Sistema firewall baseado em Netfilter (iptables)

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1 Sistema firewall baseado em Netfilter (iptables) Pedro Ribeiro IPLNet Departamento de Sistemas de Informação e Comunicações Instituto Politécnico de Lisboa

2 Origens Política fechado por omissão Sistema original de filtragem de pacotes baseado em Cisco IOS Listas imensas de regras com enumeração de excepções Pesquisa linear pouco eficiente Problemas de escalabilidade com o aumento de débitos Problemas de escalabilidade com o crescimento do número de regras Sem noção de estado (stateless) Sistema Firewall baseado em Netfilter 2

3 A evolução para Gigabit Opção pela solução especializada Cisco FWSM (Firewall Switch Module) Um PIX numa carta do Cat6500 Pouco flexível Por omissão todas as comunicações são sujeitas a NAT Poucos módulos especializados para lidar com protocolos Nem o velhinho FTP funcionava a 100% Bugs que levavam meses a resolver Muito complicado de gerir, mesmo com a aplicação gráfica Configuração de listas não estruturável em blocos reutilizáveis Dependência do chassis Com problemas ao lidar com débitos acima de 500Mbit/s Suporte de IPv6 só ficou disponível muito tarde, muito limitado Sistema Firewall baseado em Netfilter 3

4 Motivações para evolução Para lidar com as ligações actuais de 1~10Gbit/s Necessidade de uma solução flexível, escalável e de baixo custo Lidar com IPv4 e IPv6 com desempenho similar Com manutenção de estado das comunicações Flexibilidade na organização de regras Validações inteligentes e adaptadas às necessidades Simplificação da gestão Sistema Firewall baseado em Netfilter 4

5 Hardware actual 2 PCs ASUS de 1RU Por máquina: 2GB de RAM CPU Dual Core de 1ª geração 3.40GHz 2 HDD (500GB+250GB) 2 Portas Gigabit Ethernet no chassis 1 Placa Ethernet de 2x10Gbit/s Sistema Firewall baseado em Netfilter 5

6 Sistema Operativo Kernel Linux 3.1.6, distribuição Gentoo HDD Sistema e arquivos críticos (ex. logs) 250GB em RAID1 (mirror) em software Arquivos não críticos (ex. tracefiles de tcpdump) 250GB sob o espaço restante de um dos discos CPU com relógio dinâmico (governor ondemand) Conectividade Duplo bonding active-backup 10GBit/s + 1GBit/s para outside 10GBit/s + 1GBit/s para inside Sistema Firewall baseado em Netfilter 6

7 Encaminhamento Integração com o IGP (OSPF) Uso do software Quagga (com base no Zebra ) CLI idêntica à do Cisco IOS Manipulação de custos das interfaces Por omissão uma máquina trata do IPv4 e a outra do IPv6 Á falta de uma das máquinas, a outra assume todas as tarefas Manutenção sem stress, quando conveniente Quagga monitoriza estado das interfaces para reacção rápida a falhas Sistema Firewall baseado em Netfilter 7

8 Encaminhamento IPv4/IPv Sistema Firewall baseado em Netfilter 8

9 Elevada disponibilidade Parametrização idêntica das duas máquinas Cada máquina com dupla conectividade para inside e outside A switch distintos quando possível Scripts de sincronização de configuração, executados manualmente após validação Regras de IPv4 testadas em SCRATCHY Regras de IPv6 testadas em ITCHY Sistema Firewall baseado em Netfilter 9

10 Netfilter Conjunto de pontos de intercepção de tráfego durante o processamento pelo kernel do Linux Módulo de manutenção de estado acerca de comunicações em curso (conntrack) Linguagem de avaliação de condições e execução de acções Sucessor do ipchains, com raízes no ipfw do BSD Conjunto de ferramentas de gestão das tabelas e chains de regras Sistema Firewall baseado em Netfilter 10

11 Estrutura, Tabelas e Chains Tabelas filter (por omissão) nat mangle raw Chains base INPUT OUTPUT FORWARD PREROUTING POSTROUTING Regras Condições a validar e acção a executar caso todas as condições sucedam Sistema Firewall baseado em Netfilter 11

12 Pontos de intercepção Versão simplificada só com filter e nat Sistema Firewall baseado em Netfilter 12

13 Clareza de interpretação Árvore de listas (chains) Menos regras a validar até tomada de decisão Comportamentos pré definidos por bloco de endereços Dispensa da adição de regras para cada nova máquina Servidores têm múltiplos endereços, afectos a cada serviço # Redes DMZ $IPT -A inbound -s $NETPA1 -j ACCEPT $IPT -A inbound -s $NETPREFW -j ACCEPT # Tratamento diferenciado por bloco $IPT -A inbound -d $NETPI1 -j inb_core $IPT -A inbound -d $NETPA1a -j inb_core $IPT -A inbound -d $NETPA1b -j inb_backbone $IPT -A inbound -d $NETPI2 -j inb_webs $IPT -A inbound -d $NETPA3 -j inb_fullip $IPT -A inbound -d $NETPA4 -j inb_nonatip $IPT -A inb_webs -p tcp --dport 80 -j ACCEPT # HTTP $IPT -A inb_webs -p tcp --dport 443 -j ACCEPT # HTTPS $IPT -A inb_webs -p tcp --dport j ACCEPT # HTTPAlt Sistema Firewall baseado em Netfilter 13

14 Plano de endereçamento simplifica Definição prévia de funções a atribuir a blocos de endereços Tipo Bloco base Sub-Blocos Função /25 Servidores centrais do polo do ISEL /27 NAT /27 Servidores centrais do polo de Benfica / /27 Conectividade especial (ex. Videoconferencia) /27 Loopbacks dos routers (RID) Ligações entre routers ponto a ponto e troços de /24 transito Redes exteriores ao perimetro de segurança /24 (firewall), ligações entre border routers, firewall e routers de suporte aos roamers e-u PA /24 Redes de servidores com conectividade exterior (essencialmente servidores web das escolas e serviços) /24 Roamers e-u - Polo ISEL /24 Roamers e-u - Polo Benfica /25 Roamers e-u - Polo ISCAL /25 Roamers e-u - Polo ESTeSL / /26 Roamers e-u - Polo ESTC /26 Roamers e-u - Polo ESM /26 Roamers e-u - Polo ESD /27 Roamers e-u - Polo RDC /27 Tuneis GRE de encaminhamento e-u roamers /25 Servidores centrais /28 NAT Outbound / /27 NAT Inbound PI /28 NAT Inbound /28 Concentradores VPN /30 Testes de conectividade / /28 NAT Outbound /28 Concentradores VPN Utilizadores internos e-u/eduroam e via NAT 1: CHELAS CHELAS CHELAS / CHELAS NAT NAT NAT NAT BENFICA BENFICA /22 /23 NAT Geral ESTC / ISCAL / ESTeSL / SC / ESD / ISCAL2 / Sistema Firewall baseado em Netfilter 14

15 Manutenção de estado - conntrack Porquê aprovar cada datagrama de uma ligação? Consultando a tabela de conntrack pode-se tomar a decisão rapidamente Pode validar números de sequência TCP e valor de TTL Um segmento TCP com a flag ACK activa não merece necessariamente ser aceite! (os packet filters stateless deixam passar!!!) Mantém informação sobre comunicações espectáveis Ex. ligações de dados associadas acessos FTP -A base_forw! -d /8 -i bond1 -m conntrack --ctstate INVALID -j DROP -A base_forw -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT -A base_forw -m conntrack --ctstate DNAT -j ACCEPT -A base_forw -i bond1 -m conntrack --ctstate NEW -j inbound -A base_forw -o bond1 -m conntrack --ctstate NEW -j outbound Sistema Firewall baseado em Netfilter 15

16 Scripts de configuração de regras Só é mexida a tabela que é alterada Scripts independentes para cada tabela Validação de dependências entre scripts e ficheiros de dados Alteração atómica das chains Sem paragens ou promiscuidade temporária Geração automática de algumas chains comuns baseada em funções BASH shell Arquivo automático de todas as alterações de regras Inserção no kernel de módulos extra (ftp, sip, h323, pptp, ) Sistema Firewall baseado em Netfilter 16

17 Chains de filtragem em IPv4 (I/O) Lida com as comunicações originadas ou destinadas à própria firewall Sistema Firewall baseado em Netfilter 17

18 Chains de filtragem em IPv4 (inbound) Sistema Firewall baseado em Netfilter 18

19 Chains de filtragem em IPv4 (outbound) Sistema Firewall baseado em Netfilter 19

20 Chains em IPv Sistema Firewall baseado em Netfilter 20

21 Chains de NAT em IPv Sistema Firewall baseado em Netfilter 21

22 DNETMAP o que é? Módulo extra desenvolvido na Polónia Associação dinâmica entre IP interno e externo NAT bidireccional após associação 1:1 Sem ambiguidade na identificação por IP Clientes ficam com menos problemas ao usar NAT Cada cliente tem o seu IP externo exclusivo, durante um período de tempo renovável (expiração por tempo) Mais fácil lidar com questões quem estava a usar o IP X no dia Y às Z horas Endereços reutilizados como no DHCP! Todas as redes internas como endereços virtualmente públicos Sistema Firewall baseado em Netfilter 22

23 DNETMAP em acção Registos gerados para o sistema e syslog itchy fw4 # cat /var/log/syslog/kern.log grep -F xt_dnetmap tail -n 4 Feb 3 17:18:17 xt_dnetmap: timeout binding > Feb 3 17:18:17 xt_dnetmap: add binding > Feb 3 17:39:23 xt_dnetmap: timeout binding > Feb 3 17:39:23 xt_dnetmap: add binding > Consulta do estado dos pool e associações activas itchy fw4 # cat /proc/net/xt_dnetmap/ _22_stat (191 mapeamentos activos de 1024 totais) itchy fw4 # cat /proc/net/xt_dnetmap/ _22 tail -n > ttl: 598 lasthit: > ttl: 599 lasthit: > ttl: 599 lasthit: > ttl: 599 lasthit: Sistema Firewall baseado em Netfilter 23

24 Módulos extra usados (1) conntrack Validação de estado Tráfego pertence ou está relacionada com uma comunicação em curso? geoip Validação de região O IP destino é nacional? hashlimit Limitar logs gerados Só produzir N registos por segundo para cada IP ipp2p Detecção do uso de aplicações P2P Aplicar restrições aos utilizadores de torrents e afins em redes sem vocação para tal limit Limitação simples Só responder a N pings por segundo Sistema Firewall baseado em Netfilter 24

25 Módulos extra usados (2) multiport Validar até 15 ports TCP/UDP por regra Excepções de conectividade para redes de servidores recent Memorizar IPs e valida-los posteriormente Detectar portscans e aplicar negações genéricas set Validação optimizada de grande número de portos ou endereços O porto destino é um dos permitidos para NAT? A rede destino pertence à rede académica nacional? string Decidir baseado no conteúdo do datagrama Se o corpo do ping tem PI usar um endereço da gama provider independent no NAT Sistema Firewall baseado em Netfilter 25

26 Teste com fluxo TCP Percurso com um router adicional e 3 switch maggie # iperf -c selma -t Client connecting to selma, TCP port 5001 TCP window size: 16.0 KByte (default) [ 3] local port connected with port 5001 [ ID] Interval Transfer Bandwidth [ 3] sec 31.1 GBytes 890 Mbits/sec =================== TOP no firewall durante o teste ===================== itchy fw4 # top top - 15:32:56 up 264 days, 1:27, 2 users, load average: 0.01, 0.02, 0.05 Tasks: 93 total, 1 running, 92 sleeping, 0 stopped, 0 zombie Cpu0 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 88.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 12.0%si, 0.0%st Cpu1 : 0.0%us, 0.3%sy, 0.0%ni, 99.7%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st Mem: k total, k used, k free, k buffers Swap: k total, 8212k used, k free, k cached Sistema Firewall baseado em Netfilter 26

27 Teste com fluxo de 900Mbit/s UDP Percurso com um router adicional e 3 switch maggie ipt2dot # iperf -c selma -t 300 u -b 900M Client connecting to selma, UDP port 5001 Sending 1470 byte datagrams UDP buffer size: 107 KByte (default) [ 3] local port connected with port 5001 [ ID] Interval Transfer Bandwidth Jitter Lost/Total Datagrams [ 3] sec 31.0 GBytes 888 Mbits/sec ms 1756/ (0.0078%) =================== TOP no firewall durante o teste ===================== itchy fw4 # top top - 15:55:05 up 264 days, 1:50, 2 users, load average: 0.00, 0.01, 0.05 Tasks: 92 total, 1 running, 91 sleeping, 0 stopped, 0 zombie Cpu0 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 85.3%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 14.7%si, 0.0%st Cpu1 : 0.0%us, 0.3%sy, 0.0%ni, 99.7%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st Mem: k total, k used, k free, k buffers Swap: k total, 8208k used, k free, k cached Sistema Firewall baseado em Netfilter 27

28 Segurança do sistema Realizado um esforço para desligar todos os componentes fora de uso, especialmente serviços de rede Arquivo local e remoto de todos os eventos Uso de syslog fiável, sobre TCP Acesso SSH só para redes de gestão Acesso NFS RO para o servidor de backups RSYNC usado na sincronização só permite acessos do gémeo Componentes do Quagga geridos somente por shell local (vtysh) Só escutam ligações em localhost Funções monitorizadas por sistema NAGIOS externo Sistema Firewall baseado em Netfilter 28

29 Melhoramentos futuros Recepção directa da conectividade à FCCN Participação no BGP como route-server Dispensa do hop extra dos C7206 Fim da limitação de 1+1Gbit/s (IPv4/v6) Sincronização das tabelas conntrack Maior rapidez na transição de tarefas Coordenação no uso dos pools de NAT Algumas falhas interrompem a conectividade aos clientes que usam Realização de scripts para configurar QoS Sistema Firewall baseado em Netfilter 29

30 Obrigado! Temos conhecimento de instituições com soluções similares Agradecem-se sugestões de melhoramentos Podemos colaborar no desenvolvimento de sistemas similares Contacto: Pedro Ribeiro Sistema Firewall baseado em Netfilter 30

31 Referências Wikipedia Netfilter - Netfilter.org Project - DNETMAP netfilter module - Quagga Routing Suite - ACLs e NAT Tecnologias Avançadas de Redes - acetatos.htm Sistema Firewall baseado em Netfilter 31

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