Начальные сведения о портах TCP/IP

Протокол TCP/IP представляет собой фундамент Internet, с помощью которого компьютеры отправляют и принимают информацию из любой точки земного шара, независимо от географического положения. Обратиться к компьютеру с TCP/IP в другой стране так же просто, как к компьютеру, который находится в соседней комнате. Процедура доступа в обоих случаях идентична, хотя для соединения с машиной в другой стране может потребоваться на несколько миллисекунд больше. В результате граждане любой страны могут без труда делать покупки в Amazon.com; однако из-за логической близости усложняется задача информационной защиты: любой владелец подключенного к Internet компьютера в любой точке мира может попытаться установить несанкционированное соединение с любой другой машиной.

Обязанность ИТ-специалистов — установить брандмауэры и системы обнаружения подозрительного трафика. В ходе анализа пакетов извлекается информация об IP-адресах отправителя и назначения и задействованных сетевых портах. Значение сетевых портов не уступает IP-адресам; это важнейшие критерии для отделения полезного трафика от фальшивых и вредных посылок, поступающих в сеть и исходящих из нее. Основная часть сетевого трафика Internet состоит из пакетов TCP и UDP, которые содержат информацию о сетевых портах, используемых компьютерами для того, чтобы направлять трафик от одного приложения в другое. Необходимое условие безопасности брандмауэра и сети — исчерпывающее понимание администратором принципов использования этих портов компьютерами и сетевыми устройствами.

Изучаем порты

Знание основных принципов работы сетевых портов пригодится любому системному администратору. Имея базовые знания об устройстве портов TCP и UDP, администратор может самостоятельно выполнить диагностику отказавшего сетевого приложения или защитить компьютер, которому предстоит обратиться в Internet, не вызывая сетевого инженера или консультанта по брандмауэрам.

В первой части данной статьи (состоящей из двух частей) дается описание основных понятий, необходимых для рассмотрения сетевых портов. Будет показано место сетевых портов в общей сетевой модели и роль сетевых портов и NAT (Network Address Translation — трансляция сетевых адресов) брандмауэра в соединениях компьютеров компании с Internet. И наконец, будут указаны точки сети, в которых удобно идентифицировать и фильтровать сетевой трафик по соответствующим сетевым портам. Во второй части рассматриваются некоторые порты, используемые широко распространенными приложениями и операционными системами, и рассказывается о некоторых инструментах для поиска открытых портов сети.

Краткий обзор сетевых протоколов

TCP/IP — набор сетевых протоколов, через которые компьютеры устанавливают связь друг с другом. Набор TCP/IP — не более чем фрагменты программного кода, установленные в операционной системе и открывающие доступ к этим протоколам. TCP/IP является стандартом, поэтому приложения TCP/IP на компьютере Windows должны успешно обмениваться данными с аналогичным приложением на машине UNIX. В начальный период развития сетей, в 1983 г., инженеры разработали семиуровневую модель взаимодействия OSI для описания процессов сетевого обмена компьютеров, от кабеля до приложения. Модель OSI состоит из физического, канального, сетевого, транспортного, сеансового представления данных и прикладного уровней. Администраторы, постоянно работающие с Internet и TCP/IP, в основном имеют дело с сетевым, транспортным и прикладным уровнями, но для успешной диагностики необходимо знать и другие уровни. Несмотря на солидный возраст модели OSI, ею по-прежнему пользуются многие специалисты. Например, когда сетевой инженер говорит о коммутаторах уровней 1 или 2, а поставщик брандмауэров — о контроле на уровне 7, они имеют в виду уровни, определенные в модели OSI.

В данной статье рассказывается о сетевых портах, расположенных на уровне 4 — транспортном. В наборе TCP/IP эти порты используются протоколами TCP и UDP. Но прежде чем перейти к подробному описанию одного уровня, необходимо кратко ознакомиться с семью уровнями OSI и той ролью, которую они выполняют в современных сетях TCP/IP.

Уровни 1 и 2: физические кабели и адреса MAC

Уровень 1, физический, представляет собственно среду, в которой распространяется сигнал, — например, медный кабель, волоконно-оптический кабель или радиосигналы (в случае Wi-Fi). Уровень 2, канальный, описывает формат данных для передачи в физической среде. На уровне 2 пакеты организуются в кадры и могут быть реализованы базовые функции управления потоком данных и обработки ошибок. Стандарт IEEE 802.3, более известный как Ethernet,— самый распространенный стандарт уровня 2 для современных локальных сетей. Обычный сетевой коммутатор — устройство уровня 2, с помощью которого несколько компьютеров физически подключаются и обмениваются данными друг с другом. Иногда два компьютера не могут установить соединение друг с другом, хотя IP-адреса кажутся корректными: причиной неполадки могут быть ошибки в кэше протокола преобразования адресов ARP (Address Resolution Protocol), что свидетельствует о неисправности на уровне 2. Кроме того, некоторые беспроводные точки доступа (Access Point, AP) обеспечивают фильтрацию адресов MAC, разрешающую соединение с беспроводной AP только сетевым адаптерам с конкретным MAC-адресом.

Уровни 3 и 4: IP-адреса и сетевые порты

Уровень 3, сетевой, поддерживает маршрутизацию. В TCP/IP маршрутизация реализована в IP. IP-адрес пакета принадлежат уровню 3. Сетевые маршрутизаторы — устройства уровня 3, которые анализируют IP-адреса пакетов и пересылают пакеты другому маршрутизатору или доставляют пакеты в локальные компьютеры. Если в сети обнаружен подозрительный пакет, то в первую очередь следует проверить IP-адрес пакета, чтобы установить место происхождения пакета.

Вместе с сетевым уровнем 4-й уровень (транспортный) — хорошая отправная точка для диагностики сетевых неисправностей. В Internet уровень 4 содержит протоколы TCP и UDP и информацию о сетевом порте, который связывает пакет с конкретным приложением. Сетевой стек компьютера использует связь сетевого порта TCP или UDP с приложением, чтобы направить сетевой трафик в это приложение. Например, TCP-порт 80 связан с приложением Web-сервера. Такое соответствие портов с приложениями известно как служба.

TCP и UDP различаются. В сущности, TCP обеспечивает надежное соединение для обмена данными между двумя приложениями. Прежде чем начать обмен данными, два приложения должны установить связь, выполнив трехшаговый процесс установления сязи TCP. Для протокола UDP в большей степени характерен подход «активизировать и забыть». Надежность связи для приложений TCP обеспечивается протоколом, а приложению UDP приходится самостоятельно проверять надежность соединения.

Сетевой порт представляет собой число от 1 до 65535, указанное и известное обоим приложениям, между которыми устанавливается связь. Например, клиент, как правило, посылает незашифрованный запрос в сервер по целевому адресу на TCP-порт 80. Обычно компьютер посылает запрос DNS на DNS-сервер по целевому адресу на UDP-порт 53. Клиент и сервер имеют IP-адрес источника и назначения, а также сетевой порт источника и назначения, которые могут различаться. Исторически все номера портов ниже 1024 получили название «известных номеров портов» и зарегистрированы в организации IANA (Internet Assigned Numbers Authority). В некоторых операционных системах только системные процессы могут использовать порты этого диапазона. Кроме того, организации могут зарегистрировать в IANA порты с 1024 по 49151-й, чтобы связать порт со своим приложением. Такая регистрация обеспечивает структуру, которая помогает избежать конфликтов между приложениями, стремящимися использовать порт с одним номером. Однако в целом ничто не мешает приложению запросить конкретный порт, если он не занят другой активной программой.

Исторически сложилось так, что сервер может прослушивать порты с малыми номерами, а клиент — инициировать соединение от порта с большим номером (выше 1024). Например, Web-клиент может открыть соединение с Web-сервером через порт назначения 80, но ассоциировать произвольно выбранный порт-источник, например TCP-порт 1025. Отвечая клиенту, Web-сервер адресует пакет клиенту с портом-источником 80 и портом назначения 1025. Комбинация IP-адреса и порта называется сокетом (socket), она должна быть уникальной в компьютере. По этой причине при организации Web-сервера с двумя отдельными Web-сайтами на одном компьютере необходимо использовать несколько IP-адресов, например address1:80 и address2:80, или настроить Web-сервер на прослушивание нескольких сетевых портов, таких как address1:80 и address1:81. Некоторые Web-серверы обеспечивают работу нескольких Web-сайтов через один порт, запрашивая хост-заголовок, но в действительности эта функция выполняется приложением Web-сервера на более высоком уровне 7.

По мере того как в операционных системах и приложениях появлялись сетевые функции, программисты начали использовать порты с номерами выше 1024, без регистрации всех приложений в IANA. Выполнив в Internet поиск для любого сетевого порта, как правило, удается быстро найти информацию о приложениях, которые используют этот порт. Или же можно провести поиск по словам Well Known Ports и отыскать множество сайтов со списками наиболее типичных портов.

При блокировании сетевых приложений компьютера или устранении изъянов в брандмауэре основная часть работы приходится на классификацию и фильтрацию IP-адресов уровня 3, а также протоколов и сетевых портов уровня 4. Чтобы быстро отличать легальный и подозрительный трафик, следует научиться распознавать 20 наиболее широко используемых на предприятии портов TCP и UDP.

Умение распознавать сетевые порты и знакомство с ними не ограничивается назначением правил для брандмауэра. Например, в некоторых исправлениях для системы безопасности Microsoft описана процедура закрытия портов NetBIOS. Эта мера позволяет ограничить распространение «червей», проникающих через уязвимые места операционной системы. Зная, как и где следует закрыть эти порты, можно уменьшить угрозу безопасности сети во время подготовки к развертыванию важного исправления.

И сразу к уровню 7

В настоящее время редко приходится слышать об уровне 5 (сеансовом) и уровне 6 (представления данных), но уровень 7 (прикладной) — горячая тема среди поставщиков брандмауэров. Новейшая тенденция в развитии сетевых брандмауэров — контроль на уровне 7, который описывает методы, используемые для анализа работы приложения с сетевыми протоколами. Анализируя полезную информацию сетевого пакета, брандмауэр может определить законность проходящего через него трафика. Например, Web-запрос содержит оператор GET внутри пакета уровня 4 (TCP-порт 80). Если в брандмауэре реализованы функции уровня 7, то можно проверить корректность оператора GET. Другой пример — многие одноранговые (P2P) программы обмена файлами могут захватить порт 80. В результате постороннее лицо может настроить программу на использование порта по собственному выбору — скорее всего, порта, который должен оставаться открытым в данном брандмауэре. Если сотрудникам компании нужен выход в Internet, необходимо открыть порт 80, но, чтобы отличить законный Web-трафик от трафика P2P, направленного кем-то в порт 80, брандмауэр должен обеспечивать контроль на уровне 7.

Роль брандмауэра

Описав сетевые уровни, можно перейти к описанию механизма связи между сетевыми приложениями через брандмауэры, уделив особое внимание используемым при этом сетевым портам. В следующем примере клиентский браузер устанавливает связь с Web-сервером по другую сторону брандмауэра, подобно тому как сотрудник компании обращается к Web-серверу в Internet.

Большинство Internet-брандмауэров работает на уровнях 3 и 4, чтобы исследовать, а затем разрешить или блокировать входящий и исходящий сетевой трафик. В целом администратор составляет списки управления доступом (ACL), которые определяют IP-адреса и сетевые порты блокируемого или разрешенного трафика. Например, чтобы обратиться в Web, нужно запустить браузер и нацелить его на Web-узел. Компьютер инициирует исходящее соединение, посылая последовательность IP-пакетов, состоящих из заголовка и полезной информации. Заголовок содержит информацию о маршруте и другие атрибуты пакета. Правила брандмауэра часто составляются с учетом информации о маршруте и обычно содержат IP-адреса источника и места назначения (уровень 3) и протокола пакета (уровень 4). При перемещениях по Web IP-адрес назначения принадлежит Web-серверу, а протокол и порт назначения (по умолчанию) — TCP 80. IP-адрес источника представляет собой адрес компьютера, с которого пользователь выходит в Web, а порт источника — обычно динамически назначаемое число, превышающее 1024. Полезная информация не зависит от заголовка и генерируется приложением пользователя; в данном случае это запрос Web-серверу на предоставление Web-страницы.

Брандмауэр анализирует исходящий трафик и разрешает его в соответствии с правилами брандмауэра. Многие компании разрешают весь исходящий трафик из своей сети. Такой подход упрощает настройку и развертывание, но из-за отсутствия контроля данных, покидающих сеть, снижается безопасность. Например, «троянский конь» может заразить компьютер в сети предприятия и посылать информацию с этого компьютера другому компьютеру в Internet. Имеет смысл составить списки управления доступом для блокирования такой исходящей информации.

В отличие от принятого во многих брандмауэрах подхода к исходящему трафику, большинство из них настроено на блокирование входящего трафика. Как правило, брандмауэры разрешают входящий трафик только в двух случаях. Первый — трафик, поступающий в ответ на исходящий запрос, посланный ранее пользователем. Например, если указать в браузере адрес Web-страницы, то брандмауэр пропускает в сеть программный код HTML и другие компоненты Web-страницы. Второй случай — размещение в Internet внутренней службы, такой как почтовый сервер, Web- или FTP-узел. Размещение такой службы обычно называется трансляцией порта или публикацией сервера. Реализация трансляции порта у разных поставщиков брандмауэров различна, но в основе лежит единый принцип. Администратор определяет службу, такую как TCP-порт 80 для Web-сервера и внутренний сервер для размещения службы. Если пакеты поступают в брандмауэр через внешний интерфейс, соответствующий данной службе, то механизм трансляции портов пересылает их на конкретный компьютер сети, скрытый за брандмауэром. Трансляция порта используется в сочетании со службой NAT, описанной ниже.

Основы NAT

Благодаря NAT многочисленные компьютеры компании могут совместно занимать небольшое пространство общедоступных IP-адресов. DHCP-сервер компании может выделять IP-адрес из одного из блоков частных, Internet-немаршрутизируемых IP-адресов, определенных в документе Request for Comments (RFC) № 1918. Несколько компаний также могут совместно использовать одно пространство частных IP-адресов. Примеры частных IP-подсетей — 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 и 192.168.0.0/16. Маршрутизаторы Internet блокируют любые пакеты, направляемые в один из частных адресов. NAT — функция брандмауэра, с помощью которой компании, в которых используются частные IP-адреса, устанавливают связь с другими компьютерами в Internet. Брандмауэру известно, как транслировать входящий и исходящий трафик для частных внутренних IP-адресов, чтобы каждый компьютер имел доступ в Internet.

На рис. 1 показана базовая схема NAT-соединения между клиентом и Web-сервером. На этапе 1 трафик, направляемый в Internet с компьютера корпоративной сети, поступает на внутренний интерфейс брандмауэра. Брандмауэр получает пакет и делает запись в таблице отслеживания соединений, которая управляет преобразованием адресов. Затем брандмауэр подменяет частный адрес источника пакета собственным внешним общедоступным IP-адресом и посылает пакет по месту назначения в Internet (этап 2). Компьютер назначения получает пакет и передает ответ в брандмауэр (этап 3). Получив этот пакет, брандмауэр отыскивает отправителя исходного пакета в таблице отслеживания соединений, заменяет IP-адрес назначения на соответствующий частный IP-адрес и передает пакет на исходный компьютер (этап 4). Поскольку брандмауэр посылает пакеты от имени всех внутренних компьютеров, он изменяет исходный сетевой порт, и данная информация хранится в таблице отслеживания соединений брандмауэра. Это необходимо, чтобы исходящие сокеты оставались уникальными.

Важно понимать принципы работы NAT, так как NAT изменяет IP-адрес и сетевые порты пакетов трафика. Такое понимание помогает в диагностике неисправностей. Например, становится понятным, почему один трафик может иметь разные IP-адреса и сетевые порты на внешнем и внутреннем интерфейсах брандмауэра.

Сначала фундамент, потом структура

Понимание основных принципов организации сети со стороны приложения, брандмауэра и порта необходимо не только сетевым инженерам. Сегодня редко встречается компьютерная система, не подключенная к сети, и даже системным администраторам гораздо проще решать свои проблемы, понимая хотя бы основы использования сетевых портов для связи приложений через Internet.

Во второй части статьи будет рассмотрен инструментарий для обнаружения приложений в сети путем анализа задействованных сетевых портов. Чтобы отыскать приложения, открывающие порты на прослушивание и доступные по сети, компьютер опрашивается через сеть (сканирование портов) и локально (хост-сканирование). Кроме того, просматривая журналы брандмауэра, можно исследовать сетевой трафик, который пересекает границу сети, и заглянуть в различные сетевые порты, используемые приложениями Windows и UNIX.


Джеф Феллинг - Директор по информационной безопасности компании Quantive. Автор книги IT Administrator?s Top 10 Introductory Scripts for Windows (издательство Charles River Media). jeff@blackstatic.com

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями