30、云数据中心网络架构与华为HiSecEngine防火墙技术解析

云数据中心网络架构与华为HiSecEngine防火墙技术解析

1. 虚拟机IP地址分配机制

在网络环境中，SDN控制器可从OpenStack控制器节点获取虚拟机（VM）的IP - MAC映射，并将这些映射发送给CE1800V（假设已启用DHCP服务器功能）。当CE1800V接收到VM的DHCP请求数据包时，会搜索IP - MAC映射。若找到与VM的MAC地址对应的IP地址，CE1800V会向VM发送包含该IP地址的DHCP提供数据包。在DHCP服务器确认所提供的IP地址后，该IP地址就成功分配给了VM。其流程如下：

graph LR
    A[SDN控制器] --> B[获取VM的IP - MAC映射]
    B --> C[发送映射到CE1800V]
    D[VM] --> E[发送DHCP请求数据包]
    E --> F[CE1800V搜索IP - MAC映射]
    F --> G{找到对应IP?}
    G -- 是 --> H[发送DHCP提供数据包]
    H --> I[DHCP服务器确认IP]
    I --> J[IP地址分配给VM]
    G -- 否 --> K[无操作]

2. 华为HiSecEngine系列防火墙概述

随着智能手机和平板电脑等终端设备成为现代移动办公的重要组成部分，用户能够随时随地访问互联网。移动应用、Web 2.0和社交网络融入互联网的各个方面，云计算实现了快速的服务部署和按需适应性。然而，网络访问模式的灵活性不断提高，导致服务流量在计算、存储、设备传输、管道和云等方面迅速增加，带宽消耗也随之增大。现有设备的性能已无法应对这种快速发展，企业的IT系统面临巨大压力。从企业信息安全角度看，移动办公模糊了企业网络边界，黑客可通过移动终端轻易入侵企业IT系统。传统安全网关只能基于IP地址和端口进行安全保护和控制，无法完全应对新兴的应用和网络威胁，信息安全问题日益复杂。

华为HiSecEngine系列高端下一代防火墙（NGFW）旨在保护云服务提供商、大型数据中心和大型企业园区的网络服务安全。它们具备太比特级的处理性能，集成了NAT、VPN、虚拟化等安全功能，可靠性高达99.999%。这些防火墙满足了网络和数据中心不断增长的高性能处理需求，节省了机房空间，降低了每Mbps的总体拥有成本（TCO）。

3. 华为HiSecEngine系列防火墙应用场景

3.1 数据中心（DC）边界保护

IDC是基于互联网的系统，提供综合设施和维护服务，集中收集、存储、处理和发送数据。大型网络服务器提供商通常会构建IDC，为中小企业和个人客户提供服务器托管和虚拟DNS服务。在考虑IDC网络结构时，需要注意以下几点：
- IDC中的服务器需要根据服务器类型进行保护并应用安全功能。
- 要为外部网络提供网络服务，这是IDC的关键功能，必须保证互联网对IDC中服务器的正常访问，因此边界保护设备需要高性能和全面的可靠性机制，同时在IDC遭受攻击时也要确保网络访问。
- IDC中可能部署多个企业的服务器，这些服务器容易受到黑客攻击。
- IDC流量复杂，如果流量不可见，就更难调整配置。

HiSecEngine系列防火墙作为IDC的边界网关，可提供以下功能：
- 使用SLB和智能DNS功能确保流量在同一服务器组中的多个服务器之间合理分配，防止单个服务器负载过重而其他服务器闲置。
- 基于IP地址和应用进行流量限制，确保服务器正常运行，防止网络拥塞，保证网络服务的连续性。
- 具备入侵预防功能，保护服务器免受入侵、特洛伊木马和蠕虫的侵害。
- 提供抗DDoS攻击和其他攻击防御功能，保护服务器免受外部攻击。
- 部署日志NMS（需单独购买）记录网络运行日志，便于管理员调整配置和识别风险。
- 采用两个防火墙组成集群，以热备用模式工作，提高系统可靠性。当活动设备出现故障时，服务流量可平滑切换到备用设备，确保服务不间断。

3.2 广播电视网络和二级运营商网络

广播电视网络和二级运营商网络发展迅速，为越来越多的用户提供网络服务。但这些网络目前面临以下服务挑战：
- 从不同互联网服务提供商（ISP）以不同价格租赁多个出口链路，导致流量在各链路上分布不均。
- P2P流量消耗大量公共网络带宽，导致带宽效率低下。
- 需要进行URL源追踪。

HiSecEngine系列防火墙可提供以下优势来应对这些挑战：
- 通过基于应用、路由、用户、时间和链路的智能流量引导，减少不必要的带宽消耗。
- 通过P2P内网加速节省公共网络带宽。
- 使用多对一NAT节省内部资源，提高带宽效率，降低带宽成本。
- 通过日志系统追踪信息源，包括NAT地址和URL。

3.3 大中型企业边界保护

大中型企业通常拥有超过500名员工，面临以下服务挑战：
- 需要高可靠性，边界设备必须支持连续的大量流量。即使链路或设备出现故障，网络服务也不能受到影响。
- 需要支持大量员工、复杂服务、大量出站流量、多个出口和各种类型的流量。
- 要为外部用户提供包括网站和电子邮件服务在内的服务。
- 企业容易受到DDoS攻击，可能导致大规模服务损失。

HiSecEngine系列防火墙作为大中型企业的出口网关，可提供以下优势：
- 利用ISP链路选择、智能流量引导和透明DNS功能，合理分配链路带宽到多个出口，高效转发流量，防止流量转移和单链路拥塞。
- 对企业内部网络和互联网之间的流量应用策略，控制带宽和连接数量，防止网络拥塞并抵御DDoS攻击。
- 在HiSecEngine系列防火墙与移动员工以及分支机构之间建立VPN隧道，保护服务数据在互联网传输过程中的安全。
- 使用抗DDoS功能抵御外部主机对内部服务器的大流量攻击，确保服务连续性。
- 部署日志NMS（需单独购买）记录网络运行日志，便于配置调整、NAT源追踪和风险识别。
- 采用两个防火墙组成集群，以热备用模式工作，提高系统可靠性。当出现单点故障时，服务流量可平滑切换到备用设备，确保服务连续性。

3.4 VPN分支访问和移动办公

如今，全球企业通常在总部之外设立分支机构或与合作伙伴合作，以支持全球业务。分支机构、合作伙伴和移动员工都需要远程访问企业总部网络以提供服务。目前，VPN技术实现了安全且低成本的移动办公访问。企业分支机构通信场景具有以下特点：
- 分支机构需要连接到总部网络以提供服务。
- 合作伙伴需要灵活的授权，以便根据服务限制可访问的网络资源和可传输的数据类型。
- 移动员工需要随时随地连接到企业网络。而且，由于这些用户没有信息安全措施的保护，企业必须实施严格的访问认证，以精确控制他们可访问的资源和权限。
- 企业必须对远程访问期间传输的数据实施加密保护，防止窃听、篡改、伪造和重放，以及可能的信息泄露。

HiSecEngine系列防火墙作为企业的VPN访问网关，可提供以下功能：
- 为具有固定VPN网关的分支机构和合作伙伴建立永久的IPsec或IPsec之上的L2TP隧道。如果需要访问账户认证，建议使用IPsec之上的L2TP隧道。
- 利用SSL VPN技术，通过Web浏览器在IP地址不固定的移动员工与总部之间建立隧道，无需安装VPN客户端。此外，还可以对移动员工可访问的资源进行精细控制，或使用IPsec之上的L2TP与总部建立IPsec隧道。
- 使用IPsec或SSL加密算法保护通过上述隧道传输的网络数据。
- 对VPN访问用户进行认证和授权，确保其合法性。
- 部署抗DDoS攻击防御和入侵保护，防止网络威胁通过隧道进入总部，避免机密信息泄露。

3.5 云计算网关

云计算有多种应用模式。通常，ISP为用户提供硬件资源和计算能力，用户可以使用单个终端访问云，类似于操作PC。云计算的核心技术通过服务器集群和多种虚拟化技术为大量网络用户提供独立且完整的网络服务。在这种情况下，防火墙作为云计算网关。

防火墙的虚拟系统功能可将物理设备划分为多个独立的逻辑设备。每个逻辑设备（称为虚拟系统）都有自己的接口、系统资源和配置文件，能够独立转发流量并进行安全检测。虚拟系统之间在逻辑上相互隔离，每个云终端都有专属的防火墙。由于这些虚拟系统共享同一物理实体，它们之间的流量转发效率很高。在这种场景下，防火墙可实现虚拟服务器之间的快速数据交换，保护云终端与云服务器之间的流量，并为云计算提供增值安全服务。

4. 高级内容安全防御

4.1 精确访问控制

传统安全策略使用基于五元组（源地址、目的地址、源端口号、目的端口号和协议）的数据包过滤规则来控制安全区域之间的流量转发。随着互联网技术的不断发展，对网络安全提出了新的要求，也为流量访问提供了更精确的控制策略。传统网络和下一代网络的对比如下：
| 比较项 | 传统网络 | 下一代网络 |
| ---- | ---- | ---- |
| 用户识别 | 使用IP地址识别用户，例如营销部门使用192.168.1.0/24的IP地址。用户只能根据子网或安全区域进行区分，没有固定IP地址的用户无法用IP地址识别 | 企业管理员希望将用户与IP地址动态关联，以便可视化查看用户活动，并根据用户信息审核和控制穿越网络的应用和内容 |
| 应用识别 | 使用端口识别应用，例如网页浏览应用使用端口80，FTP使用端口21。要允许或拒绝某个应用，需启用或禁用其使用的端口 | 防火墙需要识别用户和应用，以提供更精细和可视化的流量控制。防火墙安全策略可取代传统安全策略的功能，实现基于用户和应用的转发控制 |

与传统安全策略相比，防火墙安全策略具有以下优势：
- 基于用户区分不同部门的员工，实现更灵活和可视化的网络管理。
- 区分使用相同协议（如HTTP）的应用（如即时通讯和在线游戏），实现更精细的网络管理。

4.2 强大的入侵预防

IPS通过分析网络流量来检测入侵（如缓冲区溢出攻击、特洛伊木马、蠕虫和僵尸网络），为信息系统和网络提供保护。防火墙通过监控或分析系统事件，在应用层检测攻击或入侵，并使用以下措施实时终止入侵行为：
- 针对各种流量类型制定特定的保护措施。管理员可以为各种流量类型定义安全策略，根据网络环境在不同级别实施保护。
- 对应用层数据包进行深度检查。防火墙维护一个不断更新的应用签名数据库，并对来自数千个应用的流量进行深度数据包检查，以检测攻击和入侵。根据应用特定的安全策略，防火墙对不同应用的流量采取相应的行动。在这种情况下，管理员可以灵活部署入侵预防功能。
- 对IP片段和乱序TCP流进行威胁检测。某些攻击使用IP数据包片段和乱序TCP数据包来逃避威胁检测。为解决这个问题，防火墙会将IP片段重新组装成数据包，或重新排列乱序数据包，然后再进行威胁检测。
- 大容量签名数据库和用户定义的签名。防火墙的预定义签名数据库可以识别数千个应用层攻击，并且数据库的不断更新确保了应用识别和攻击防御能力的时效性。管理员可以根据流量信息定义签名，以进一步增强防火墙的入侵预防功能。

4.3 精细的流量管理

随着网络服务的快速发展，可用网络带宽有限。在网络带宽管理过程中，可能会遇到以下问题：
- 大部分带宽被用于传输P2P流量的大量连接消耗。
- 由于DDoS攻击，普通主机无法访问企业提供的服务。
- 无法为特定服务保证稳定的带宽或连接资源。
- 流量过载会降低设备性能和用户体验。

防火墙提供以下流量管理解决方案：
- 根据IP地址、用户、应用和时间分配带宽和连接资源，以减少P2P流量消耗的带宽，并为特定用户授予P2P下载权限。
- 基于安全区域（通过带宽管理）或接口（通过QoS）限制带宽，保护内部服务器和网络设备免受DDoS攻击。
- 强大的应用识别能力使防火墙能够实现精细的带宽管理，并根据需要为应用分配特定的最大带宽。

防火墙根据流量策略和配置文件灵活分配带宽，每个流量配置文件指定可用带宽或连接资源的范围。每个流量策略将一个配置文件分配给特定的流量类型。有两种带宽分配方法：
- 多个流量策略共享一个流量配置文件。与现有流量策略匹配的流量将抢占流量配置文件中定义的带宽和连接资源，以提高网络资源的效率。还可以设置每个IP或每个用户的最大带宽，防止某些主机导致网络拥塞或带宽耗尽。
- 一个流量策略独占一个流量配置文件。这种方法为高优先级服务或主机保证带宽。

4.4 完美的负载均衡

随着网络的扩展，企业可能会在网络出口部署多个链路以分担流量。不断增长的网络服务量给企业服务器带来了巨大压力，单个服务器无法满足访问需求。理想情况下，单个服务器会扩展为多个服务器来处理不断增长的流量。防火墙提供入站和出站负载均衡功能，以解决链路或服务器如何协作分担流量的问题。

出站负载均衡 ：当企业网络出口部署多个链路时，大多数情况下，出站流量会在这些链路之间平均分配。这种方法提高了网络的稳定性和可靠性，但可能无法满足以下要求：
- 发往特定ISP网络的流量必须通过连接到该ISP网络的出站接口转发。
- 企业网络的流量必须通过各自的链路均匀分配到ISP网络，以避免在多个ISP网络上部署服务时出现拥塞。
- 发往互联网上服务器的用户流量必须通过延迟最小的路径转发；高速链路必须转发额外的流量，而低速链路可以在不拥塞的情况下得到合理利用。

防火墙支持出站负载均衡功能，如ISP链路选择、透明DNS和智能流量引导，可轻松满足上述要求，并适用于各种多链路负载均衡场景。
- ISP链路选择 ：当企业网络与多个ISP网络有链路连接时，可以将每个ISP的网络地址添加到特定的ISP地址文件中，将该文件导入防火墙，并为该文件指定下一跳或出站接口等参数，以批量生成到ISP网络的静态路由。然后，用户流量根据匹配的静态路由转发到相应的ISP网络。这种机制确保发往特定ISP网络的流量通过相应的出站接口转发，不会转移到其他ISP网络。
- 透明DNS ：配置透明DNS后，防火墙会更改DNS请求的目的地址，并根据权重（百分比）将其发送到不同ISP网络的DNS服务器。这种方法平衡了内部网用户在ISP链路之间的互联网流量，避免拥塞并提高用户体验。
- 智能流量引导 ：智能流量引导检测到远程主机的链路延迟，然后选择延迟最短的最佳链路，以快速转发服务。可以根据性能手动为每个链路设置路由权重和带宽阈值，使服务流量按计划通过不同的链路转发。

入站负载均衡 ：通过入站负载均衡，外部用户到内部多个服务器的流量可以得到均匀平衡。这确保流量均匀分配到每个服务器，防止单个服务器负载过重而其他服务器闲置。防火墙支持服务器负载均衡和智能DNS。
- 服务器负载均衡 ：服务器负载均衡使多个服务器能够处理原本分配给单个服务器的服务，提高了服务处理效率和能力。形成的服务器集群在外部表现为单个逻辑服务器，防火墙将流量分配给各个服务器。如果某个服务器出现故障，防火墙将不再向其分配流量；如果服务器集群的容量不足，则需要添加额外的服务器。这些内部变化对用户是透明的，便于网络运维和未来调整。服务器负载均衡确保流量可以均匀分配到服务器。防火墙可以根据服务类型调整流量分配算法，满足特定的服务要求，提高服务质量和效率。可用的算法包括：
- 轮询：客户端服务流量依次分配给每个服务器。
- 加权轮询：客户端服务流量根据权重分配给服务器。
- 最少连接：客户端服务流量分配给并发连接数最少的服务器。
- 加权最少连接：客户端服务流量分配给并发加权连接数最少的服务器。
- 粘性会话：所有客户端服务流量使用基于源IP地址的哈希算法分配给同一服务器。
- 加权粘性会话：所有客户端服务流量分配给同一服务器，并且权重较高的服务器会分配到更多的服务流量。
- 智能DNS ：当企业网络部署了DNS服务器时，智能DNS使防火墙能够智能地发送连接到为请求用户提供服务的ISP网络的出站接口的IP地址。用户发起访问数据流量到该地址，从而使用户流量直接转发到为用户所在的ISP网络专门设置的特定Web服务器。这种机制防止流量转移，减少网页访问延迟，提高服务体验。

云数据中心网络架构与华为HiSecEngine防火墙技术解析

5. 总结与展望

华为HiSecEngine系列防火墙凭借其卓越的性能和丰富的功能，在当今复杂多变的网络环境中展现出了强大的适应性和可靠性。它不仅能够有效应对传统网络安全威胁，还能满足云计算、移动办公等新兴技术带来的新挑战。

从应用场景来看，无论是数据中心边界保护、广播电视网络和二级运营商网络优化，还是大中型企业边界防护、VPN分支访问和移动办公支持，以及云计算网关服务，HiSecEngine系列防火墙都能提供全面且专业的解决方案。其集成的多种安全功能，如入侵预防、抗DDoS攻击、流量管理和负载均衡等，为企业的网络安全和业务连续性提供了坚实保障。

在高级内容安全防御方面，精确访问控制实现了基于用户和应用的精细流量管理，强大的入侵预防机制能够及时检测和抵御各类攻击，精细的流量管理确保了网络资源的合理分配，完美的负载均衡则提高了网络的整体性能和可靠性。

未来，随着网络技术的不断发展，网络安全威胁也将日益复杂。华为HiSecEngine系列防火墙有望进一步创新和升级，以适应新的安全需求。例如，加强对人工智能和机器学习技术的应用，实现更智能的威胁检测和预防；进一步优化性能，以应对不断增长的网络流量和数据处理需求；拓展更多的应用场景，为更多行业提供定制化的安全解决方案。

6. 相关技术对比

为了更好地理解华为HiSecEngine系列防火墙的优势，我们将其与传统防火墙和其他同类产品进行对比。

对比项	传统防火墙	其他同类产品	华为HiSecEngine系列防火墙
处理性能	一般较低，难以应对大规模流量和复杂应用	性能参差不齐，部分产品能满足一定需求，但仍有提升空间	具备太比特级处理性能，可轻松应对高流量和复杂应用场景
安全功能	主要基于IP地址和端口进行防护，功能相对单一	具备多种安全功能，但集成度和协同性可能不足	集成NAT、VPN、虚拟化等多种安全功能，协同工作能力强
可靠性	可靠性有限，难以保证99.999%的高可用性	部分产品可靠性较高，但在集群和热备用等方面可能存在不足	可靠性高达99.999%，支持双机热备和集群工作模式，确保服务连续性
流量管理	流量管理能力较弱，难以实现精细控制	部分产品有一定流量管理功能，但不够灵活和精准	提供精细的流量管理解决方案，可根据多种因素分配带宽和连接资源
负载均衡	负载均衡功能简单，无法满足复杂网络需求	部分产品具备负载均衡功能，但算法和策略不够丰富	支持入站和出站负载均衡，提供多种负载均衡算法和策略，适应不同场景

通过对比可以看出，华为HiSecEngine系列防火墙在处理性能、安全功能、可靠性、流量管理和负载均衡等方面都具有明显优势，能够为用户提供更全面、更高效、更可靠的网络安全解决方案。

7. 实施建议

如果企业计划部署华为HiSecEngine系列防火墙，以下是一些实施建议：
1. 需求评估 ：
- 全面了解企业的网络架构、业务需求和安全目标，确定防火墙的部署位置和功能需求。
- 评估企业现有的网络设备和安全措施，确保与HiSecEngine系列防火墙的兼容性。
2. 方案设计 ：
- 根据需求评估结果，设计合理的防火墙部署方案，包括网络拓扑结构、安全策略配置和流量管理策略。
- 考虑防火墙的高可用性和冗余设计，确保在设备故障或网络中断时能够保持服务连续性。
3. 设备选型 ：
- 根据企业的网络规模、流量负载和安全需求，选择合适的HiSecEngine系列防火墙型号和配置。
- 考虑设备的扩展性，以便在未来业务增长时能够轻松升级和扩展。
4. 配置与部署 ：
- 按照设计方案进行防火墙的配置和部署，确保各项功能正常运行。
- 进行严格的测试和验证，包括功能测试、性能测试和安全测试，确保防火墙能够满足企业的需求。
5. 运维与管理 ：
- 建立完善的运维管理制度，定期对防火墙进行巡检、维护和升级。
- 培训相关人员，使其熟悉防火墙的操作和管理，能够及时处理各种安全事件和故障。

8. 未来发展趋势

随着网络技术的不断进步和应用场景的不断拓展，华为HiSecEngine系列防火墙也将面临新的发展机遇和挑战。以下是一些未来可能的发展趋势：
1. 智能化 ：引入人工智能和机器学习技术，实现自动化的威胁检测、分析和响应。通过对大量网络数据的学习和分析，能够更准确地识别和抵御未知威胁，提高安全防护的效率和效果。
2. 云化 ：随着云计算的普及，防火墙将逐渐向云化方向发展。华为HiSecEngine系列防火墙可能会提供云服务版本，用户可以通过云平台轻松部署和管理防火墙，实现按需使用和弹性扩展。
3. 零信任架构 ：零信任架构强调“默认不信任，始终验证”的原则，未来防火墙可能会与零信任架构深度融合，对任何试图访问企业资源的用户和设备进行严格的身份验证和授权，确保网络安全。
4. 物联网安全 ：随着物联网设备的大量普及，物联网安全成为了重要的安全领域。华为HiSecEngine系列防火墙可能会加强对物联网设备的安全防护，提供针对物联网协议和设备的安全功能，保障物联网环境的安全。

9. 案例分析

为了更直观地了解华为HiSecEngine系列防火墙的实际应用效果，我们来看一个具体的案例。

某大型企业拥有多个分支机构和大量移动员工，企业网络面临着来自外部的DDoS攻击、内部的非法访问和数据泄露等安全威胁。传统防火墙无法满足企业日益增长的安全需求，因此企业决定部署华为HiSecEngine系列防火墙。

9.1 部署方案

• 在数据中心边界部署HiSecEngine系列防火墙，作为边界网关，提供DC边界保护功能，确保数据中心的安全和稳定运行。
• 在企业总部和分支机构之间建立VPN隧道，使用HiSecEngine系列防火墙作为VPN访问网关，实现安全的远程访问和数据传输。
• 在企业网络出口部署多个HiSecEngine系列防火墙，实现入站和出站负载均衡，提高网络性能和可靠性。

9.2 实施效果

• 安全防护能力提升 ：防火墙的入侵预防功能有效阻止了多次外部攻击，如DDoS攻击和恶意入侵，保护了企业的服务器和数据安全。
• 网络性能优化 ：通过负载均衡功能，流量在多个链路和服务器之间得到了合理分配，提高了网络的响应速度和稳定性，用户体验明显改善。
• 管理效率提高 ：防火墙的集中管理和可视化界面，使企业管理员能够轻松配置和管理安全策略，及时发现和处理安全事件，提高了管理效率。

通过这个案例可以看出，华为HiSecEngine系列防火墙能够为企业提供全面、高效的网络安全解决方案，帮助企业应对各种安全挑战，保障业务的正常运行。

10. 结语

华为HiSecEngine系列防火墙以其卓越的性能、丰富的功能和广泛的应用场景，成为了企业网络安全的可靠守护者。在未来的网络发展中，它将不断创新和升级，为企业提供更强大的安全保障。企业在选择网络安全解决方案时，应充分考虑自身需求和实际情况，合理选择和部署华为HiSecEngine系列防火墙，以确保网络的安全、稳定和高效运行。

mermaid格式流程图展示防火墙在企业网络中的部署架构：

graph LR
    A[外部网络] --> B[华为HiSecEngine系列防火墙（DC边界）]
    B --> C[数据中心]
    D[分支机构] --> E[华为HiSecEngine系列防火墙（VPN访问）]
    E --> F[企业总部网络]
    G[移动员工] --> H[华为HiSecEngine系列防火墙（VPN访问）]
    H --> F
    I[企业网络出口] --> J[华为HiSecEngine系列防火墙（负载均衡）]
    J --> K[多个ISP网络]
    J --> C

以上流程图展示了华为HiSecEngine系列防火墙在企业网络中的不同部署位置和作用，包括DC边界保护、VPN访问和负载均衡等功能，为企业网络提供了全方位的安全防护。