（计算机应用技术专业论文）modelingdesign+and+analysis+of+firewall+switch+for+high+speed+networks.pdf

华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = o = = = = ；= = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = 摘要 防火墙是一种最常用的安全防护系统，用于保护网络和主机。由于防火墙需要能够提供 多样的特性和服务，所以显然该系统的实现取决于基本的网络技术。在不同的防火墙结构 中，一种基于路由器的数据包滤选防火墙是最为普遍的，且是保护企业级网络免受不合法访 问的最有效的方法。但是，这种防火墙结构在a t m 网络中却不能有效地t 作，因为它要求 中断在数据包滤选路由器中的端对端的a t m 连接这将会产生一个巨大的s a r ( 分刮和再 新装配) 开销。在过去几年中对于这个问题所提出的解决方法的数量很少：与过去的这些解 决方法不同的是，论文着重十研究现存防火墙交换机的限制并提出了一些缺陷的解决办法。 最近，a t l a s 和其它的a t m 防火埔交换机被_ e j 于保护高速的a t m 网络免受入侵，但 是有如下的限制：它们只在o c 一3 c 上运行数据包级滤选来避免s a r ，对于每一个数据包他们 只检验第一个数据单元。要么通过，要么滤除! 它们使用一种超高速缓冲存储器结构柬加速 滤选运算。核心结构是超高速缓冲存储器( c a m ) ，一日数据包进入超高速缓冲存储器，数 据包内的数据单元将被转发。另外，第一个数据单元将经过一个软件筛选过程，其它的数据 单元在一个队列中进行缓冲存储。这种方法将导致不想要的滤选延迟，交换机无法接受包含 i p 选择帧的i p 数据包，通常这些i p 数据包对十使用和管理都不是有利的。在此篇沦义中我 们提出了种新的a t m 酾火墙结构，能够解决某些限制问题和其它的安全补丁，并侵吞吐 量达到2 8 8 g b i t e s s e c 及更高。 沦文日的在十寻找能为高速网络技术提供防火墙安全服务的机制。我们分析了一种为 a t m 及a t m 之上的l p 提供高速访问控制的防火墙结构。我们提出的方案所做的大多数更改 是根据我们所描述的防火墙模型而集中于访问控制过程的效率作的。此外我们提出的方案为 安全部门提供了通过访问控制参数( 例如q o s ( 服务质量) ) ，滤选a t m 通信的能力。 总之，此篇论文清晰地描述了我们所提出的防火墙交换机的模型、设计以及分析，这种 防火墙用于解决现肓数据包级滤选以及a t l a sa t m 防火墙交换机的限制问题。我们的丁作 同时提供了一个瀑市模型的结构，在这个结构中我们口j 以设计、分析和评估防火墙系统和其 它的组件。 关键字：防火墙，异步传输模式，路由器，滤选，数据包分割，苇新装配 i j i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r e w a l l sa r eo n eo ft h em o s t c o m m o n l y u s e ds e c u r i t ys y s t e m st op r o t e c tn e t w o r k sa n dh o s t s b e c a u s es e w 缸l so f f e ra v a r i e t yo ff e a t u r e sa n ds e r v i c e si ti sc l e a rt h a tt h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h es y s t e md e p e n d so ni t s u n d e r l y i n gn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s a m o n gt h ed i f f e r e n t f i r e w a l la r c h i t e c t u r e sar o u t e r - b a s e d p a c k e t - f i l t e r i n gf i r e w a l l i st h em o s tc o m m o na n d e f f e c t i v ew a yo fp r o t e c t i n ga ne n t e r p r i s en c t w o r kf r o mu n a u t h o r i z e da c c e s s h o w e v e r i t w i l ln o tw o r k e f f i c i e n t l yi na na t mn e t w o r kb e c a u s ei tr e q u i r e st h et e r m i n a t i o no fe n d t o e n da t mc o l l n e c t i o a sa ta p a c k e t - f i l t e r i n gr o u t e r w h i c hp r o d u c e sah u g eo v e r h e a do fs a r ( s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y ) v e r yf e wa p p r o a c h e st ot h i sp r o b l e mh a v eb e e np r o p o s e d i n p r e v i o u sy e a r s ；d i f f e r e n t f r o mt h i s a p p r o a c h ，t h i s r e s e a r c hf o c u s e so ns t u d y i n gt h e l i m i t a t i o n so ft h ee x i s t i n gf i r e w a l ls w i t c h e sa n d p r o p o s e ss o l u t i o n sf o rt h ed r a w b a c k s r e c e n t l ya t l a s a n do t h e ra n 矗f i r e w a l ls w i t c h e sa r eu s e dt op r o t e c th i 吐s p e e da t m n e t w o r k sf r o mi n t r u d e r sb u tt h es w i t c h e sh a v et h e f o l l o w i n gl i m i t a t i o n s ；t h e yp e r f o r m p a c k e t l e v e lf i l t e r i n ga to n l y0 c 一3 c ，t oa v o i ds a r ，f o re a c hp a c k e tt h e yo n l yc h e c k st h e f i r s tc e l l ，p a s so rf a i l ! t h e yu s ea p o l i c yc a c h ea r c h i t e c t u r et os p e e dt h ef i l t e r i n go p e r a t i o nu p c o r eu n i ti s p o l i c yc a c h e ( c a r d ) i f h i tc a t h e ，t h ep a c k e t sc e b sa r ef o r w a r d e d 0 t h e r w i s e t h ef i r s tc e l lg o t h r o b g h a s o f t w a r e - s c r e e n i n gp r o c e s sa n do t h e rc e l l sa r eb u f f e r e di naq u e u e a n dt h i sr e s u l t su n w a n t e dd e l a yi nf i l t e r i n g ，t h es w i t c hd o e sn o ta c c e p ti pp a c k e t s 、玑t l l 口 o p t i o nf i e l d s ，a n di ng e n e r a lt h e ya r en o tf r i e n d l yf o rm a n a g e m e n ta n da d m i n i s t r a t i o n h e r e i nt h i sd i s s e r t a t i o nw ep r o p o s ean e wa t mf i r e w a l la r c h i t e c t u r et h a ts o l v e st h es t a t e d l i m i t a t i o n sa n do t h e rs e c u r i t yp a t c h e sw i t h2 8 8g b i t e s s e ct h r o u 吐p u ta n dab e t t e rw o r k i n g p e r f o r m a n c e t h ed i s s e r t a t i o na d d r e s s e st h es e a r c hf o rm e c h a n i s m st h a tc a np r o v i d ef i r e w a l l s e c u r i t y s e r v i c e sf o r h i 曲s p e e dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s w ed e s c r i b ea na r c h i t e c t u r ep r o v i d i n ga h i g hs p e e da c c e s s c o n t r 0 1s e r v i c ef i r e w a l lf o ra t ma n di po v e rn 眦n c t w o r k s m o s to ft h e a l t e r n a t i v e st oo n rp r o p o s a lf o c u so nt h ee f f i c i e n c yo ft h ea c c e s s c o n t r o lp r o c e s sa c c o r d i n g t ot h ef i r e w a l lm o d e lw ed e p i c t e d m o r e o v c r o u rp r o p o s a lg i v e st h es e c u r i t yo f f i c e rt h e a b i l i t yt of i l t e r a t mt r a f f i c st h r o u 曲a c c e s s c o n t r o lp a r a m e t e r ss u c ha s q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) k e y w o r d s ：f i r e w a l l ，a t m ，r o u t e r ，f i l t e r i n g ，p a c k e t ，s e g m e n t a t i o n ，r e a s s e m b l y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明弓i 用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：d 拱吃3 b 丫口k t 皂孑 b 期：2 口口蚪年0 5 月1 3 扫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被套阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：傍谚7 矿k 码指导教师戤：z 氧器枉 日期：如q 年口，月1 3 日 华中科技大学顽士学位论文 p r e f a c e f i r e w a l l sa r e w i d e l yu s e ds e c u r i t ym e c h a n i s m i nt h ei n t e r a c tt o d a y t h e ya r em o s t l yu s e dt o p r o v i d ea c c e s s c o n t r o la n da u d i ta tt h eb o r d e rb e t w e e nt h ep u b l i ci n t e r a c ta n dp r i v a t e n e t w o r k s ，b u ta r ea l s ou s e dt os e c u r ec r i t i c a ls u b n e t s w i t h i np r i v a t en e t w o r k s c l a s s i c a l l y f i r e w a l lt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dt ot c p 佃( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l a n di n t e m e tp r o t o c 0 1 ) f i r e w a u sa r eu s e dt og u a r da n di s o l a t ec o n n e c t e ds e g m e n t so f i n t e r n e tw o r k s i n s i d en e t w o r kd o m a i n sa r ep r o t e c t e da g a i n s to u t s i d eu n t r u s t e dn e t w o r k s ，o r d a n so fan e t w o r ka r ep r o t e c t e da g a i n s to t h e rp a r t s v a r i o u sa r c h i t e c t u r e sf o rf i r e w a l l sh a v e b e e np u b l i s h e da n db u i l ts oa st os t r e n g t h e nt h es e c u r i t yo fa l le n t e r p r i s eo lp r i v a t en e t w o r k s b u tm o s to ft h e s ea r c h i t e c t u r e sw e r en o ts o l e i n gt h ep r o b l e m sa n dt h ed r a w b a c k so ft h e c l a s s i c a lf i r e w a i lw h i c hi sa p p l i e df o rh i 曲p e r f o r m a n c ea t mn e t w o r k s a t mi sa n o t h e rs o m e w h a ti l e w e rt r e n di nn e t w o r k i n gt o d a y a t mp r o v i d e sas c a l a b l eh i g h s p e e dn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e ，b a s e d o nt h ec o n c e p t so ff i x e dl e n g t hc e l l sa n dv i s u a lc i r c u i t s t h e s e c o n c e p t u a ld i f f e r e n c e st ol e g a c yn e t w o r k sa n d t h eh i g ht h r o u g h p u to fa t mn e t w o r k s p r e s e n tb o t hc h a l l e n g e sa n d n e w o p p o r t u n i t i e sf o rf i r e w a l lc o n c e p t s i nt h i sd i s s e r t a t i o nw es h o wt h a tt h ec l a s s i c a la p p r o a c hs u p p l y i n gt h ea c c e s sc o n t r o ls e r v i c e ( c o m m o n l yc a l l e df i r e w a l l ) i su n a b l et op r e s e r v et h eo o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) w et h e n d e s c r i b ean e wa c c e s sc o n t r o la r c h i t e c t u r ef o ra t ma n di p o v e r a t mn e t w o r k sw h i c hd o e s n o ta l t e rt h en e g o t i a t e dq o s w e o r g a n i z e dt h eo u t l i n eo ft h ed i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ：c h a p t e r1 d e s c r i b e st h el i t e r a t u r e r e v i e wa n dr e l a t e dw o r k sw h i c hw e r ep r o p o s e da ss o l u t i o n sf o rt h e e x i s t i n gf k e w a l l p r o b l e m s ，c h a p t e r2 颤v e sa n o v e r v i e wo ft h et r a d i t i o n a lf i r e w a l la r c h i t e c t u r ea n dt h e c u r r e n ts t a t eo fa r t a n di ta l s oe x a m i n e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n g f i r e w a l ls y s t e m t h ec h a p t e ra l s oe m p h a s i z e st h eh i g hp e r f o r m a n c en e t w o r kt e c h n o l o g i e si n r e l a t i o nw i t ht h e e x i s t i n g f i r e w a l l t e c h n o l o g y c h a p t e r 3 p r e s e n t s t h e a n a l y s i s a n d a r c h i t e c t u r eo fa na t m s e c u r i t y i nc h a p t e r4w e w i l lp r e s e n tt h ef i r e w a i ll i f ec y c l ec h o s e n f o rt h ed e s i g no fo u rs y s t e ma n dw ew i l ld e s c r i b eo a r d e s i g no f ah i 吐p e r f o r m a n c ef i r e w a l l t h ec h a p t e ra l s os t i p u l a t e st h ec l a s s i f i c a t i o n a r c h i t e c t u r ea n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i so fo u r f i r e w a l ls w i t c h f i n a 岫，t h es u m m a r ya n dc o n e | u s i o no ft h er e s u l t sa r ep r e s e n t e d i v 华中科技大学硕士学位旨文 1l i t e r a t u r er e v i e w 1 1i n t r o d u c t i o n n e t w o r k s e c u r i t yi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf i e l d sd e a l i n gw i mt h ei n t e r n e t t h ea b i l i t yt o a c c e s sa n dt r a n s f e ri n f o r m a t i o ni naf e ws e c o n d sa l l o w st h eg o v e m m e n lc o m p a n i e s ， e d u c a t i o n a li n s t i t u f i o n s ，a n di n d i v i d u a l st oa c c e l e r a t ea n df a c i l i t a t et h c i rw o r ka c t i v i t i e s h o w e v e r , i n f o r m a t i o nc a nb ev e r yv a l u a b l ea n dt h e r ei san e e df o rb e a e ra n df a s t e rs e c u r i t y s y s t e r n st op r o t e c ti n f o r m a t i o na n dn e t w o r k s a t t a c k sa i i ep r e v a l e n t o i lt h el i l t c r n e t a n df o r t h a tr e a s o nf i r c w a l l s ，i n t r u s i o nd e t c c t i o ns y s t e m s ，v i r u ss c a n n e r s , f i l ep r o t e c t i o na n d i n t e g r i t yc h e c k ss o f t w a r e ，b u f f e ro v e r f l o wp r o t e c t i o nt e x & n l q u 髓，a n de n c t y p t i o nt o o l sh a v e b e e n d e v e l o p e d a ss e c u r i t ys e r v i c e st op r o t e c ts y s t e m sa n di n f o r m a t i o n i l lt h er e c e n tp a s t m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dd e v e l o p i n gs e c u r i t ys e r v i c e sf o ra t m n e t w o r k s t h i sr e s u l t e di nt h ec r e a t i o no fm a n yw o r k i n gg r o u p sw i t h i n ( a n do u t s i d e ) t h e s t a n d a r d i z a t i o nb o d i e s o n eo ft h e mi st l l es e c u r i t yw o r k i n gg r o u po ft h ea t mf o r u m c r e a t e di n1 9 9 5 w h i c hr e l e a s e di t sv e r s i o n1 o s p e c i f i c a t i o n s i n f e b r u a r y 1 9 9 9 c o n f i d e n t i a l i t y ，a u t h e n t i c a t i o n ，i n t e g r i t y a n ds o m ek i n do fa c c e s s - c o n t r o lh a v e b e e n c o n s i d e r e d a c c e s sc o n t r o la sd e f i n e db yt h ei s oi sas e c u r i t ys e r v i c eu s e dt op r o t e c t r e s o u r c e sa g a i n s tu n a u t h p r i z e du s e t h ea t m t e c h n o l o g yh a sb e e ns p e c i f i e dt ot r a n s p o r t v a r i o u sk i n d so ff l o w sa n da l l o w su s e r st os p e c i f yt h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) a p p l y i n gt o t h e s ef l o w s c o m m u n i c a t i o n sa r ec o n n e c t i o no r i e n t e da n das i g n a l i n gp r o t o c 0 1i su s e dt os e t u p ，c o n t r o la n dr e l e a s ec o n n e c t i o n s 1 2r e i a t e dw o r k s e v e r a ls o l u t i o n sh a v eb e e np r o p o s e di no r d e rt op r o v i d es o m ek i n do fa c c e s s c o n t r o li n a t ma n dl p o v e r a t mn e t w o r k s t h i ss e c t i o ni sd i v i d e di n t of o u rp a r t s i nt h ef i r s tt w o p a r t sw ec o n s i d e rt h ea d a p t a t i o no f ”e l a s s i c a l ”i n t e r n e ta c c e s sc o n t r o la r c h i t e c t u r e ss u c ha s p cb a s e df l r e w a l l so rf i l t e r i n gt o u t e r st oa t mn e t w o r k s i nt h et i f f r dp a r tw ed e s c r i b et h e s o l u t i o np r o p o s e db yt h ea t mf o r u m i nt h ef o u r t hp a r tw ed e s c r i b ev a r i o u ss o l u t i o n s p r o p o s e dt oi m p r o v e t h e ”c l a s s i c a l ”f i r e w a l ls o l u t i o n 1 2 1t h et r a d i t i o n a lf i r e w a l l t h es i m p l e s ts o l u t i o n 【1 1i st ou s eac l a s s i c a lf i f e w a l ll o c a t e db e t w e e nt h ei n t e r n a la n d p u b l i cn e t w o r k si n o r d e rt o p r o v i d et h ea c c e s s c o n t r o ls e r v i c e a l t h o u 吐f i r e w a l l sc a n p r o v i d ea na c c e s s c o n t r 0 1s e r v i c ea tt h ep a c k e t ，c i r c u i t a n da p p l i c a t i o nj e v e l s w ew i l lh e r e f o c u so nt h ep a c k e t f i l t e r i n gp r o c e s s p a c k e tf i l t e r sa r eu s u a l l yi m p l e m e n t e du s i n gar e g u l a r p cr u n n i n ga no i f - t h e s h e l fo p e r a t i n gs y s t e ms u c ha sl i n u x ，f r e e b s do ro p e n b s d t h e p a c k e t f i l t e r i n gp r o c e s si nt h e s es y s t e m si sp e r f o r m e de i t h e ri nt h ei pl a y e ro ri u al a y e r b e t w e e nt h ea a l ( a t m a d a p t a t i o nl a y e r ) l a y e ra n dt h ei pl a y e r a ss u c h t h ea t m n e t w o r ki sc o n s i d e r e da sal e v e l2l a y e ro f f e r i n gp o i n t t o - p o i n tc o n n e c t i o n s a sar e s u l t 、 1 华中科技大学硕士学位论文 a c c e s s - c o n t r 0 1a tt h ea t m 1 e v e li sn o tp o s s i b l e 1 1 1a n yc a s e ，t h ep a c k e t f i l t e r i n gp r o c e s si s p e r f o r m e do na a l f r a m e so ri pd a c k e t sw h i c hm e a n st h a ta a lf r a m e sa r ef i r s tc o p i e di n m e m o r yf r o mt h en e t w o r ki n t e f f a c e c a r da n dt h e na n a l y z e d t h i sl e a d su st ot h ef i r s t l i m i t a t i o no ft h i st y p eo fi m p l e m e n t a t i o n t h et h r o u g h d u to fc u l y e n tp c ib u s e sr a n g e sf r o m 1 0 6 4 m b s ( 3 2b i t s ，3 3 m h z ) t o4 2 5 6 m b s ( 6 4b i t s ，6 6 m h z ) w h i c hm e a n s t h a tt h em a x i m u m t h e o r e t i c a lt h r o u g h p u tt h a tc a nb eh a n d l e db vc l a s s i c a lf i r e w a l l si s1 0 6 4 m b s s i n c ef l o w s a r eb i d i r e c t i o n a l h o w e v e r t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ep c ib u si m p l i e st h a tt h i sb a n d w i d t hi s s h a r e dw i t ho t h e rd e v i c e sa n di su s e dt ot r a n s p o r ta d d r e s s e s a n o t h e rp r o b l e mw i t hp cb a s e df i f e w a l l si st h a tc u r r e n tp a c k e tc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m s u s u a l l yp r o v i d eaw o r s t c a s ea n a l y s i st i m ei n0 佃1 w h e r eni st h en u m b e ro fa c c e s s c o n t r o l t a l c s a sar e s u l 4i ti sn o tr e a s o n a b l et oe x p e c ta6 4b i t2 g h zp r o c e s s o rt ob ea b l et 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