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?當前我行科技發(fā)展迅猛，各種新技術、新架構不斷出現(xiàn)，防火墻的安全隔離作為數據中心內部安全管控的必要手段，一方面要保障數據中心安全穩(wěn)定運行，另一方面也要以快捷、穩(wěn)定的方式支持應用系統(tǒng)發(fā)展，進而賦能我行業(yè)務高速發(fā)展。?

1、ALG產生背景

在應用層協(xié)議中，部分協(xié)議有多個通道用于信息交互，例如FTP、SIP、SQLNET等，類似通信網中的“七號信令”。這種多通道的協(xié)議首先需要建立控制通道，然后在控制通道中協(xié)商數據通道的地址和端口，根據協(xié)商結果臨時創(chuàng)建一個或多個數據通道，使用的端口通常不能預先確定，同時數據通道連接建立的方向也不能預先確定，防火墻的安全策略（Policy）和網絡地址轉換規(guī)則（NAT)無法準確描述這些數據通道。因此這種多通道協(xié)議在經過防火墻時往往會出現(xiàn)控制通道可以建立連接，數據通道不能完整建立連接，或沒有反向策略，會導致數據通道通信失敗。對于多通道的應用層協(xié)議，由于防火墻無法檢測上層協(xié)商的數據通道端口，而且也不能提前于應用預先知道數據通道的端口，更無法配置適當的安全策略。

(資料圖)

另外在NAT的應用場景中，防火墻的NAT功能僅對IP網絡層報文的報文頭進行IP地址的識別和轉換，對于應用層協(xié)商過程中報文載荷攜帶的地址信息無法進行識別和轉換，因此在NAT的應用場景中，多通道的協(xié)議的數據通道也不能建立。

2、什么是ALG

ALG（Application Level Gateway）全稱應用網關，ALG技術可以識別典型多通道應用協(xié)議IP報文數據載荷中攜帶的地址和端口信息，結合嚴格安全策略控制特性可支持動態(tài)通道的檢測功能，以及對應用層的狀態(tài)檢測功能：多通道協(xié)議的報文交互過程中協(xié)商動態(tài)通道的地址和端口，在安全訪問策略的控制下，可以通過開啟pinhole來完成數據通道的連接。

3、ALG實現(xiàn)原理介紹

防火墻通過Policy使網絡安全和可控，而防火墻的Policy和NAT規(guī)則只能對傳輸層的控制做靜態(tài)的描述，卻不能對應用層做控制描述。傳輸層只是應用層信息傳輸的網絡通道（TCP/IP連接），許多應用使用知名端口做控制連接，而數據傳輸使用動態(tài)、臨時協(xié)商建立起來的動態(tài)連接，不是預先確定的，防火墻無法準確描述這些動態(tài)連接，能否穿越防火墻就不確定。

（1）ALG通過以下手段解決應用層動態(tài)連接穿越防火墻問題

1)提供動態(tài)連接訪問外網所需的外網地址和端口以及地址端口轉換關系；

2) pinhole對動態(tài)建立的session進行處理，確保連接建立成功。

（2）ALG模塊定義了一個與應用層動態(tài)連接相對應的pinhole對象來為動態(tài)連接在防火墻中建session，用來實現(xiàn)防火墻穿越。pinhole描述了動態(tài)連接的session信息、外網地址和端口資源，但pinhole不是session。

（3）防火墻工作處理流程

防火墻需要應用網關去分析應用層的內容，如果應用層要協(xié)商和發(fā)起數據連接，那么應用層將要建立的連接用expect flow描述，將expect flow用作參數調用相應的ALG APIs生成和安裝pinhole。pinhole生成后，有數據連接所需的外網地址和端口，必要時應用代理修改應用的內容，轉換協(xié)商的地址和端口。

數據連接發(fā)起報文到達防火墻的時候，會先匹配pinhole，然后從pinhole建session。如果pinhole沒有匹配上，則匹配Policy建session。

4、FTP協(xié)議及FTP ALG應用網關詳解

4.1FTP協(xié)議交互過程

（1）主動模式（Port）

在主動模式下，F(xiàn)TP客戶端從任何非特殊端口(例如源端口N=1024)連接到FTP服務器-port 21的命令端口。然后客戶端在N+1(N+1=1025)端口監(jiān)控，通過N+1(N+1=1025)端口向FTP服務器發(fā)送命令(PORT=1025)。服務器使用源端口20連接到FTP客戶端在本地指定的數據端口(1025)。交互過程如下：

控制連接：客戶端>1024端口—>服務器21端口

數據連接：客戶端>1025端口<—服務器20端口

圖1

（2）被動模式(PASV)

在被動模式下，控制通道和數據通道都由客戶端發(fā)起。當打開一個FTP連接時，F(xiàn)TP客戶端打開兩個任意的非特權本地端口(N=1024和N+1=1025)。第一個端口連接到服務器的端口21，但與主動模式下的文件傳輸協(xié)議不同，客戶端不會提交port命令并允許服務器來連接其數據端口，而是提交PASV命令。因此，服務器將開放一個任意的非特定端口(P=1034)，并向客戶端發(fā)送端口PASV命令。然后客戶端啟動從本地端口N +1到服務器端口P的連接，以傳輸數據。交互過程如下：

控制連接：客戶端>1024端口—>服務器21端口

數據連接：客戶端>1025端口—>服務器1034端口

圖2

4.2 防火墻ALG FTP詳解

（1）FTP主動模式

FTP 客戶端主動模式下穿越防火墻的過程可以分為4步，詳細過程如下：

圖3

?控制通道session新建

防火墻收到從客戶端到服務器的首包會新建session。因為此時系統(tǒng)中沒有pinhole，所以會跳過pinhole查找過程。然后查找Policy，在防火墻配置了Policy允許客戶端訪問FTP服務，所以能匹配到Policy，新建控制session。

?控制連接報文解析

FTP主動模式下載文件時，會先發(fā)送PORT命令，其格式為：PORT h1,h2,h3,h4,p1,p2\r\n。防火墻解析到PORT命令時，新建pinhole。如果當前session有SNAT，修改PORT命令中的內容為SNAT后的IP和端口。將報文內容PORT 192,168,1,2,67,131\r\n修改為PORT 192,168,2,1,4,2\r\n，新建圖中pinhole。

?數據session新建

FTP主動模式的數據連接由服務器主動發(fā)起。防火墻收到數據連接首包時，同樣進入新建session流程。此時系統(tǒng)中有pinhole，會先查找pinhole。匹配到pinhole，新建數據session。根據FTP協(xié)議的特點，每次數據傳輸都會重新發(fā)送PORT命令，每次數據傳輸使用的端口號也不同，所以FTP協(xié)議的pinhole在查找到之后就會刪除。

?數據連接報文處理

FTP數據連接報文ALG不需要處理。數據傳輸過程中，數據session的計時器會不斷刷新。直到數據傳輸結束，四次揮手斷開連接，數據session拆除。

（2）FTP被動模式

FTP 客戶端被動模式下穿越防火墻的過程可以分為4步，詳細過程如下：

圖4

?控制session新建

防火墻收到從客戶端到服務器的首包，新建session。因為此時系統(tǒng)中沒有pinhole，所以會跳過pinhole查找過程，繼而查找Policy。在防火墻配置了Policy允許客戶端訪問FTP服務，所以能匹配到Policy，新建控制session。

?控制連接報文解析

FTP客戶端使用被動模式下載文件時，首先發(fā)送PASV命令，服務器收到PASV命令報文后，選用臨時端口作為數據連接端口，并向客戶端返回227響應碼，報文格式為：227 Entering Passive Mode. h1,h2,h3,h4,p1,p2\r\n。防火墻解析到227響應報文后，如果當前session有DNAT，修改報文中的IP和端口，并新建pinhole。

?數據session新建

FTP被動模式的數據連接由客戶端發(fā)起。防火墻收到數據連接首包時，同樣進入新建session流程。此時系統(tǒng)中有pinhole，會先查找pinhole。匹配到pinhole，新建數據session。

?數據連接報文處理

FTP數據連接報文，ALG無需處理。數據傳輸過程中，數據session的計時器會不斷刷新。直到數據傳輸結束，四次揮手斷開連接，數據session拆除。

5、SIP協(xié)議及SIP ALG應用網關詳解

5.1SIP協(xié)議原理

SIP是一種應用層控制協(xié)議，用于建立、修改和終止雙方或多方多媒體會話，應用在VoIP、多媒體分發(fā)、多媒體會議領域。SIP協(xié)議棧如圖所示。SIP協(xié)議通信包括控制信令（signaling）和媒體數據兩個信道：控制信令信道用于客戶端和服務器之間的請求和響應消息，傳輸層基于TCP或者UDP，服務器使用端口5060；媒體數據信道用于傳輸音視頻數據，傳輸層基于UDP，使用動態(tài)端口。

表1

SIP協(xié)議在網絡中的實體包括兩種：SIP用戶代理（User Agent）和SIP服務器。SIP用戶代理是終端用戶設備，如 SIP 電話機、SIP客戶端軟件等，用于發(fā)送SIP請求或者接收到請求后進行響應。SIP服務器主要進行請求轉發(fā)、接收注冊請求和提供定位服務。SIP VoIP典型部署如圖所示：企業(yè)內網部署有SIP服務器和SIP終端Phone B，Phone B和遠程SIP終端Phone A之間可以通過SIP協(xié)議進行網絡電話。

圖5

SIP消息分為請求消息和響應消息兩種類型。下面是一個呼叫請求消息的實例：

圖6

可以看到，SIP消息包括三部分：起始行、消息頭和可選的消息體。起始行包括消息類型、請求URI和SIP版本號。常見的消息類型包括INVITE、ACK、OPTIONS、BYE、 CANCEL、REGISTER，其作用見下表所示：

表2

請求URI表示請求的用戶或者服務的地址信息。SIP版本號，即所使用的SIP協(xié)議的版本號。

SIP消息頭部包含多個字段，其含義如下表所示：

表3

一個響應消息的實例如下所示：

圖7

響應消息與請求消息的不同之處是初始行是狀態(tài)碼。狀態(tài)碼由3位整數組成，第一位用于表示響應類型，后兩位用于對響應進一步解釋。各響應碼類型的含義如下表所示：

表4

5.2防火墻ALGSIP詳解

上述對SIP協(xié)議的工作過程進行了簡單的介紹，下面以典型部署為例介紹SIP協(xié)議如何穿越防火墻。假設SIP服務器所在網段為192.168.2.0/24，PhoneA所在的網段為192.168.100.0/24。SIP服務器的IP地址為192.168.2.4，在防火墻配置了DNAT，對外的地址是192.168.100.4。Phone B的IP地址為192.168.2.3，對外的IP地址為192.168.100.3。Phone A的IP地址為192.168.100.2。

條件：防火墻配置策略允許SIP服務流量通過

下面分別介紹SIP注冊以及外網SIP終端Phone A呼叫內網終端Phone B的流程和防火墻SIP ALG的實現(xiàn)。

（1）SIP注冊流程

SIP協(xié)議提供地址發(fā)現(xiàn)的能力。當一個用戶代理想要建立會話時，將會話請求發(fā)送到代理服務器。服務器查詢注冊信息，得到另一方的地址信息，并將請求轉發(fā)到對應的地址。

注冊請求消息用于用戶代理將當前地址信息發(fā)送到服務器，Phone A注冊報文格式如下所示，其中Contact字段攜帶了Phone A當前的地址。

圖8

注冊報文的處理流程如下圖所示。防火墻在收到這個注冊報文時，也會生成一個綁定關系，即記錄Phone A的地址信息192.168.100.2:5060生成一個pinhole，用于其他實體向Phone A發(fā)送的會話請求消息能通過防火墻。根據NAT配置修改頭部的各個字段，例如在本例中，SIP server在防火墻配置有DNAT，將初始行的請求URI地址由192.168.100.4修改為192.168.2.4。

圖9

（2）SIP呼叫流程

Phone A呼叫Phone B的報文交互流程如下圖所示：

圖10

用戶在Phone A撥號222呼叫Phone B。此時Phone A發(fā)送INVITE請求消息到SIP server。防火墻收到INVITTE報文，解析其中的c和m字段，本例中c= IN IP4 192.168.100.2，m=audio 5000 RTP。新建pinhole，目的地址為192.168.100.2:5000。每一個RTP通道有一個對應的RTCP通道，通信端口是RTP端口號加1，所以會再為RTCP通道建一個pinhole，目的地址為192.168.100.2:5001。然后根據當前session的NAT配置修改頭部字段中的IP地址，本例中SIP server在防火墻配置有DNAT，將初始行的請求URI地址由192.168.100.4修改為192.168.2.4。

SIP server接收到INVITE請求消息，會先返回一個100 tring響應消息，表示消息正在處理。之后根據電話號碼222查詢注冊信息數據庫，找到Phone B當前地址，將INVITE請求消息轉發(fā)到Phone B。

Phone B接收到INVITE請求消息，開始響鈴，并返回180 ring響應消息到SIP服務器。SIP服務器轉發(fā)180 ring響應消息到Phone A，提示用戶正在響鈴。當Phone B電話被接起，發(fā)送200 ok響應消息。200 ok響應消息同樣由SIP服務器轉發(fā)到Phone A。防火墻解析到200 oK響應消息時，同樣解析其中的消息體，本例中200IOK響應消息的c= IN IP4 192.168.2.3，m= audio 6000 RTP/AVP，因為PhoneB對外地址是192.168.100.3，修改c字段為c= IN IP4 192.168.100.3，并為RTP信道新建pinhole：0.0.0.0:0 -> 192.168.100.3:6000。同理，將RTP端口號加1作為RTCP通道端口號，并新建pinhole：0.0.0.0:0 -> 192.168.100.3:6001。將頭部字段Record-Route從192.168.2.4修改為192.168.100.4。

Phone A接收到200 OK響應消息后，向Phone B發(fā)送ACK確認消息。因為SIP服務器向INVITE請求中插入了Record-Route字段，表示之后的請求消息也經過SIP服務器，所以Phone A發(fā)送的ACK消息經SIP服務器轉發(fā)到Phone B。ACK請求消息如下所示：

圖11

之后Phone A和Phone B之間媒體通信，防火墻會創(chuàng)建RTP和RTCP session。

通話結束，Phone A掛斷電話，發(fā)送BYE請求消息，同樣由SIP服務器轉發(fā)到Phone B。Phone B收到BYE請求消息，發(fā)送200 OK響應。至此通話結束。

（3）增刪NAT及Policy的影響

NAT配置改動，會觸發(fā)SIP 信令session重新匹配NAT規(guī)則。如果不能匹配新的NAT規(guī)則，session會被拆除。對數據session無影響。

Policy配置改動，會觸發(fā)SIP 信令session重新匹配Policy。如果不能匹配新的Policy，session會被拆除。對數據session無影響。

6、ALG支持的其他應用

除了FTP和SIP以外，一些VoIP 應用在進行NAT 穿越時，由于IP 地址和端口號的改變可能導致VoIP 無法正常工作，ALG 技術在此時將保證NAT 地址轉換后，VoIP 應用能夠正常通信。因此，應用層網關提供以下功能：

?在嚴格的安全策略規(guī)則下，利用應用層網關 ALG 技術，保證多通道應用程序正常的通信，如FTP、TFTP、PPTP、RTSP、RSH、MSRPC、SUNRPC 和SQLNET。

?保證 VoIP 應用，如SIP 和H.323 等，在NAT 模式下的正常工作，并能夠根據安全策略要求，進行監(jiān)控和過濾。

7、總結

當前我行科技發(fā)展迅猛，各種新技術、新架構不斷出現(xiàn)，防火墻的安全隔離作為數據中心內部安全管控的必要手段，一方面要保障數據中心安全穩(wěn)定運行，另一方面也要以快捷、穩(wěn)定的方式支持應用系統(tǒng)發(fā)展，進而賦能我行業(yè)務高速發(fā)展。