1、ALG產(chǎn)生背景

在應(yīng)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(wǎng)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(shù)據(jù)通道的地址和端口，根據(jù)協(xié)商結(jié)果臨時創(chuàng)建一個或多個數(shù)據(jù)通道，使用的端口通常不能預(yù)先確定，同時數(shù)據(jù)通道連接建立的方向也不能預(yù)先確定，防火墻的安全策略（Policy）和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換規(guī)則（NAT)無法準(zhǔn)確描述這些數(shù)據(jù)通道。因此這種多通道協(xié)議在經(jīng)過防火墻時往往會出現(xiàn)控制通道可以建立連接，數(shù)據(jù)通道不能完整建立連接，或沒有反向策略，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)通道通信失敗。對于多通道的應(yīng)用層協(xié)議，由于防火墻無法檢測上層協(xié)商的數(shù)據(jù)通道端口，而且也不能提前于應(yīng)用預(yù)先知道數(shù)據(jù)通道的端口，更無法配置適當(dāng)?shù)陌踩呗浴?/p>

另外在NAT的應(yīng)用場景中，防火墻的NAT功能僅對IP網(wǎng)絡(luò)層報文的報文頭進(jìn)行IP地址的識別和轉(zhuǎn)換，對于應(yīng)用層協(xié)商過程中報文載荷攜帶的地址信息無法進(jìn)行識別和轉(zhuǎn)換，因此在NAT的應(yīng)用場景中，多通道的協(xié)議的數(shù)據(jù)通道也不能建立。

 2、什么是ALG

   ALG（Application Level Gateway）全稱應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，ALG技術(shù)可以識別典型多通道應(yīng)用協(xié)議IP報文數(shù)據(jù)載荷中攜帶的地址和端口信息，結(jié)合嚴(yán)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(yīng)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(shù)據(jù)通道的連接。

 3、ALG實(shí)現(xiàn)原理介紹

防火墻通過Policy使網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層做控制描述。傳輸層只是應(yīng)用層信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通道（TCP/IP連接），許多應(yīng)用使用知名端口做控制連接，而數(shù)據(jù)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(yù)先確定的，防火墻無法準(zhǔn)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(yīng)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(wǎng)所需的外網(wǎng)地址和端口以及地址端口轉(zhuǎn)換關(guān)系；

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

   （2）ALG模塊定義了一個與應(yīng)用層動態(tài)連接相對應(yīng)的pinhole對象來為動態(tài)連接在防火墻中建session，用來實(shí)現(xiàn)防火墻穿越。pinhole描述了動態(tài)連接的session信息、外網(wǎng)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(yīng)用網(wǎng)關(guān)去分析應(yīng)用層的內(nèi)容，如果應(yīng)用層要協(xié)商和發(fā)起數(shù)據(jù)連接，那么應(yīng)用層將要建立的連接用expect flow描述，將expect flow用作參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的ALG APIs生成和安裝pinhole。pinhole生成后，有數(shù)據(jù)連接所需的外網(wǎng)地址和端口，必要時應(yīng)用代理修改應(yīng)用的內(nèi)容，轉(zhuǎn)換協(xié)商的地址和端口。

數(shù)據(jù)連接發(fā)起報文到達(dá)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(yīng)用網(wǎng)關(guān)詳解

4.1 FTP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(wù)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(wù)器發(fā)送命令(PORT=1025)。服務(wù)器使用源端口20連接到FTP客戶端在本地指定的數(shù)據(jù)端口(1025)。交互過程如下：

控制連接：客戶端 >1024端口—>服務(wù)器21端口

數(shù)據(jù)連接：客戶端 >1025端口<—服務(wù)器20端口

圖1

（2）被動模式(PASV)

在被動模式下，控制通道和數(shù)據(jù)通道都由客戶端發(fā)起。當(dāng)打開一個FTP連接時，F(xiàn)TP客戶端打開兩個任意的非特權(quán)本地端口(N=1024和N+1=1025)。第一個端口連接到服務(wù)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(wù)器來連接其數(shù)據(jù)端口，而是提交PASV命令。因此，服務(wù)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(wù)器端口P的連接，以傳輸數(shù)據(jù)。交互過程如下：

控制連接：客戶端 >1024端口—>服務(wù)器21端口

數(shù)據(jù)連接：客戶端 >1025端口—>服務(wù)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(xì)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(wù)器的首包會新建session。因?yàn)榇藭r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(wù)，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(dāng)前session有SNAT，修改PORT命令中的內(nèi)容為SNAT后的IP和端口。將報文內(nèi)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(shù)據(jù)session新建

FTP主動模式的數(shù)據(jù)連接由服務(wù)器主動發(fā)起。防火墻收到數(shù)據(jù)連接首包時，同樣進(jìn)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(shù)據(jù)session。根據(jù)FTP協(xié)議的特點(diǎn)，每次數(shù)據(jù)傳輸都會重新發(fā)送PORT命令，每次數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)連接報文處理

FTP數(shù)據(jù)連接報文ALG不需要處理。數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)session的計(jì)時器會不斷刷新。直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，四次揮手?jǐn)嚅_連接，數(shù)據(jù)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(xì)過程如下：

圖4

? 控制session新建

防火墻收到從客戶端到服務(wù)器的首包，新建session。因?yàn)榇藭r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(wù)，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(wù)器收到PASV命令報文后，選用臨時端口作為數(shù)據(jù)連接端口，并向客戶端返回227響應(yīng)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(yīng)報文后，如果當(dāng)前session有DNAT，修改報文中的IP和端口，并新建pinhole。

? 數(shù)據(jù)session新建

FTP被動模式的數(shù)據(jù)連接由客戶端發(fā)起。防火墻收到數(shù)據(jù)連接首包時，同樣進(jìn)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(shù)據(jù)session。

? 數(shù)據(jù)連接報文處理

FTP數(shù)據(jù)連接報文，ALG無需處理。數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)session的計(jì)時器會不斷刷新。直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，四次揮手?jǐn)嚅_連接，數(shù)據(jù)session拆除。

 5、SIP協(xié)議及SIP ALG應(yīng)用網(wǎng)關(guān)詳解

  5.1 SIP協(xié)議原理

SIP是一種應(yīng)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(yīng)用在VoIP、多媒體分發(fā)、多媒體會議領(lǐng)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(shù)據(jù)兩個信道：控制信令信道用于客戶端和服務(wù)器之間的請求和響應(yīng)消息，傳輸層基于TCP或者UDP，服務(wù)器使用端口5060；媒體數(shù)據(jù)信道用于傳輸音視頻數(shù)據(jù)，傳輸層基于UDP，使用動態(tài)端口。

表1

SIP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)體包括兩種：SIP用戶代理（User Agent）和SIP服務(wù)器。SIP用戶代理是終端用戶設(shè)備，如 SIP 電話機(jī)、SIP客戶端軟件等，用于發(fā)送SIP請求或者接收到請求后進(jìn)行響應(yīng)。SIP服務(wù)器主要進(jìn)行請求轉(zhuǎn)發(fā)、接收注冊請求和提供定位服務(wù)。SIP VoIP典型部署如圖所示：企業(yè)內(nèi)網(wǎng)部署有SIP服務(wù)器和SIP終端Phone B，Phone B和遠(yuǎn)程SIP終端Phone A之間可以通過SIP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)電話。

圖5

SIP消息分為請求消息和響應(yīng)消息兩種類型。下面是一個呼叫請求消息的實(shí)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(wù)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(yīng)消息的實(shí)例如下所示：

圖7

響應(yīng)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(shù)組成，第一位用于表示響應(yīng)類型，后兩位用于對響應(yīng)進(jìn)一步解釋。各響應(yīng)碼類型的含義如下表所示：

表4

5.2 防火墻ALG SIP詳解

上述對SIP協(xié)議的工作過程進(jìn)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(shè)SIP服務(wù)器所在網(wǎng)段為192.168.2.0/24，PhoneA所在的網(wǎng)段為192.168.100.0/24。SIP服務(wù)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(wù)流量通過

下面分別介紹SIP注冊以及外網(wǎng)SIP終端Phone A呼叫內(nèi)網(wǎng)終端Phone B的流程和防火墻SIP ALG的實(shí)現(xiàn)。

（1）SIP注冊流程

SIP協(xié)議提供地址發(fā)現(xiàn)的能力。當(dāng)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(wù)器。服務(wù)器查詢注冊信息，得到另一方的地址信息，并將請求轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的地址。

注冊請求消息用于用戶代理將當(dāng)前地址信息發(fā)送到服務(wù)器，Phone A注冊報文格式如下所示，其中Contact字段攜帶了Phone A當(dāng)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(guān)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(shí)體向Phone A發(fā)送的會話請求消息能通過防火墻。根據(jù)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(yīng)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(jù)當(dāng)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(yīng)消息，表示消息正在處理。之后根據(jù)電話號碼222查詢注冊信息數(shù)據(jù)庫，找到Phone B當(dāng)前地址，將INVITE請求消息轉(zhuǎn)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(yīng)消息到SIP服務(wù)器。SIP服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)180 ring響應(yīng)消息到Phone A，提示用戶正在響鈴。當(dāng)Phone B電話被接起，發(fā)送200 ok響應(yīng)消息。200 ok響應(yīng)消息同樣由SIP服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到Phone A。防火墻解析到200 oK響應(yīng)消息時，同樣解析其中的消息體，本例中200IOK響應(yīng)消息的c= IN IP4 192.168.2.3，m= audio 6000 RTP/AVP，因?yàn)镻honeB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(yīng)消息后，向Phone B發(fā)送ACK確認(rèn)消息。因?yàn)镾IP服務(wù)器向INVITE請求中插入了Record-Route字段，表示之后的請求消息也經(jīng)過SIP服務(wù)器，所以Phone A發(fā)送的ACK消息經(jīng)SIP服務(wù)器轉(zhuǎn)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(jié)束，Phone A掛斷電話，發(fā)送BYE請求消息，同樣由SIP服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到Phone B。Phone B收到BYE請求消息，發(fā)送200 OK響應(yīng)。至此通話結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)session無影響。

 6、ALG支持的其他應(yīng)用

除了FTP和SIP以外，一些VoIP 應(yīng)用在進(jìn)行NAT 穿越時，由于IP 地址和端口號的改變可能導(dǎo)致VoIP 無法正常工作，ALG 技術(shù)在此時將保證NAT 地址轉(zhuǎn)換后，VoIP 應(yīng)用能夠正常通信。因此，應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)提供以下功能：

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

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

 7、總結(jié)

當(dāng)前我行科技發(fā)展迅猛，各種新技術(shù)、新架構(gòu)不斷出現(xiàn)，防火墻的安全隔離作為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部安全管控的必要手段，一方面要保障數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面也要以快捷、穩(wěn)定的方式支持應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展，進(jìn)而賦能我行業(yè)務(wù)高速發(fā)展。