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任务一 三层交换机与硬件防火墙

知识点​

1.项目三要学什么?​

项目导读(一句话抓重点):三层交换机是具有部分路由器功能的交换机,工作在 OSI 模型的第三层——网络层,能加快大型局域网内部的数据交换,做到**“一次路由,多次转发”;硬件防火墙是部署在内外网边界上的访问控制设备**,用来防止未经授权的通信进出被保护的内部网络;路由器是工作在网络层的设备,把按协议处理后的数据包传送到目标节点,这个选择数据传输路径的过程就叫路由;网关在网络层实现网络互连,既可用于广域网互连,也可用于局域网互连。

目标类别内容
知识目标① 了解网络层的主要功能及设备;② 理解三层交换机的工作过程;③ 熟悉硬件防火墙的工作原理及过程;④ 了解网络层设备的共同功能;⑤ 理解路由器的工作原理及过程;⑥ 熟悉网关的作用
能力目标① 掌握三层交换机的工作过程;② 掌握硬件防火墙的工作过程及分类;③ 了解不同硬件防火墙的对比;④ 掌握路由器的工作原理;⑤ 掌握路由的分类和优先级;⑥ 了解网关在两个网络互连过程中的作用
素质目标① 规范学生对网络层设备的理解与认识;② 增强分析网络层设备共性及在网络中功能的能力;③ 规范对网络层设备功能实现、工作过程的认识;④ 增强对在不同层次进行网络互连的理解

本项目的四个主角:

设备工作层次一句话定位
三层交换机网络层(以二层交换为主,加路由模块)带路由功能的交换机,快
路由器网络层连接不同网络、选路转发,慢但灵活
硬件防火墙网络层(含应用层检测)边界访问控制,保安全
网关传输层及以上(网络层互连设备)不同体系结构网络之间的“关口”

2.网络层的功能与二、三层设备的分工​

网络层(第三层)主要完成三件事:路由选择、拥塞控制、网络互联。

二层设备的局限:模块六介绍的交换机是传统交换机,属于数据链路层(二层)设备,只能识别数据帧中的 MAC 地址,把 MAC 地址与端口的对应关系记录在地址表中,再按 MAC 地址把数据帧向特定端口转发。

三层设备(路由器)的代价:路由器在工作过程中,要对二层的数据帧与三层的数据包进行相互转换,以完成网络层的各个功能。这种转换造成了很大的时延,从而影响了数据传输速率。

一句话对比:

  • 交换机:只看帧头 MAC,只把数据升到数据链路层处理 → 快;
  • 路由器:要看包头的 IP,要把数据升到网络层处理 → 慢但能跨网络。

3.三层交换机的定义​

定义:三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机,其主要目的是加快数据交换速度,能够做到**“一次路由,多次转发”**。

软硬分工(必背的分界线):

工作内容由谁完成原因
数据包转发等规律性操作硬件高速实现动作固定、可流水线化,快
路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定软件实现需要运算与决策,慢但次数少

一句话:第一次跨网段转发要“问路”(软件路由),问过之后就“记住路”(硬件转发),所以叫“一次路由,多次转发”。

4.三层交换机的工作过程​

前提:三层交换技术就是在二层交换的基础上完成三层数据的转发。传统交换在第二层进行,三层交换技术则在第二层实现了对第三层数据包的高速转发——既可实现网络路由的功能,又能根据不同的网络状况做到最优的网络性能。

场景设定(图 7-11):节点 A 通过三层交换机与节点 B 相连,A 要向 B 发送数据,已知 B 的 IP 地址。A 先用自己的 IP 与子网掩码计算取得网络地址,判断 B 是否与自己在同一网段。

情形一:A、B 在同一网段

  1. A 不知道 B 的 MAC 地址,于是发送一个 ARP 请求;
  2. B 返回其 MAC 地址;
  3. A 用此 MAC 地址封装数据帧并发送给交换机;
  4. 交换机启用二层交换模块,查找 MAC 地址表,把数据帧转发到相应端口。

情形二:A、B 不在同一网段

  1. 在流缓存表中查找有没有对应的 MAC 地址;
  2. 如果没有,就把数据帧封装为数据包,发送给 A 的默认网关——即第三层的路由模块;
  3. 三层模块收到数据包后,查询路由表确定通向 B 的路由,由对应端口转发此数据包;
  4. 此时 A、B 的 MAC 地址与转发端口的对应关系被记录在流缓存表中;
  5. 以后 A 到 B 的数据帧,就由二层交换模块根据流缓存表直接完成,不再经过三层路由。

这就是“一次路由,多次转发”:由于数据在第二层即被转发,节约了数据帧与数据包相互封装、转换的时间,减小了网络延时,极大改善了网络性能。

两种情形对照表:

比较项同一网段不同网段
查什么表MAC 地址表先查流缓存表,没有则查路由表
谁处理二层交换模块首次由三层路由模块,之后由二层
是否经过路由不经过首次经过,之后不再经过
地址解析ARP 得到目的主机 MAC得到下一跳(网关) MAC

5.图 7-11 内部结构解读​

图中三层交换机的内部由三块组成,左右两侧标出了各自承担的功能:

图中部件承担的功能(图中标注)
二层交换结构(含端口 MAC R1、MAC R2)左侧三点:建立转发表、转发 MAC 帧、VLAN 划分
背板总线连接二层交换结构与路由模块,负责内部高速传送
路由模块右侧三点:运行路由协议、建立路由表、完成 IP 分组转发

结论(教材原文):三层交换机内部其实是一个增加了路由模块的二层交换机。路由模块完成路由选择、维护路由表、分组转发;二层交换机完成基于 MAC 地址的转发、维护 MAC 地址与端口对应表、VLAN 划分。这种结构可以确保经过一次路由模块处理后,在二层的 MAC 地址与端口对应表中产生相应的记录,从而加快后续数据包的传递速度。

考点提示:三层交换机不是“交换机 + 路由器”两台设备拼起来,而是一块背板 + 一个路由模块——路由模块只负责“算路”,真正搬数据包的是二层交换结构。

6.硬件防火墙的定义与特征​

定义:防火墙是设置在被保护网络和外部网络之间的一道屏障,以防发生不可预测的、潜在的破坏性侵入。硬件防火墙工作在网络层,是保障内部网络安全的一道重要屏障,直接关系到整个内部网络的安全。它可通过监测、限制或更改穿越防火墙的数据流,尽可能地对外部屏蔽网络内部的信息、结构和运行状况,以此实现网络的安全保护。

三个基本特征(必背):

  1. 由内网到外网和由外网到内网的所有数据流动都必须通过它;
  2. 只有本地安全策略所定义的合法访问才被允许通过;
  3. 防火墙本身无法被穿透。

硬件防火墙与软件防火墙:

比较项硬件防火墙软件防火墙
实现方式硬件和软件相结合纯软件方式实现功能
效果效果较好只能按一定规则限制非法用户访问
价格价格较贵价格很便宜
适用对象通常意义上所讲的防火墙;小型企业和个人很难实现个人、小型环境

7.防火墙的三项功能​

① 保护那些易受攻击的服务——防火墙能过滤不安全的服务,只有预先被允许的服务才能通过,这样降低了受到非法攻击的风险,提高了企业内部网的安全。

② 控制对特殊站点的访问——有些主机能被外部网络访问,有些则要被保护起来,防止不必要的访问。通常内部网中只有 Mail 服务器、FTP 服务器和 WWW 服务器能被外部网访问,其他服务器的访问则被防火墙禁止。

③ 对网络访问进行记录和统计——如果所有对 Internet 的访问都经过防火墙,防火墙就能记录这些访问,并提供网络使用情况的统计数据;当发生可疑操作时,防火墙能够报警并提供网络是否受到监测和攻击的详细信息。

记忆口诀:该放的放(服务)、该关的关(站点)、来过都记账(记录统计)。

8.防火墙的四类类型​

防火墙大致可划分为包过滤防火墙、应用网关防火墙、状态检测防火墙、复合型防火墙 4 类。

(1)包过滤防火墙

定义:最简单的防火墙,通常只包括对源和目的 IP 地址及端口的检查,一般在路由器上实现,通过检查网络层的数据包过滤掉用户定义的内容(如 IP 地址)。因为对应用层信息无感知(不能识别隐藏在应用层数据中的潜在威胁),所以存在安全隐患。

工作原理:在网络中的适当位置对数据包进行过滤,根据检查数据流中每个数据包的源地址、目标地址、通信的 TCP 端口号和 TCP 链路状态等要素,依据一组预定义的规则,确定允许合乎规则的数据包通过防火墙进入内部网络,而将不合乎规则的数据包丢弃。

为什么能这样做:在 Internet 这种分组交换网络上,所有往来的信息都被分割成许多一定长度的数据包,包中有发送者的 IP 地址和接收者的 IP 地址;包被送上 Internet 时,路由器读取接收者的 IP 地址并选择一条物理线路发送出去;数据包可能以不同路线抵达,到达目的地后被重新组装还原。包过滤防火墙就是检查所有通过的数据包里的 IP 地址,按管理员设定的过滤规则过滤;如果设定某一 IP 地址为危险,从这个地址来的所有数据包都会被屏蔽掉。

优点缺点
价格较低配置比较复杂,需具备网络、数据传输甚至应用协议的细节知识
对用户透明对 IP 欺骗式攻击比较敏感(黑客修改包头中的 IP 地址,改成可被接受的地址,骗取对内部网的访问)
速度快,对网络性能影响很小没有用户的使用记录,不能从访问记录中发现黑客的攻击记录
易于维护只检查 IP 与端口,对应用层数据控制很弱

(2)应用网关防火墙(代理服务器防火墙)

定义:使用一个客户程序与特定的中间节点(防火墙)连接,然后中间节点与服务器进行实际连接。

地位:应用网关技术是防火墙技术中最受推崇的一种安全技术措施,它可以把被保护网络的内部结构屏蔽起来,增强网络的安全性能,同时可用于实施较强的数据流监控、过滤、记录和报告等功能。它检查所有应用层的信息包,以剔除用户指定特征的信息包,从而提高网络的安全性。

代价:这种防火墙隔断了客户机与服务器的连接模式,每个客户机/服务器的通信被分成两个连接:从客户端到防火墙,再从防火墙到服务器,所以应用网关防火墙具有可伸缩性差的缺点。

工作原理:应用网关运行在两个网络之间,它对于客户来说像是一台真的服务器,而对于外界的服务器来说,它又是一台客户机。收到用户请求后,检查用户请求的站点是否符合单位的要求;如果允许访问,应用网关以客户机的身份去那个站点取回所需信息再转发给客户。应用网关像一堵墙那样挡在内部网络和外部网络之间,从外面只能看到应用网关而看不到任何内部资源(如用户的 IP 地址)。

优点缺点
可以将被保护的网络内部结构屏蔽起来,增强安全性访问速度变慢(不允许用户直接访问网络,需网关中转)
可用于实施较强的数据流监控、过滤、记录和报告需要针对每一个特定的 Internet 服务安装相应的应用网关软件,用户不能使用尚未被支持的服务
—不能支持所有的 Internet 访问类型

(3)状态检测防火墙

解决了什么:克服了包过滤防火墙仅检查进出的数据包、不检测数据包状态的缺点。

工作原理:在防火墙的核心部分建立状态连接表,维护了连接,将收到的数据包逐个进行处理,这种防火墙对应用层是透明的。状态检测包过滤防火墙规范了网络层和传输层行为,而应用代理型防火墙则是规范了特定的应用协议上的行为。

检测模块:状态检测防火墙在网关运行一个实现网络安全策略的软件引擎,称为检测模块。检测模块在不影响网络正常工作的前提下,抽取相关网络数据对网络通信的各层实施监测,并将抽取的数据动态保存作为以后安全决策的参考。在用户的访问被提交到网关操作系统之前,检测模块要根据网络配置和安全规定做出接纳、拒绝、鉴定或给该通信加密等决定;一旦某个访问违反安全规定,系统会拒绝该访问、进行记录,同时向系统管理员报告网络状态。

优点缺点
支持多种协议和应用程序,很容易实现应用和服务的扩充配置非常复杂
会监测 RPC 和 UDP 之类的端口信息(包过滤和应用网关都不支持对此类端口的性能检测)会降低网络速度

(4)复合型防火墙

定义:集防火墙、入侵检测、安全评估、虚拟专用网 4 大功能模块于一体,以防火墙功能为基础平台,以其他安全模块为多层次应用环境,构筑一套完整的、立体的网络安全解决方案。

功能模块作用
防火墙基础平台,做访问控制
入侵检测内核采用智能 IP 识别技术,对多种网络对象进行有效访问监控;通过监视网络中的数据包发现黑客入侵企图,可对 20 多类、1000 多种攻击方式进行鉴别,发现入侵时立即通知防火墙自动生成规则,第一时间封禁攻击
安全评估主动检测内部网络,对主机信息、端口、各种漏洞、RPC 远程过程调用和服务中可能存在的弱密码进行扫描,生成分析报告并提供解决办法
虚拟专用网(VPN)使用隧道、加解密、密钥管理、使用者与设备身份认证技术,在公共网络中建立专用网络,数据通过**“加密通道”**传播;以防火墙为基石,解决访问控制之后再解决安全传输

复合型防火墙的定位:是一种综合了状态检测与透明代理的新一代防火墙,把防病毒、内容过滤整合进防火墙,还包括 VPN、IDS 等功能,多个功能单元融为一体。常规防火墙并不能防止隐藏在网络流量里的攻击,而复合型防火墙能够发现隐藏在数据流量中的病毒及攻击行为,是网络与信息安全的发展方向。

9.四类防火墙对比(教材原文结论)​

类型检查范围是否建立连接状态表控制能力强弱
包过滤防火墙不检查数据部分不建立前后报文独立检查,对应用层数据控制很弱
应用网关防火墙不检查 IP、TCP 协议的报头不建立对网络层数据保护比较弱
状态检测防火墙不检查数据部分建立对前后报文进行相关性检查,对应用层数据控制很弱
复合型防火墙可以检查整个数据包内容根据需要建立对网络层数据保护强,对应用层控制全面,对会话层控制较弱

记忆口诀:包过滤看头不看身、代理看身不看头、状态检测记连接、复合型全看。

10.任务实施要点​

  1. 以 “三层交换机” 为关键词搜索,浏览其工作原理;
  2. 搜索硬件防火墙的工作原理、分类;
  3. 以图片方式搜索两种设备,查看外观、接口;
  4. 检索国产品牌的三层交换机和硬件防火墙。

速查表​

问题答案
三层交换机工作在哪一层网络层(第三层)
三层交换机的核心口号一次路由,多次转发
哪些操作由硬件完成数据包转发等规律性操作
哪些操作由软件完成路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定
跨网段首次转发查什么表流缓存表(没有则查路由表)
记录 MAC 与端口对应关系的是流缓存表
三层交换机内部实质是增加了路由模块的二层交换机
硬件防火墙工作在哪一层网络层
防火墙的三个特征所有数据流必须通过、只允许合法访问、本身无法被穿透
防火墙的三项功能保护易受攻击的服务、控制对特殊站点的访问、记录和统计访问
最简单的防火墙包过滤防火墙(一般在路由器上实现)
最受推崇的防火墙技术应用网关(代理服务器)技术
应用网关的最大缺点可伸缩性差(通信被拆成两个连接)
能监测 RPC 与 UDP 端口的状态检测防火墙
复合型防火墙的四大模块防火墙、入侵检测、安全评估、VPN
常被外部访问的三类服务器Mail、FTP、WWW 服务器