的安全性, 但很多研究也證明了傳統防火牆的侷限性.隨着虛擬化和雲計算的出現, 基於網絡的服務呈現爆炸式的增長.面向雲服務, 利用無固有邊界的虛擬化的雲來構建虛擬防火牆, 存在安全性與可靠性無法有效控制的問題.這將導致用户無法正常使用這些雲服務, 本文提出了一種有效的混合架構來權衡雲防火牆的性能與可靠性.該混合架構由物理部分和虛擬部分共同構成, 採用虛擬的方法實現了物理防火牆的基本功能, 同時保障了雲計算節點間的高性能合作, 增強防火牆的計算能力.提出的架構通過仿真實驗部署, 結果表明, 基於雲計算的混合防火牆機制有效的改善了傳統防火牆的計算能力.

關鍵詞：防火牆; 網絡安全; 雲服務; 雲計算; 混合架構;

防火牆是網絡服務以及本地應用安全的主要防線, 但是對於很多企業 (尤其是小型企業) 來説, 設立防火牆無疑增添了他們的成本投資.防火牆對於主流的網絡架構來説是一個不可或缺的關鍵要素, 它不僅僅只是部署在網絡的邊緣, 已經逐漸升級為一種服務.

對於一個擁有5Mbps網絡接入的美國中型大小的公司而言, 物理防火牆的首次部署投資以及維護成本大約是12萬美元, 而之後每年的成本支出約為10萬美元[1].投資成本之所以這麼高, 主要是防火牆需要有專業的管理員來進行部署、維護、檢測以及調試.而當防火牆需要新技術更新時, 公司還要花錢對防火牆管理員進行專門的培訓.另外, 如果開發出了新的防火牆技術或者出現了新型的攻擊, 對於防火牆的固件也需要進一步升級以提升它的存儲容量和計算能力等.

為了減少防火牆管理以及部署的成本投資, 企業將他們的防火牆作為服務外包給第三方提供商, 作為軟件及服務和效能計算的一部分由雲計算來提供支持[2].更迅速的服務要求, 迫使企業經常部署、維護他們的應用以及解決方案.隨着互聯網連接速度加快以及流量不斷增長, 導致傳統的防火牆需要分析巨大的流量以增強安全策略, 所以目前防火牆處理的瓶頸是網絡.

由於虛擬化以及雲計算的出現[3-5], 物理防火牆沒能設計檢測以及過濾由虛擬機產生的巨大流量.相反, 研究者們設計開發了基於雲的防火牆, 作為一種服務運行在一個虛擬的環境當中, 並提供常規的防火牆技術 (如包過濾以及服務檢測) .

一般來説, 基於雲的防火牆遵循以下兩種方法[6]:①虛擬防火牆部署在虛擬監控管理程序上;②虛擬防火牆放置在不同網絡分段的橋接處, 使他們自己成為一個虛擬機.然而, 這些方法同時也給網絡的性能以及可靠性之間帶來了新的問題和挑戰.肯定的是, 他們的確改進了網絡安全性, 但是卻沒能夠解決性能的問題.由雲計算抽象出來的簡單靈活與控制服務行為以及對基礎資源的可見性和可控性之間存在着一種基本的權衡關係.

在監控管理層中進行部署, 由於防火牆不會被視為網絡中的一部分, 因此可以允許防火牆管理本地流量.另外, 許多研究者都指出了關於性能、延遲以及可靠性方面的挑戰.在文獻[7]中, 研究者們指出, 目前雲計算的主要挑戰為服務的連續性以及可用性.一些組織仍然在擔心效能計算能否提供足夠的可用性, 出於這種考慮, 對應用防火牆服務還需要慎重考慮.

因此, 本文提出了一種新型的高效的混合架構來管理基於雲的防火牆的性能和可靠性之間的權衡.提出的架構同時改善了吞吐量以及異常檢測能力, 提高了物理防火牆的計算能力.額外的計算能力的提高是由於採用了虛擬防火牆的理念, 通過雲提供大量的資源.目標是在擁有大量計算能力的雲中完成虛擬防火牆的基本功能, 進一步解決巨大流量對防火牆性能的影響.實驗結果顯示, 所提出的架構在延遲、存儲以及CPU性能方面都有很大提升.

本文首先對背景以及相關的工作進行了介紹, 然後描述了提出的架構, 接下來列出了測試以及相應的結果, 最後, 對全文進行了總結並指出了進一步的研究工作.

1 研究背景

防火牆安全策略[8]是一系列的過濾規則, 它定義了滿足特定條件下的對數據包執行的相關動作.防火牆主要有三種類型:包過濾器、狀態檢測器以及應用防火牆.最古老的也就是最基本的就是包過濾器, 路由器對網絡層或傳輸層的數據包進行檢查, 從而獲得好的投遞性能.它的優點是適應路由、低開銷、高吞吐量以及低成本.但是, 它的安全等級非常的低.

狀態檢測器提供了一種執行在傳輸層卻對應用層進行過濾的能力.這種防火牆通過跟蹤連接的狀態以及阻塞偏離特定狀態的包, 改善了包過濾器的.功能.但是, 這也暗示出需要使用更多的資源, 並且使防火牆的管理操作變得更加的複雜.應用防火牆含有一個代理程序, 由代理充當一個通信雙方的透明的鏈路, 這樣使得通信雙方能夠通信但是不能進行直接連接.這樣, 應用程序防火牆並不能防止對低層的攻擊, 而且每個應用都需要一個分離的程序, 資源消耗量大, 並且性能比較差.

下一代防火牆[9]代表着對傳統防火牆的一種革命, 通過集成多種安全功能, 如將反垃圾過濾、反病毒軟件、檢測系統或入侵防範等, 整合到一個模塊內或集成為一個平台, 進而提高防火牆的性能.下一代防火牆與傳統的防火牆相比, 還提供了更多粒度的檢測和更加透明的流量狀態.

雖然雲計算能夠增加業務的靈活性、可擴展性和效率, 但是也引進了一些新的安全風險和擔憂.傳統的物理安全解決方案已經變得過時, 因為虛擬機之間的網絡可能不需要越過同一個物理服務器的邊界.直到現在, 虛擬化解決提供商提出了虛擬防火牆作為最好的解決方案[10], 對於孤島以及網絡分析的流量有不同形式的減少.對於Cisco, 它的虛擬安全網關分佈在雲中的物理節點上, 他為指定的管理程序設立一個虛擬防火牆, 而VMware也在安全方面設計了一系列的測量統稱為v Shield模塊.

之前定義的虛擬化防火牆, 是運行在虛擬環境下的, 並且提供類似物理防火牆實現的常規包過濾器和檢測器功能的防火牆服務.它主要有兩個模式:管理程序模式以及橋接模式.管理程序模式是一個運行在虛擬機監控上的虛擬防火牆, 因此, 沒有被看作為網絡的一部分, 只需要管理本地流量.而橋接模式是不同網絡模塊之間的, 可以被看作是一個獨立的虛擬機.這種模式由於可以按需分配資源, 吸引了很多研究者的關注, 但是虛擬機遷移成為了這類型虛擬防火牆的主要問題, 因為它必須要對不同的安全策略進行管理.

這一部分, 對當前物理機和虛擬機上的防火牆部署的現有的各種解決方案進行了概覽.物理防火牆受限於硬件的性能以及部署模型和增加的成本付出.虛擬防火牆是很具有潛力的, 因為它沒有資源上的限制並且支持動態部署.但是, 虛擬防火牆都無力抵抗虛擬機域外的大規模攻擊, 從而影響其可靠性.因此, 本文提出了一個架構同時包含了物理和虛擬部分.通過使用強大的雲計算來提供服務, 抵抗大量攻擊下增長的流量, 在下一節中給出了本文提出的架構.

2 混合架構

本文致力於通過增強現有物理防火牆的計算能力來適應現存的用於下一代寬帶網絡的技術來提升其性能.本文創新之處在於使用由雲計算提供的安全及服務模型 (Secaa S) , 提出了一種混合的架構.這種架構是混合的, 原因是它包含了兩大主要部分, 虛擬部分和物理部分.虛擬部分有多個虛擬機構成, 每個虛擬機執行一個防火牆程序, 他們的功能包括分析、檢測、報告以及許多其他的動態資源配置.物理部分就是企業的物理防火牆, 這個企業同時購買的有云提供商提供的安全服務, 這部分服務作為現有物理防火牆的額外資源作為補充, 其核心的思想是當物理防火牆過載時, 將流量重定向到雲端的虛擬防火牆上.

2.1 物理部分

物理部分是在企業內部開發的模塊, 如圖1所示, 其中的物理防火牆管理中心是一個管理工具, 幫助提供更高的性能和效率的架構管理.它主要由三個模塊構成:認證、決策以及負載平衡, 下面分別對三個模塊進行解釋.

首先, 所運行的環境必須是基於有效證書籤名的可信執行環境.為了這個目標, 需要兩個步驟:進行認證並在物理和虛擬防火牆間建立一個安全的隧道.對於認證模塊提供了使用多種不同認證協議的可能性, 這是由RADIUS服務器所決定的.可以使用開源的工具freeradius, 它允許用户通過PAP、CHAP、MS-CHAP、MS-CHAPv2以及所有的常規的EAP方法進行認證.建議採用基於SSL協議的EAP-TLS, 因為SSL握手是在EAP之上執行的.雖然是網絡上, 但是SSL握手是通過TCP傳輸的, 更加的安全可靠.

決策模塊是物理防火牆管理中心的核心模塊, 它的任務是來判斷是否應該把流量轉交給虛擬防火牆, 以防止物理防火牆負載過多.出於這個目的, 決策模塊需要處理系統和網絡檢測模塊收集到的本地的一些信息.然後根據檢測到的信息可以判定目前防火牆是否過載, 如果超載, 就會將一定量的流量轉移到虛擬防火牆進行分析.如果説沒有負載, 這個模塊繼續執行檢測.至於重定向到虛擬防火牆的流量的百分比, 由企業或者公司的網絡管理員來設定.根據防火牆的負載情況, 如果設計一個程序來進行計算這個百分比將是很有趣的.關於虛擬防火牆過載的一些補充信息將傳遞到虛擬防火牆管理單元的檢測模塊, 從而減速或者改變傳輸參數中的目的地到其他虛擬防火牆或者改變流的類型 (如FTP, HTTP以及SMTP) .

負載平衡模塊接收來自決策模塊的命令, 這個模塊的第一個功能是建立可共享的流量, 這樣就能夠將決策模塊的規則應用到對應的狀態.這個模塊是完全動態的運行模式, 指定的端口、協議以及IP地址.在該模塊運行的時候, 首先需要從決策模塊查詢, 然後從認證模塊取到虛擬防火牆的網絡信息.但是, 為了最優化, 建議採用最少會話算法 (LSA) 來共享接入的流量.正如流量分配的百分比是由網絡管理員控制分配的.負載平衡模塊需要與認證模塊交互以獲得可信的信息 (如IP地址和端口號) 來重定向流量.第二個功能是將虛擬防火牆接收到的沒經過分析處理的流量轉移到企業的本地局域網中.

2.2 虛擬部分

虛擬部分包含一系列的虛擬機, 它們是以Iaa S模式由雲提供商提供的.每一個虛擬機運行一個防火牆, 它們的工作就是仔細的分析由企業配置的物理防火牆轉移過來的流量數據, 然後將合法的數據流量重定向回企業的本地局域網.所以, 每一個虛擬防火牆都配備一個虛擬防火牆管理單元, 如圖1中所示.虛擬防火牆單元是一個可以與物理防火牆中心進行交互的設備, 由三大模塊組成:認證模塊、檢測模塊以及重定向模塊.

其中認證模塊和物理防火牆管理中心的相對應, 他們具有相同的結構配置.檢測模塊正如它名字所暗示, 這個模塊主要是對虛擬防火牆的網絡參數以及系統參數進行檢測.如果虛擬網絡防火牆負荷超載, 它就會發出警告信息到物理防火牆的決策模塊.否則, 這個模塊就繼續執行它的檢測職能.重定向模塊只接受來自物理防火牆的流量, 拒絕其他所有的流量.同時它還要負責轉發虛擬防火牆過濾後的合法流量到物理防火牆管理中心, 最終到達企業內部局域網.

3 測試和結果

為了觀察提出的架構的有效性, 設計開發了一個真實的實驗台, 並分析了提出的混合架構在兩種部署場景下的情況.詳細討論了用來證明本文的部署情況以及測試場景.

提出了兩種安全部署場景來為物理防火牆提供更高的計算能力, 第一種部署就是安全轉發架構, 第二種是安全共享架構.在這兩種部署情況下, 都使用了虛擬化來動態配置資源.虛擬和物理防火牆之間的所有通信都是通過基於EAP-TLS協議的安全隧道進行傳輸的.考慮到基準部署即最基本的單一防火牆架構, 用於和本文提出的兩種架構部署方式進行對比實驗.需要注意的是, 本文選用的基準部署是許多中小型企業中防火牆使用的基本拓撲結構.

安全轉發架構, 在這種架構下, 主要有兩個參與者:物理防火牆 (PF) 和虛擬防火牆 (VF) 節點.將這個拓撲結構下的PF節點等價於一個簡單的路由器, 它只進行轉發所有收到的數據包.利用虛擬節點來確保過濾功能.它的核心思想就是對進入的流量進行檢查, 然後向企業的防火牆轉發過濾後的數據包.這裏的檢查與基本架構下的安全策略完全相同.

安全共享架構擁有同樣的組成成分, 但是它的部署方式不同於安全轉發架構.傳統的防火牆提供的有過濾器的功能, 但是它需要委託一個或多個虛擬防火牆來進行專門的檢驗.事實上, 可以實現一個監控器用來查看網絡以及系統的屬性狀態從而觸發負載平衡.因此, 物理防火牆可以將其負載分發給一個或者多個虛擬防火牆.負載平衡器將一部分流量轉發給一個或多個後端的虛擬防火牆, 同時這些後端防火牆需要向負載平衡器進行信息反饋.

對於每一個進入的流, 所有的負載平衡器 (物理防火牆) 使用最少會話算法共享所有的數據包.這種動態平衡的方法, 通過選擇當前列表中鏈接數目最小的服務器, 並且在這個環境下工作最好的虛擬機配置, 用於負載平衡調用.連接的分佈是由服務器的實時性能以及多方面分析決定的, 例如, 每個節點的當前連接數量或者最快節點的迴應時間.一旦建立負載平衡, 就要攔截流量到虛擬機上來進行分析, 然後再轉發到物理防火牆, 正如之前闡述的架構那樣, 只會把可接受的數據包重定向到企業的防火牆.在這一步驟中, 目的就是減小信令消息以及響應時間從而釋放更多的資源去提高Qo S.

實驗台如圖2所示, 由三個要素構成.防火牆網關:為了保證過濾功能, 使用了Netfilter工具.服務器/客户端:使用這個配置用來檢測和評價本文部署的架構在改善網絡性能後的Qo S等級, 這裏使用了Iperf, 它是具有服務器和客户端模擬的功能, 並且可以通過它來測量端到端的吞吐量.虛擬防火牆:一個實現了過濾功能的虛擬機, 這裏使用了Net Filter, 與防火牆網關具有相似的規則.

分別對三種部署架構進行了實驗:即基本架構、安全轉發架構以及安全共享架構.對於每一個架構, 都測試了性能變化率, 在系統和網絡性能一定, 不同帶寬飽和度變化下的系統整體性能.圖3、圖4和圖5給出了實驗的結果情況.

在圖3中, 可以看出, 隨着帶寬飽和度的增長, CPU負荷也隨之增長.這是由於處理數據包的數目也在不斷地增加.注意到, 安全共享架構能夠多提供10%的負荷, 而且可以看出, 負載不斷增加的情況下安全共享架構與基本架構以及安全轉發架構相比更加的穩定.在圖4中的內存消耗上可以更加確認這一點, 另外可以看出安全共享架構的內存消耗比基本架構的消耗要大, 這主要是因為負載平衡軟件對內存消耗較大, 另外可以發現安全轉發架構的內存消耗更大, 這是由於路由器需要引導未經處理的數據包, 這時也要耗費大量內存.

圖5給出了網絡性能實驗結果.評判網絡質量好壞的一個很重要的參數就是延遲, 從圖中的曲線可以觀察到以下幾點:①提出的兩個架構明顯的改善了網絡延遲狀況.②安全共享架構對延遲的改善要比安全轉發架構更好.③安全共享架構更加的穩定, 平均能夠提升30%的性能.這就更加的支持安全共享架構作為混合架構下最優的部署模式.

4 結論

提出了一種混合防火牆安全架構, 主要是增強物理防火牆的計算能力, 使用雲計算提供的大量資源降低成本投入.該架構能很好地適應現有的下一代寬帶網絡技術.通過設計的仿真測試台, 證明了提出的混合架構的有效性, 實驗結果顯示, 其在系統和網絡性能以及計算能力方面都有很大的提升.

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