研究針對云服務(wù)的混合防火墻技術(shù)論文
摘要：對于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)以及應用, 防火墻是第一道防線(xiàn).盡管通過(guò)現有的方法能夠顯著(zhù)增強系統的安全性, 但很多研究也證明了傳統防火墻的局限性.隨著(zhù)虛擬化和云計算的出現, 基于網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)呈現爆炸式的增長(cháng).面向云服務(wù), 利用無(wú)固有邊界的虛擬化的云來(lái)構建虛擬防火墻, 存在安全性與可靠性無(wú)法有效控制的問(wèn)題.這將導致用戶(hù)無(wú)法正常使用這些云服務(wù), 本文提出了一種有效的混合架構來(lái)權衡云防火墻的性能與可靠性.該混合架構由物理部分和虛擬部分共同構成, 采用虛擬的方法實(shí)現了物理防火墻的基本功能, 同時(shí)保障了云計算節點(diǎn)間的高性能合作, 增強防火墻的計算能力.提出的架構通過(guò)仿真實(shí)驗部署, 結果表明, 基于云計算的混合防火墻機制有效的改善了傳統防火墻的計算能力.
關(guān)鍵詞：防火墻; 網(wǎng)絡(luò )安全; 云服務(wù); 云計算; 混合架構;
防火墻是網(wǎng)絡(luò )服務(wù)以及本地應用安全的主要防線(xiàn), 但是對于很多企業(yè) (尤其是小型企業(yè)) 來(lái)說(shuō), 設立防火墻無(wú)疑增添了他們的成本投資.防火墻對于主流的網(wǎng)絡(luò )架構來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵要素, 它不僅僅只是部署在網(wǎng)絡(luò )的邊緣, 已經(jīng)逐漸升級為一種服務(wù).
對于一個(gè)擁有5Mbps網(wǎng)絡(luò )接入的美國中型大小的公司而言, 物理防火墻的首次部署投資以及維護成本大約是12萬(wàn)美元, 而之后每年的成本支出約為10萬(wàn)美元[1].投資成本之所以這么高, 主要是防火墻需要有專(zhuān)業(yè)的管理員來(lái)進(jìn)行部署、維護、檢測以及調試.而當防火墻需要新技術(shù)更新時(shí), 公司還要花錢(qián)對防火墻管理員進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的培訓.另外, 如果開(kāi)發(fā)出了新的防火墻技術(shù)或者出現了新型的攻擊, 對于防火墻的固件也需要進(jìn)一步升級以提升它的存儲容量和計算能力等.
為了減少防火墻管理以及部署的成本投資, 企業(yè)將他們的防火墻作為服務(wù)外包給第三方提供商, 作為軟件及服務(wù)和效能計算的一部分由云計算來(lái)提供支持[2].更迅速的服務(wù)要求, 迫使企業(yè)經(jīng)常部署、維護他們的應用以及解決方案.隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)連接速度加快以及流量不斷增長(cháng), 導致傳統的防火墻需要分析巨大的流量以增強安全策略, 所以目前防火墻處理的瓶頸是網(wǎng)絡(luò ).
由于虛擬化以及云計算的出現[3-5], 物理防火墻沒(méi)能設計檢測以及過(guò)濾由虛擬機產(chǎn)生的巨大流量.相反, 研究者們設計開(kāi)發(fā)了基于云的防火墻, 作為一種服務(wù)運行在一個(gè)虛擬的環(huán)境當中, 并提供常規的防火墻技術(shù) (如包過(guò)濾以及服務(wù)檢測) .
一般來(lái)說(shuō), 基于云的防火墻遵循以下兩種方法[6]:①虛擬防火墻部署在虛擬監控管理程序上;②虛擬防火墻放置在不同網(wǎng)絡(luò )分段的橋接處, 使他們自己成為一個(gè)虛擬機.然而, 這些方法同時(shí)也給網(wǎng)絡(luò )的性能以及可靠性之間帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰.肯定的是, 他們的確改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò )安全性, 但是卻沒(méi)能夠解決性能的問(wèn)題.由云計算抽象出來(lái)的簡(jiǎn)單靈活與控制服務(wù)行為以及對基礎資源的可見(jiàn)性和可控性之間存在著(zhù)一種基本的權衡關(guān)系.
在監控管理層中進(jìn)行部署, 由于防火墻不會(huì )被視為網(wǎng)絡(luò )中的一部分, 因此可以允許防火墻管理本地流量.另外, 許多研究者都指出了關(guān)于性能、延遲以及可靠性方面的挑戰.在文獻[7]中, 研究者們指出, 目前云計算的主要挑戰為服務(wù)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, 出于這種考慮, 對應用防火墻服務(wù)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(lái)管理基于云的防火墻的性能和可靠性之間的權衡.提出的架構同時(shí)改善了吞吐量以及異常檢測能力, 提高了物理防火墻的計算能力.額外的計算能力的提高是由于采用了虛擬防火墻的理念, 通過(guò)云提供大量的資源.目標是在擁有大量計算能力的云中完成虛擬防火墻的基本功能, 進(jìn)一步解決巨大流量對防火墻性能的影響.實(shí)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(guān)的工作進(jìn)行了介紹, 然后描述了提出的架構, 接下來(lái)列出了測試以及相應的結果, 最后, 對全文進(jìn)行了總結并指出了進(jìn)一步的研究工作.
1 研究背景
防火墻安全策略[8]是一系列的過(guò)濾規則, 它定義了滿(mǎn)足特定條件下的對數據包執行的相關(guān)動(dòng)作.防火墻主要有三種類(lèi)型:包過(guò)濾器、狀態(tài)檢測器以及應用防火墻.最古老的也就是最基本的就是包過(guò)濾器, 路由器對網(wǎng)絡(luò )層或傳輸層的數據包進(jìn)行檢查, 從而獲得好的投遞性能.它的優(yōu)點(diǎn)是適應路由、低開(kāi)銷(xiāo)、高吞吐量以及低成本.但是, 它的安全等級非常的低.
狀態(tài)檢測器提供了一種執行在傳輸層卻對應用層進(jìn)行過(guò)濾的能力.這種防火墻通過(guò)跟蹤連接的狀態(tài)以及阻塞偏離特定狀態(tài)的包, 改善了包過(guò)濾器的.功能.但是, 這也暗示出需要使用更多的資源, 并且使防火墻的管理操作變得更加的復雜.應用防火墻含有一個(gè)代理程序, 由代理充當一個(gè)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(jìn)行直接連接.這樣, 應用程序防火墻并不能防止對低層的攻擊, 而且每個(gè)應用都需要一個(gè)分離的程序, 資源消耗量大, 并且性能比較差.
下一代防火墻[9]代表著(zhù)對傳統防火墻的一種革命, 通過(guò)集成多種安全功能, 如將反垃圾過(guò)濾、反病毒軟件、檢測系統或入侵防范等, 整合到一個(gè)模塊內或集成為一個(gè)平臺, 進(jìn)而提高防火墻的性能.下一代防火墻與傳統的防火墻相比, 還提供了更多粒度的檢測和更加透明的流量狀態(tài).
雖然云計算能夠增加業(yè)務(wù)的靈活性、可擴展性和效率, 但是也引進(jìn)了一些新的安全風(fēng)險和擔憂(yōu).傳統的物理安全解決方案已經(jīng)變得過(guò)時(shí), 因為虛擬機之間的網(wǎng)絡(luò )可能不需要越過(guò)同一個(gè)物理服務(wù)器的邊界.直到現在, 虛擬化解決提供商提出了虛擬防火墻作為最好的解決方案[10], 對于孤島以及網(wǎng)絡(luò )分析的流量有不同形式的減少.對于Cisco, 它的虛擬安全網(wǎng)關(guān)分布在云中的物理節點(diǎn)上, 他為指定的管理程序設立一個(gè)虛擬防火墻, 而VMware也在安全方面設計了一系列的測量統稱(chēng)為v Shield模塊.
之前定義的虛擬化防火墻, 是運行在虛擬環(huán)境下的, 并且提供類(lèi)似物理防火墻實(shí)現的常規包過(guò)濾器和檢測器功能的防火墻服務(wù).它主要有兩個(gè)模式:管理程序模式以及橋接模式.管理程序模式是一個(gè)運行在虛擬機監控上的虛擬防火墻, 因此, 沒(méi)有被看作為網(wǎng)絡(luò )的一部分, 只需要管理本地流量.而橋接模式是不同網(wǎng)絡(luò )模塊之間的, 可以被看作是一個(gè)獨立的虛擬機.這種模式由于可以按需分配資源, 吸引了很多研究者的關(guān)注, 但是虛擬機遷移成為了這類(lèi)型虛擬防火墻的主要問(wèn)題, 因為它必須要對不同的安全策略進(jìn)行管理.
這一部分, 對當前物理機和虛擬機上的防火墻部署的現有的各種解決方案進(jìn)行了概覽.物理防火墻受限于硬件的性能以及部署模型和增加的成本付出.虛擬防火墻是很具有潛力的, 因為它沒(méi)有資源上的限制并且支持動(dòng)態(tài)部署.但是, 虛擬防火墻都無(wú)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(gè)架構同時(shí)包含了物理和虛擬部分.通過(guò)使用強大的云計算來(lái)提供服務(wù), 抵抗大量攻擊下增長(cháng)的流量, 在下一節中給出了本文提出的架構.
2 混合架構
本文致力于通過(guò)增強現有物理防火墻的計算能力來(lái)適應現存的用于下一代寬帶網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)來(lái)提升其性能.本文創(chuàng )新之處在于使用由云計算提供的安全及服務(wù)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(gè)虛擬機構成, 每個(gè)虛擬機執行一個(gè)防火墻程序, 他們的功能包括分析、檢測、報告以及許多其他的動(dòng)態(tài)資源配置.物理部分就是企業(yè)的物理防火墻, 這個(gè)企業(yè)同時(shí)購買(mǎi)的有云提供商提供的安全服務(wù), 這部分服務(wù)作為現有物理防火墻的額外資源作為補充, 其核心的思想是當物理防火墻過(guò)載時(shí), 將流量重定向到云端的虛擬防火墻上.
2.1 物理部分
物理部分是在企業(yè)內部開(kāi)發(fā)的模塊, 如圖1所示, 其中的物理防火墻管理中心是一個(gè)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(gè)模塊構成:認證、決策以及負載平衡, 下面分別對三個(gè)模塊進(jìn)行解釋.
首先, 所運行的環(huán)境必須是基于有效證書(shū)簽名的可信執行環(huán)境.為了這個(gè)目標, 需要兩個(gè)步驟:進(jìn)行認證并在物理和虛擬防火墻間建立一個(gè)安全的隧道.對于認證模塊提供了使用多種不同認證協(xié)議的可能性, 這是由RADIUS服務(wù)器所決定的.可以使用開(kāi)源的工具freeradius, 它允許用戶(hù)通過(guò)PAP、CHAP、MS-CHAP、MS-CHAPv2以及所有的常規的EAP方法進(jìn)行認證.建議采用基于SSL協(xié)議的EAP-TLS, 因為SSL握手是在EAP之上執行的.雖然是網(wǎng)絡(luò )上, 但是SSL握手是通過(guò)TCP傳輸的, 更加的安全可靠.
決策模塊是物理防火墻管理中心的核心模塊, 它的任務(wù)是來(lái)判斷是否應該把流量轉交給虛擬防火墻, 以防止物理防火墻負載過(guò)多.出于這個(gè)目的, 決策模塊需要處理系統和網(wǎng)絡(luò )檢測模塊收集到的本地的一些信息.然后根據檢測到的信息可以判定目前防火墻是否過(guò)載, 如果超載, 就會(huì )將一定量的流量轉移到虛擬防火墻進(jìn)行分析.如果說(shuō)沒(méi)有負載, 這個(gè)模塊繼續執行檢測.至于重定向到虛擬防火墻的流量的百分比, 由企業(yè)或者公司的網(wǎng)絡(luò )管理員來(lái)設定.根據防火墻的負載情況, 如果設計一個(gè)程序來(lái)進(jìn)行計算這個(gè)百分比將是很有趣的.關(guān)于虛擬防火墻過(guò)載的一些補充信息將傳遞到虛擬防火墻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墻或者改變流的類(lèi)型 (如FTP, HTTP以及SMTP) .
負載平衡模塊接收來(lái)自決策模塊的命令, 這個(gè)模塊的第一個(gè)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(tài).這個(gè)模塊是完全動(dòng)態(tài)的運行模式, 指定的端口、協(xié)議以及IP地址.在該模塊運行的時(shí)候, 首先需要從決策模塊查詢(xún), 然后從認證模塊取到虛擬防火墻的網(wǎng)絡(luò )信息.但是, 為了最優(yōu)化, 建議采用最少會(huì )話(huà)算法 (LSA) 來(lái)共享接入的流量.正如流量分配的百分比是由網(wǎng)絡(luò )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(lái)重定向流量.第二個(gè)功能是將虛擬防火墻接收到的沒(méi)經(jīng)過(guò)分析處理的流量轉移到企業(yè)的本地局域網(wǎng)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模式由云提供商提供的.每一個(gè)虛擬機運行一個(gè)防火墻, 它們的工作就是仔細的分析由企業(yè)配置的物理防火墻轉移過(guò)來(lái)的流量數據, 然后將合法的數據流量重定向回企業(yè)的本地局域網(wǎng).所以, 每一個(gè)虛擬防火墻都配備一個(gè)虛擬防火墻管理單元, 如圖1中所示.虛擬防火墻單元是一個(gè)可以與物理防火墻中心進(jìn)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墻管理中心的相對應, 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(gè)模塊主要是對虛擬防火墻的網(wǎng)絡(luò )參數以及系統參數進(jìn)行檢測.如果虛擬網(wǎng)絡(luò )防火墻負荷超載, 它就會(huì )發(fā)出警告信息到物理防火墻的決策模塊.否則, 這個(gè)模塊就繼續執行它的檢測職能.重定向模塊只接受來(lái)自物理防火墻的流量, 拒絕其他所有的流量.同時(shí)它還要負責轉發(fā)虛擬防火墻過(guò)濾后的合法流量到物理防火墻管理中心, 最終到達企業(yè)內部局域網(wǎng).
3 測試和結果
為了觀(guān)察提出的架構的有效性, 設計開(kāi)發(fā)了一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗臺, 并分析了提出的混合架構在兩種部署場(chǎng)景下的情況.詳細討論了用來(lái)證明本文的部署情況以及測試場(chǎng)景.
提出了兩種安全部署場(chǎng)景來(lái)為物理防火墻提供更高的計算能力, 第一種部署就是安全轉發(fā)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(lái)動(dòng)態(tài)配置資源.虛擬和物理防火墻之間的所有通信都是通過(guò)基于EAP-TLS協(xié)議的安全隧道進(jìn)行傳輸的.考慮到基準部署即最基本的單一防火墻架構, 用于和本文提出的兩種架構部署方式進(jìn)行對比實(shí)驗.需要注意的是, 本文選用的基準部署是許多中小型企業(yè)中防火墻使用的基本拓撲結構.
安全轉發(fā)架構, 在這種架構下, 主要有兩個(gè)參與者:物理防火墻 (PF) 和虛擬防火墻 (VF) 節點(diǎn).將這個(gè)拓撲結構下的PF節點(diǎn)等價(jià)于一個(gè)簡(jiǎn)單的路由器, 它只進(jìn)行轉發(fā)所有收到的數據包.利用虛擬節點(diǎn)來(lái)確保過(guò)濾功能.它的核心思想就是對進(jìn)入的流量進(jìn)行檢查, 然后向企業(yè)的防火墻轉發(fā)過(guò)濾后的數據包.這里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于安全轉發(fā)架構.傳統的防火墻提供的有過(guò)濾器的功能, 但是它需要委托一個(gè)或多個(gè)虛擬防火墻來(lái)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的檢驗.事實(shí)上, 可以實(shí)現一個(gè)監控器用來(lái)查看網(wǎng)絡(luò )以及系統的屬性狀態(tài)從而觸發(fā)負載平衡.因此, 物理防火墻可以將其負載分發(fā)給一個(gè)或者多個(gè)虛擬防火墻.負載平衡器將一部分流量轉發(fā)給一個(gè)或多個(gè)后端的虛擬防火墻, 同時(shí)這些后端防火墻需要向負載平衡器進(jìn)行信息反饋.
對于每一個(gè)進(jìn)入的流, 所有的負載平衡器 (物理防火墻) 使用最少會(huì )話(huà)算法共享所有的數據包.這種動(dòng)態(tài)平衡的方法, 通過(guò)選擇當前列表中鏈接數目最小的服務(wù)器, 并且在這個(gè)環(huán)境下工作最好的虛擬機配置, 用于負載平衡調用.連接的分布是由服務(wù)器的實(shí)時(shí)性能以及多方面分析決定的, 例如, 每個(gè)節點(diǎn)的當前連接數量或者最快節點(diǎn)的回應時(shí)間.一旦建立負載平衡, 就要攔截流量到虛擬機上來(lái)進(jìn)行分析, 然后再轉發(fā)到物理防火墻, 正如之前闡述的架構那樣, 只會(huì )把可接受的數據包重定向到企業(yè)的防火墻.在這一步驟中, 目的就是減小信令消息以及響應時(shí)間從而釋放更多的資源去提高Qo S.
實(shí)驗臺如圖2所示, 由三個(gè)要素構成.防火墻網(wǎng)關(guān):為了保證過(guò)濾功能, 使用了Netfilter工具.服務(wù)器/客戶(hù)端:使用這個(gè)配置用來(lái)檢測和評價(jià)本文部署的架構在改善網(wǎng)絡(luò )性能后的Qo S等級, 這里使用了Iperf, 它是具有服務(wù)器和客戶(hù)端模擬的功能, 并且可以通過(guò)它來(lái)測量端到端的吞吐量.虛擬防火墻:一個(gè)實(shí)現了過(guò)濾功能的虛擬機, 這里使用了Net Filter, 與防火墻網(wǎng)關(guān)具有相似的規則.
分別對三種部署架構進(jìn)行了實(shí)驗:即基本架構、安全轉發(fā)架構以及安全共享架構.對于每一個(gè)架構, 都測試了性能變化率, 在系統和網(wǎng)絡(luò )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(shí)驗的結果情況.
在圖3中, 可以看出, 隨著(zhù)帶寬飽和度的增長(cháng), CPU負荷也隨之增長(cháng).這是由于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(fā)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(diǎn), 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(fā)現安全轉發(fā)架構的內存消耗更大, 這是由于路由器需要引導未經(jīng)處理的數據包, 這時(shí)也要耗費大量?jì)却?
圖5給出了網(wǎng)絡(luò )性能實(shí)驗結果.評判網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量好壞的一個(gè)很重要的參數就是延遲, 從圖中的曲線(xiàn)可以觀(guān)察到以下幾點(diǎn):①提出的兩個(gè)架構明顯的改善了網(wǎng)絡(luò )延遲狀況.②安全共享架構對延遲的改善要比安全轉發(fā)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(yōu)的部署模式.
4 結論
提出了一種混合防火墻安全架構, 主要是增強物理防火墻的計算能力, 使用云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(wǎng)絡(luò )技術(shù).通過(guò)設計的仿真測試臺, 證明了提出的混合架構的有效性, 實(shí)驗結果顯示, 其在系統和網(wǎng)絡(luò )性能以及計算能力方面都有很大的提升.
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