计算机网络安全防护体系中防火墙技术的应用分析

摘要：网络安全问题日益突出，成为各类组织和个人的重要挑战。文章探讨防火墙技术在计算机网络安全中的应用与实践，分析其关键技术及在包过滤、屏蔽主机、屏蔽子网和Web应用中的具体应用方法。研究采用文献分析、案例研究和实验研究等方法，以期为网络安全领域的研究和实践提供参考与支持。

关键词：防火墙技术；计算机网络安全；安全运用

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）34-0086-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

计算机网络在社会生活中发挥着越来越重要的作用，与此同时，网络安全威胁也不断增加，网络攻击日益频繁且复杂。为保护计算机网络系统免受恶意入侵和数据泄露，防火墙技术作为主要的网络安全防护手段得到广泛应用。它通过监控和控制数据流进出网络，执行安全策略，保护目标系统免受攻击。

1 防火墙关键技术分析

防火墙技术主要包括以下几个关键组成部分（如图1所示）：

1.1 数据包过滤

分析防火墙技术时，数据包过滤是基础且核心的功能。IP数据包由固定首部和可选字段组成，后接TCP头部，其中源/目的端口是关键的流向控制标识。数据包过滤依赖于识别“关键五元组”信息，包括源/ 目的IP地址、端口号和协议号。安全网关执行数据包过滤时，首先提取数据包头部的关键信息，然后与预定义规则集进行匹配，最后根据匹配结果执行允许、拒绝或重定向等操作。

1.2 状态检测

状态检测技术，关键于现代防火墙，由CheckPoint公司开发。它超越了传统包过滤防火墙的局限，通过连接状态表和安全规则综合判断数据包。该技术将相关数据包视为统一数据流，使用如高斯混合模型（GMM） 等算法，通过多个高斯分布拟合数据，识别异常点。GMM通过最大期望算法（EM） 来估计参数，确定数据点的概率，从而识别异常。核心算法如下公式（1） ：

其中，公式（1） 中πk 是第k 个高斯分布的权重，N （x|uk，Σk ）是第k个高斯分布的概率密度函数。

GMM 算法，或称高斯混合模型，是一种统计模型，用于描述具有多个概率分布的随机变量。它假设数据由K个高斯分布的加权组合构成，每个分布代表一个数据簇。GMM通过找到一组高斯分布参数，使这些分布的加权和最佳拟合数据。算法初始化时随机设定高斯分布参数，然后通过E步骤计算数据点属于各分布的概率，M步骤根据这些概率更新分布参数，重复这两个步骤直至参数收敛。GMM在模式识别、机器学习、信号处理等领域有广泛应用，如异常检测、语音识别、图像分割和聚类分析等。

1.3 代理服务

防火墙作为网络中介，隐藏内部网络结构，保护信息免受外部威胁。它检查流量以识别潜在威胁。代理服务包括正向、反向、透明、匿名、主机头、网络和应用层代理。代理的优点包括增强安全性、提升性能、便于网络管理和数据压缩。缺点是性能开销、单点故障、配置复杂性和维护成本。应用场景涵盖企业网络、CDN、数据中心、个人隐私保护、教育机构和ISP。

1.4 深度数据包检查（DPI）

该先进防火墙技术包括检查应用层的数据包内容，以识别应用层协议和潜在的威胁，DPI分析数据包内数据，以检测恶意活动，如恶意软件或网络钓鱼尝试。通过更仔细地检查数据包，防火墙更好地保护网络免受复杂攻击。深度数据包检查（Deep Packet In⁃spection， DPI） 是一种网络包分析技术，能够在数据传输中对数据包进行全面检查，分析其内容，不仅仅是头部信息。这种技术通常用于网络安全、流量管理和数据监控。

在实现DPI时，用一些公式和概念来描述处理过程和规则：

数据包的结构一般由头部和载荷（数据部分）组成。在DPI中，关键在于分析载荷部分：

数据包 （ P） 的表达式：P = （Header， Payload）

1.5 虚拟专用网（VPN）

防火墙支持VPN，通过加密连接保护远程网络访问。VPN创建安全隧道传输数据，防止信息被窃。防火墙管理VPN连接，确保授权用户访问。VPN类型有：远程访问VPN，站点到站点VPN，SSL VPN 和MPLS VPN，各有优缺点。应用场景包括远程办公、分支机构互联、移动办公、数据中心互联和云服务访问。防火墙确保数据传输安全，防止敏感信息泄露。

2 包过滤防火墙技术应用

2.1 定义过滤规则

用户基础协同过滤算法通过识别目标用户的K 个最相似用户，汇总这些用户的喜好，并对物品进行评分排序，生成个性化推荐列表。具体步骤包括：构建记录用户与物品交互的共现矩阵，计算用户间的相似度形成相似度矩阵，选取目标用户的K个最相似用户，最后计算目标用户对每个待推荐物品的偏好得分。具体的计算公式如下：

公式（2） 用于计算目标用户u 对物品i 的偏好得分。具体来说，该公式通过加权汇总目标用户u 的相似用户集合V中每个相似用户v 对物品i 的偏好程度来得到得分。其中，puv表示用户u 与用户v 的相似度，而qvi表示用户v 对物品i 的偏好得分。通过这种方式，综合考虑相似用户对物品的喜好，为用户u 生成个性化的推荐列表。

其中Ru，i 表示用户u对物品i的偏好得分，Sim（u，v） 表示用户u 与用户v 的相似度。V表示用户u 的相似用户 K集合。

依据上述计算得到的偏好得分Ru，i，对所有候选物品进行排序。随后，根据排序结果生成推荐列表，并可能根据实际需求进行策略调整，如排除用户已持有的物品，以优化用户体验[2]。

2.2 部署测试

使用SSH、Telnet或设备特定管理界面登录到防火墙设备或路由器， 导航到“安全”或“防火墙”设置，选择“访问控制列表”（ACL） 或“过滤规则”部分，创建新的规则集或编辑现有的规则集，将新创建的或修改规则集应用到相应接口或区域，保存配置。

评估防火墙策略通常包括以下步骤：首先，明确组织的安全目标和需求；然后，设计满足这些需求的防火墙规则；接着，登录到防火墙设备并创建或编辑规则集；之后，测试规则集以确保其正确执行；部署后，持续监控和分析日志；定期进行安全审计；最后，根据审计结果更新规则集。这些步骤有助于确保防火墙策略的有效性，并适应安全环境的变化。

3 屏蔽主机防火墙技术应用

3.1 配置主机

选择Ubuntu 20.04 LTS作为操作系统，按照安装向导，使用所需的语言、键盘布局和时区设置系统，创建具有sudo权限用户账户，使用/（root） 、/home的适当大小分区磁盘，并交换分区[3]。运行sudo nano /etc/net⁃ plan/00-installer-config.yaml命令，打开终端，编辑网络配置文件，使用以下参数配置网络设置，如表1 所示：

保存文件并应用更改，通过运行命令： sudo net⁃ plan应用。

在测试网络配置方面，Ping已知的外部IP地址，如8.8.8.8，以验证互联网连接，Ping本地网关地址，以确保在本地网络内正确路由。通过发送域名，如google.com，验证DNS解析，以确保名称服务器能够正常工作。

3.2 设置防火墙规则

使用Ubuntu上简单的防火墙（UFW） 工具设置防火墙规则，打开终端，运行sudo ufw default deny incom⁃ ing，sudo ufw默认拒绝传入命令设置传入流量默认策略，以拒绝所有连接，除非明确允许。sudo ufw allow 80 命令允许端口80 的流量，用于HTTP 网络流量，sudo ufw allow 443命令允许端口443上的传入流量，它用于HTTPS安全web流量。要进一步限制出站流量，定义特定规则限制对敏感数据或服务访问，限制对特定IP地址的出站访问sudo ufw deny out to any port 22，此规则上任何目标IP地址，根据网络配置的需要添加更具体的出站规则。

要根据实际需求设置防火墙规则，请按照以下步骤操作：

1） 打开终端。

2） 运行以下命令来设置默认策略，拒绝所有传入连接：

sudo ufw default deny incoming

3） 允许特定端口的流量，例如，如果您需要允许HTTP流量（端口80） ，请输入：

sudo ufw allow 80

4） 如果您需要允许HTTP流量（端口443） ，请输入：

sudo ufw allow 443

5） 若要限制出站流量，例如，如果您想要阻止所有出站的SSH连接（端口22） ，请输入：

sudo ufw  deny out to any port 22

6） 根据您的网络配置需求，您添加更多的出站规则来限制对特定服务或IP地址的访问。

确保在设置防火墙规则时，您掌握每条规则的作用，并且已经考虑网络服务和应用程序的实际需求。这样确保您的系统既安全又能够正常运行所需的网络服务。

4 屏蔽子网防火墙技术应用

4.1 规划子网结构

4.1.1 子网划分

根据功能需求确定子网范围，如果网络需要为不同部门或目的而被划分为不同的部分，根据需求将网络划分为多个子网。

在进行子网划分时，首先需要确定网络的IP地址范围和子网掩码。然后，根据实际需求，如不同部门或不同功能区域，将整个网络划分为若干个更小的子网。具体步骤如下：

1） 确定IP地址范围：掌握整个网络的IP地址范围，这通常由网络管理员或组织的网络架构决定。

2） 确定子网掩码：根据IP地址范围，选择合适的子网掩码。子网掩码决定网络地址和主机地址的分界线。

3） 划分子网：根据部门或功能需求，将IP地址范围划分为多个子网。每个子网应有足够的IP地址来满足该部门或功能区域的需求。

4） 分配子网：为每个部门或功能区域分配子网。确保每个子网的IP地址范围不重叠，并且符合组织的网络架构和安全策略。

5） 配置路由器和交换机：在路由器和交换机上配置子网划分，确保它们能够正确地路由和转发不同子网之间的数据包。

6） 测试和验证：完成子网划分后，进行网络测试，确保每个子网都能正常通信，并且符合预期的网络隔离和安全要求。

4.1.2 IP 地址规划

确定整个网络IP地址范围，使用私有IP地址范围192.168.0.0/16，根据每个子网中期望的设备和主机数量，将每个段IP地址范围划分为更小的子网，如表2所示。

根据所需的主机数量在每个子网内分配IP地址，在a /24子网中，256个可用P地址（不包括网络地址和广播地址）。

4.2 配置防火墙设备

4.2.1 设备安装

安装并配置防火墙于子网边界，以控制流量并连接至网络。设定访问控制策略，如允许特定端口和协议，阻止可疑IP。定期更新规则库以应对新威胁，监测防火墙性能，分析流量数据，及时调整配置以应对安全风险。制定应急预案，确保防火墙故障时能迅速切换到备用方案，维持网络稳定。

4.2.2 定义规则集

访问防火墙设备配置界面，它可能是基于web的GUI或命令行界面，为子网之间、子网与外部网络之间流量定义详细的访问控制规则。配置防火墙区域以对不同网络段进行分类，将内部区域设置为默认的删除操作：

set firewall zone internal default-action drop