第1章 绪论

1.1 课题研究的目的意义 

基于Windows驱动的包过滤防火墙是一种计算机网络安全防护技术，通过监控网络通信，识别和过滤不安全的网络流量，从而保护计算机系统免受恶意攻击。包过滤防火墙是一种广泛使用的网络安全工具，可以控制网络流量，过滤潜在的网络攻击和恶意流量，从而提高网络的安全性和可靠性。包过滤防火墙通过分析网络数据包的内容，根据预定义的规则来决定是否允许数据包通过网络。

包过滤防火墙课题研究的目的是探讨包过滤防火墙技术的原理、实现和优化方法，研究其在网络安全领域的应用和发展趋势。要研究包过滤防火墙的实现方法和技术，探讨如何设计高效、可靠、安全的包过滤防火墙系统。分析包过滤防火墙的性能问题，研究如何优化包过滤防火墙的处理能力、内存占用等方面的问题，提高其工作效率和性能。探讨包过滤防火墙在网络安全中的应用和发展趋势，分析其在未来的发展中可能面临的挑战和机遇。

该技术的研究能提高计算机系统的安全性，通过基于Windows驱动的包过滤防火墙，可以及时识别和阻止恶意攻击，保护计算机系统的安全性。它也可以监控网络通信，对网络流量进行实时识别和过滤，从而提高网络安全防护的能力。它也可以对网络通信进行监控和过滤，有效保护个人隐私，同时记录网络攻击行为，对攻击行为进行分析和研究，从而提高对未来网络攻击的应对能力。

综上所述，对基于Windows驱动的包过滤防火墙的研究具有非常重要的实际意义，可以有效提高计算机系统和网络的安全性，保护个人隐私，同时对未来网络安全攻击的防范也有很大的帮助，有利于推动包过滤防火墙技术的发展和应用，提高网络安全水平，保护网络和用户的安全和隐私。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

近年来，国外在包过滤防火墙领域出现了一系列新的技术发展和创新。

深度包检测（Deep Packet Inspection，DPI）[1]是一项先进的包过滤技术，它能够深入分析网络数据包的内容，包括数据的协议、应用层信息等。DPI技术具备检测和阻止网络中恶意流量和攻击的能力，为网络提供了更为细致的流量控制和安全策略。   

下一代防火墙（Next-Generation Firewall，NGFW）[2]是具备传统防火墙功能和高级安全特性的先进防火墙技术。它不仅能够进行基于端口和IP地址的包过滤，还可以进行应用层识别、用户身份验证、内容过滤、入侵检测和防御等多种安全功能，提供更全面的网络保护。

轻量级防火墙（Lightweight Firewall）是一种精简而高效的包过滤技术，针对资源受限的嵌入式系统和物联网设备设计。它专注于关键的网络安全功能，通过精简的规则集和优化的算法，实现了在资源有限的环境中有效保护网络的能力。

软件定义网络（Software-Defined Networking，SDN）是一种网络架构，通过将网络控制和数据转发分离，实现了更加灵活和可编程的网络管理方式。在SDN中，包过滤防火墙可以通过集中控制器进行统一管理和配置，实现更高效的网络流量控制和安全策略的实施。

云原生防火墙（Cloud-Native Firewall）[3]是针对云计算环境设计的一种新型防火墙技术。它能够在云平台上动态扩展和自动部署，支持云资源的弹性伸缩和应用的快速迁移，提供云环境下的包过滤和安全隔离功能。

Windows Filtering Platform (WFP)是微软公司提供的一种用于网络数据包过滤的技术框架，广泛用于Windows操作系统中的包过滤防火墙。它提供了灵活的网络数据包处理能力，并具有高性能和可扩展性。WFP技术在国外得到了广泛应用，并被多个第三方安全产品采用。

在过去的几年中，一些第三方安全软件使用传统的Transport Driver Interface (TDI)或Layered Service Provider (LSP)技术来实现包过滤防火墙。这些技术通过在操作系统网络协议栈中插入驱动程序或动态链接库来拦截和处理网络数据包。然而，随着操作系统的升级和安全性的提升，这些技术逐渐受到限制和淘汰。

NDIS（Network Driver Interface Specification）[4] 是一种标准接口规范，专为网络驱动程序开发而设计。一些包过滤防火墙技术采用NDIS过滤驱动来拦截和处理网络数据包。这种方法通常具有较高的性能和可靠性，并且与底层网络驱动程序紧密集成。

除了操作系统自带的防火墙功能外，市场上还有许多第三方防火墙产品，它们基于Windows驱动开发，提供了更高级的包过滤和网络安全功能。这些产品通常具有用户友好的界面、高级的规则配置选项以及实时的网络监控和报警功能。

1.2.2 国内发展现状

目前，许多国内企业使用的防火墙仍然是基于传统包过滤防火墙技术，因为它稳定、易操作。而国内也在包过滤防火墙技术的研究和发展方面取得了一些重要进展。

深度包检测技术是通过对网络数据包进行深度分析和检测，实现对网络流量中潜在威胁的准确识别和阻断。该技术利用机器学习、深度学习等人工智能技术，对网络流量进行实时监测和分析，以识别恶意代码、网络攻击和异常行为等。虚拟化与云安全技术是随着云计算和虚拟化技术的快速发展，研究人员致力于将包过滤防火墙技术与虚拟化和云安全相结合。通过在云环境中部署虚拟化防火墙，实现对虚拟机和云服务的安全隔离和流量过滤。而针对复杂的网络环境和安全需求，研究人员致力于开发智能化的安全策略管理技术，利用人工智能和机器学习算法，对网络流量和攻击数据进行分析，自动识别和调整安全策略，提升网络安全防护能力。同时为了应对高速网络环境中的大规模数据流量，研究人员也着重开发高性能的包过滤引擎。这些引擎利用并行计算、硬件加速等技术手段，提高包过滤的处理速度和吞吐量，以满足高速网络中的实时安全需求。

2013年，华为正式发布了Next-Generation Firewall（NGFW）产品。作为全球领先的通信技术供应商，华为在网络安全领域具备强大的研究和产品开发实力。华为NGFW的目标是提供全面的网络安全防护功能，包括入侵检测与防御（IDP）、应用识别与控制、反病毒与反恶意软件、内容过滤等。为了提高防护效果和适应新型威胁，华为在这些领域持续进行技术研发工作。NGFW需要处理大量的网络流量和连接，因此性能和扩展性是关键考虑因素。为此，华为注重硬件优化和算法优化，以提供高性能的数据包处理能力和可扩展的部署方案，以满足不同规模和需求的网络环境。华为还积极应用人工智能和机器学习技术于NGFW中，通过自动化的威胁检测、行为分析和智能决策，提高安全防护的准确性和效率。华为持续投入研发资源，致力于探索更先进的AI(Artificial Intelligence）技术在NGFW中的应用。随着云计算和软件定义网络（SDN）的兴起，NGFW也在向云化和软件定义方向发展。华为NGFW积极融入云平台和SDN架构，以适应云环境下的网络安全需求，并提供灵活的部署和管理方式。

AI防火墙[5]是NGFW的进化版本，利用人工智能技术提供智能、高效的网络安全防护。它实时分析网络流量，识别恶意行为和威胁，并自动更新防火墙策略。通过机器学习和深度学习，AI防火墙能够适应不断变化的威胁环境，并提供智能、精确的安全防护。它利用大数据分析和威胁情报挖掘，帮助发现和响应威胁事件，并提供准确的安全决策支持。AI防火墙能够识别新型和复杂的威胁，检测恶意软件、入侵攻击和异常行为，并采取相应的防御措施。它获取全球实时的威胁情报，结合机器学习技术，提供准确、全面的威胁分析。AI防火墙自动化地做出安全决策和响应，减少对人工干预的需求，提高安全防护的效率和准确性。它分析和识别网络用户行为，包括身份验证、访问权限控制和异常行为检测，并采取相应的防御措施。AI防火墙提供直观的可视化管理界面，智能化的安全报告和分析功能，方便管理员配置安全策略、监测安全事件，并进行安全评估和合规性检查。

1.3 拟采取的研究路线

本设计是使用VC++ 6.0的开发环境，运用IP过滤钩子驱动技术设计和实现的。首先实现包过滤防火墙需要对网络协议和包过滤原理有深入的了解。网络协议是指计算机网络中的通信规则和标准，包括TCP/IP协议、UDP协议等。包过滤防火墙是一种通过对网络数据包进行筛选来维护计算机网络安全的技术。深入研究包过滤防火墙技术需要掌握包过滤的实现原理、过滤规则和策略、应用场景等。在掌握必要的知识和技能后，可以开始实现包过滤防火墙的基本功能，如定义规则集、过滤数据包等。最后完成基本功能的实现后，需要进行测试和优化，以确保包过滤防火墙的性能和安全性。

现在我们对课题研究的目的和意义以及国内外研究现状有了一定的了解。在下一章会介绍防火墙技术相关理论及基础知识；第3章：分析防火墙的具体需求，确立工作重点,对软件的总体架构、功能模块进行构建；第4章：对防火墙核心部分的实现过程进行详细描述；第5章：对于测试软件的各个功能模块是否正常运行，进行细致的验证。

第2章 基础知识介绍

2.1 防火墙技术原理

（1）包过滤：这是一种基本的防火墙技术，它根据预设规则对网络数据包进行过滤和检查。通过匹配规则，防火墙可以决定允许或拒绝特定的数据包通过。

（2）状态检测[6]：与包过滤类似，状态检测防火墙不仅关注单个数据包的规则匹配，还考虑与之前数据包的关联性。它跟踪网络连接的状态，并根据连接的上下文信息进行过滤。

（3）应用层代理：应用层代理防火墙在网络层和传输层之上工作，并代表客户端与外部服务器建立连接。它完全解析传入和传出的应用层协议，并执行深度检查，以确定数据包的内容和意图。这种防火墙可以提供更精细的访问控制和应用层安全功能。

（4）网络地址转换（NAT）[7]：NAT防火墙通过进行IP地址转换来隐藏内部网络的真实IP地址，从而增强网络安全性，防止外部网络直接访问内部网络。

（5）虚拟专用网络（VPN）[8]：通过应用加密和隧道技术，VPN防火墙为远程用户提供安全的远程访问解决方案。借助加密隧道，远程用户能够安全地连接到内部网络，并获得对内部资源的安全访问权限，同时防火墙会对通过VPN的流量进行检查和过滤。

（6）入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）：IDS/IPS是一项用于监测网络流量并识别可能的入侵行为的技术。IDS检测到潜在入侵后，可以向管理员发送警报，而IPS则可以主动阻止入侵尝试。

2.2 包过滤防火墙技术简介

包过滤防火墙[9]是一种常见的防火墙技术，它会根据事先设定的规则集（也称策略集）来过滤数据包。这些规则集可以由管理员根据特定的安全需求来配置。例如，管理员可以配置规则集以允许特定的IP地址或端口通过，或者拒绝来自特定IP地址或端口的流量。

该防火墙通常通过以下几个步骤来判断数据包是否应该被允许通过：

（1）检查源IP地址和目标IP地址是否符合规则集中的要求。

（2）检查源端口和目标端口是否符合规则集中的要求。

（3）检查协议类型（例如TCP、UDP或ICMP）是否符合规则集中的要求。

（4）检查数据包中的内容（例如数据大小、特定字符串或文件类型）是否符合规则集中的要求。

如果数据包符合规则集中的要求，则包过滤防火墙会将其允许通过。否则，它会将数据包拒绝，并可能向管理员发出警报。

总的来说，包过滤防火墙通过识别和拦截不安全的数据包，有效地保护了网络安全。但是，包过滤防火墙也存在一些缺点，例如不能检测加密数据、无法防范应用层攻击等问题，因此在实际应用中需要搭配其他类型的防火墙和安全控制设备一起使用，以实现全面的网络安全保护。

2.3 包过滤防火墙技术特点

（1）基于包的过滤：防火墙对网络流量进行包级别的过滤，根据源IP地址、目标IP地址、端口号、协议类型等信息对网络包进行过滤和控制，实现安全策略的实施。

（2）灵活性高：包过滤技术的规则可以根据具体的网络安全需求进行灵活的配置和修改，方便管理员根据网络环境的变化对防火墙进行调整和优化。

（3）实现简单：包过滤技术相对于其他技术来说实现较为简单，且具有较高的效率，不会对网络带来太大的负担，通常用于小型网络中。

（4）局限性：包过滤技术只能检测和过滤网络包的头部信息，无法检测和过滤包内的内容，因此可能会被一些高级威胁所绕过，需要结合其他技术进行综合防御。

总之，防火墙包过滤技术是一种简单、灵活、高效的防火墙技术，但在应对一些高级威胁时可能会存在局限性，需要结合其他技术进行综合防御。

2.4 包过滤防火墙工作原理

包过滤防火墙是一种基于网络协议和端口号的安全控制设备，它在网络通信的过程中，首先会检查进入或离开网络的数据包的信息，然后与预先设定的安全策略进行比对，判断数据包是否符合规定。如果数据包符合安全策略，则允许通过防火墙；否则，将被阻止或丢弃。

安全策略通常由管理员制定，可以根据实际需要设置多条规则，例如允许某些IP地址或者端口通过，禁止某些IP地址或者端口通过，或者在某个时间段内禁止特定的流量通过等等。

总的来说，包过滤防火墙通过识别和拦截不安全的数据包，有效地保护了网络安全。但是，包过滤防火墙也存在一些缺点，例如不能检测加密数据、无法防范应用层攻击等问题，因此在实际应用中需要搭配其他类型的防火墙和安全控制设备一起使用，以实现全面的网络安全保护。

2.5 网络协议

ICMP[10]是一种网络层协议，用于在IP网络中传递控制消息和错误报告。它通过在IP数据包的数据字段中封装控制信息，提供了网络故障排除、错误报告和网络拓扑发现等功能。常见的ICMP消息类型包括回显请求和回显回复（用于网络连通性测试）、目的不可达（报告无法到达目标主机或网络的情况）、超时（报告数据包在网络中被丢弃或过期）等。ICMP协议在网络管理和控制中起着重要作用。

UDP是一种传输层协议，以无连接、不可靠的方式提供数据传输服务。它采用数据报通信方式，无需建立和断开连接操作，因而具有较快的传输速度，但对数据的可靠性和完整性没有严格保证。UDP广泛应用于需要快速传输但对数据可靠性要求不高的应用场景，如实时音视频传输、域名解析（DNS）等。

TCP是一种可靠的、面向连接的传输层协议，通过三次握手建立连接，以保证数据的可靠性、有序性和完整性。它具备流量控制和拥塞控制的能力，确保数据的准确传输。

总结而言，ICMP协议用于控制消息和错误报告，UDP协议提供了快速但不可靠的数据传输，TCP协议提供了可靠的并面向连接的数据传输。这三种协议在网络通信中具有各自的独特特点，根据应用需求选择合适的协议可以有效地进行数据传输和网络管理。其头结构如表2.1、表2.2和表2.3所示。

表2.1 TCP头结构

来源端口号(16位)								目的端口号（16位）
序号（32位）
确认号（32位）
头部长度 （4位）	保留 （6位）	U	A	P	R	S	F	窗口大小（16位）
		R	C	S	S	Y	I
		G	K	H	T	N	N
校验和（16位）								紧急指针（16位）
选项（如果有）
数据

表2.2 UDP头结构

来源端口号（16位）	目的端口号（16位）
封包长度（16位）	校验和（16位）
数据

表2.3 ICMP头结构

类型（8位）	代码（8位）	校验和（16位）
内容

2.6 数据包过滤类型

2.6.1 IP包过滤

IP包过滤是一种网络安全技术，用于控制网络流量，允许或阻止特定的IP数据包通过网络设备或应用程序。该技术可以在网络边缘设备上实现，例如路由器、防火墙和交换机等，以帮助保护网络不受未经授权的访问和攻击。

IP包过滤器可以通过检查数据包的协议类型、端口号、数据包大小和标志等，来识别和处理网络流量。它还可以用于实现访问控制策略，例如限制特定用户或应用程序的网络访问权限，或者控制特定类型的数据包进出网络。它是网络安全中的一项重要技术，可提高网络的安全性和可靠性。

2.6.2 TCP包过滤

TCP包过滤是一种强大的网络安全技术， 它是指在网络中使用一种特殊的软件或硬件设备。该设备可以检查TCP数据包的源和目的IP地址、端口号、协议类型和其他特征，并根据预先设定的规则来允许或拒绝这些数据包。这些规则通常是由网络管理员创建的，可以根据需要进行更新和修改。

TCP包过滤器通常用于防火墙和网络安全设备中，以帮助保护网络免受各种网络攻击和恶意软件的影响。通过限制哪些TCP数据包可以进入网络，TCP包过滤器可以帮助减少网络攻击的成功率，并帮助保护网络免受未经授权的访问、数据泄露和其他安全威胁的影响。

2.6.3 UDP数据包过滤

UDP包过滤是一种针对用户数据报协议的网络流量过滤技术。UDP是一种无连接协议，它不保证数据包的可靠传输，也不提供像TCP那样的错误检测和纠正机制。UDP包过滤可以帮助网络管理员识别和过滤掉不需要或不安全的UDP数据包，以提高网络的安全性和可用性。

UDP包过滤通常是通过防火墙或网络设备上的过滤规则来实现的。管理员可以根据自己的需求，设置不同的过滤规则，比如禁止特定的UDP端口或IP地址访问网络、阻止某些UDP数据包的传输等等。此外，UDP包过滤还可以用于保护网络免受DDoS攻击等网络威胁。

2.6.4 源端口过滤

源端口包过滤[11]指的是网络安全中一种常见的过滤技术，用于限制网络中特定来源端口的数据包通过网络设备传输。在源端口包过滤中，网络管理员可以根据需要配置网络设备，使其只接受来自指定源端口的数据包，并阻止其他端口的数据包通过。这种过滤技术可以有效地控制网络流量，减少网络攻击的风险。

源端口包过滤通常是网络安全策略的一部分，用于实现访问控制和网络隔离。它可以防止一些常见的攻击方式，如端口扫描、DoS攻击、DDoS攻击等，从而保护网络安全。此外，源端口包过滤也可以用于限制特定应用程序或协议的数据流量，例如限制P2P下载、限制流媒体等。

总之，源端口包过滤是一种基本的网络安全措施，它可以帮助网络管理员控制网络流量，防止网络攻击，保障网络安全。

2.7 包过滤驱动

2.7.1 基于TDI的数据包过滤驱动

TDI是Windows操作系统中的一种驱动程序接口，它允许开发人员在数据包传输层实施对网络数据包的拦截、检测和修改操作。

实现该驱动首先要创建 TDI 过滤驱动程序，可以利用Windows 驱动程序开发工具包来构建 TDI 过滤驱动程序，该驱动程序会与操作系统的网络协议栈进行交互。然后将开发的 TDI 过滤驱动程序注册到操作系统中，使其能够与网络协议栈进行通信。要在 TDI 过滤驱动程序中实现数据包过滤的逻辑，这可以包括定义过滤规则，例如源 IP 地址、目标 IP 地址、端口号等，以确定哪些数据包应该被拦截。当网络数据包经过网络协议栈时，TDI 过滤驱动程序会拦截这些数据包，并将其传递给过滤逻辑进行处理。根据定义的过滤规则，过滤逻辑可以对数据包进行各种操作，例如修改数据包内容、记录日志、阻止数据包传输等。根据处理结果，过滤逻辑可以选择释放数据包，即不允许其继续传输，或者允许数据包继续传输到目的地。

2.7.2 基于Firewall-Hook Driver的包过滤驱动

基于Firewall-Hook Driver的包过滤驱动是一种用于在操作系统级别进行网络数据包过滤和处理的技术。这种驱动通常会嵌入到操作系统的网络协议栈中，以便监控和操作传入和传出的网络流量。

Firewall-Hook Driver提供了一种机制，允许驱动程序在数据包通过网络协议栈之前或之后进行拦截和处理。这使得开发人员可以实现各种网络安全功能，如数据包过滤、流量监控、入侵检测等。

驱动程序通过注册钩子函数来拦截特定的网络事件，例如数据包到达网卡、数据包进入协议栈等。当这些事件发生时，驱动程序可以检查数据包的内容、源地址、目标地址等信息，并根据定义的规则对数据包进行处理，比如允许、拦截、修改或记录数据包。

2.7.3 Ipfilterdriver驱动程序

Ipfilterdriver是一种网络驱动程序，用于实现IP过滤功能，它在计算机网络中的数据包传输过程中起到过滤和筛选作用。

Ipfilterdriver也是一种用于实现网络安全功能的强大工具，它可以根据协议类型、端口号等信息来判断数据包的合法性，从而提供对网络流量的控制和保护。通过配置适当的规则，管理员可以限制或允许特定的网络连接，以保护网络免受潜在的安全威胁。

Ipfilterdriver通常作为操作系统的一部分或安全软件的一部分提供，它在网络协议栈的较低层次运行，可以对传入和传出的数据包进行检查和处理。它可以与其他网络组件（如网络驱动程序、协议栈、网络应用程序）配合工作，提供更高级别的网络安全功能。

2.8 开发工具

2.8.1 Visual C++ 6.0

Visual C++ 6.0是微软公司发布的一款强大的集成开发环境，用于开发C++程序。它于1998年发布，是当时主流的C++开发工具之一。

Visual C++ 6.0集成了Windows SDK、MFC（Microsoft Foundation Classes）和ATL（Active Template Library），这使得开发者能够快速开发Windows应用程序。它还提供了一套完整的工具集，包括调试器、编辑器、编译器、链接器和资源编辑器等。通过这些工具，开发者可以轻松地创建Windows应用程序，并能够调试和优化代码。

Visual C++ 6.0还支持COM（Component Object Model）和OLE（Object Linking and Embedding）技术，这使得开发者可以创建可重用的组件和对象，以便在其他程序中使用。它可以生成高效的本机代码，并且具有广泛的兼容性。

2.8.2 MFC

MFC（Microsoft Foundation Classes）是微软公司开发的一组C++类库，用于在Windows操作系统上构建图形用户界面（GUI）应用程序。它简化了Windows编程的复杂性，提供了一组封装好的C++类，包括窗口管理、控件管理、消息处理、绘图、文本处理、菜单和工具栏、文件和数据管理等功能。

使用MFC，开发人员无需编写大量底层代码即可快速创建Windows应用程序。它采用消息映射机制处理用户输入和系统事件，通过宏定义将消息与类中的特定函数关联，实现自动调用相应函数处理消息。MFC还采用了文档视图模型的设计模式，用于管理应用程序的数据和显示。

第3章 总体设计

3.1 程序的功能分析

该防火墙的主要功能是要根据用户设定的过滤规则实现数据包过滤。程序应该提供用户界面，让用户可以指定源IP地址、目标IP地址、端口号和协议等信息来定义规则。规则管理功能使用户能够根据特定需求灵活地配置防火墙行为。程序应该提供规则保存和加载功能，允许用户将设定好的过滤规则保存到文件中，以便在以后的使用中加载和恢复。这样用户可以方便地备份和共享自己的规则配置。程序应当支持安装和卸载操作，将用户定义的过滤规则传递给IP过滤驱动程序或从驱动程序中删除规则。这样，用户设定的规则可以被应用于实际的数据包过滤过程。程序应提供清晰的用户界面，准确完整地显示用户添加的过滤规则。这样用户可以随时查看和核对所设定的规则。此外，程序还应具备截获数据包并记录日志的功能，以便用户可以查看数据包的详细信息和事件记录，帮助分析网络流量和检测潜在威胁。

总体而言，该程序的目标是提供一个功能强大且易于使用的防火墙解决方案，使用户能够根据自己的需求对网络数据包进行精确控制和保护，并能够方便地管理和监测防火墙规则的应用和效果。

3.2 功能性需求

本防火墙软件，要求其工作在系统内核，以驱动模式加载，能够以协议类型、 IP 地址和端口为判别条件过滤流经本机网络协议栈的数据包，并且可以使用户自由定义过滤条件，但不能影响其它数据包的正常传输。因此本软件的功能性需求如下：

（1）支持不同的网络协议

防火墙的主要目的是保护网络不受未经授权的访问和攻击，网络协议是计算机网络中通信的基础，因此防火墙必须能够支持不同的网络协议，以确保能够防御各种类型的攻击。

不同的协议需要不同的过滤规则，因此防火墙必须支持不同的协议以正确地执行这些规则。

攻击者可以利用协议漏洞来入侵网络，因此防火墙必须能够检测和阻止这些攻击。不同的协议需要不同的检测技术和安全策略，因此防火墙必须支持多种协议来提供全面的保护。

不同类型的业务需要使用不同的协议来进行通信。防火墙必须支持这些协议，以便这些业务可以在网络上正常运行。

（2）支持不同的端口

通过设置防火墙，可以定义允许打开或关闭的端口。这样可以保证只有经过授权的用户或程序可以访问网络中的服务，而其他人或程序则无法访问，从而增强了网络的安全性。

（3）支持IPv4和IPv6

随着IPv6[12]的广泛采用，防火墙需要支持IPv6，以便能够在IPv6网络上提供保护。现代的防火墙需要支持IPv4和IPv6，以确保网络中所有设备的安全性。因为许多企业和组织仍然在使用IPv4，同时也开始逐渐采用IPv6。如果防火墙不能同时支持这两种协议，就会出现漏洞和安全漏洞，从而导致网络被攻击或者数据泄露的风险增加。因此，为了确保网络的安全和稳定性，防火墙必须同时支持IPv4和IPv6。

（4）有灵活的规则配置

规则配置在防火墙中起着至关重要的作用，它决定了哪些数据包可以通过防火墙，哪些数据包被阻止，以及哪些数据包需要进一步检查。

灵活的规则配置意味着可以根据特定的安全需求对防火墙进行配置，以满足不同的安全需求。此外，灵活的规则配置也有助于确保防火墙不会误阻止合法的网络流量。如果规则设置得太严格，可能会阻止合法的数据包，导致网络连接问题。相反，如果规则设置得太松散，防火墙可能会允许恶意的网络流量进入网络，从而带来安全隐患。

3.3 设计思路

包过滤防火墙的主要功能是监控网络流量并控制数据包的流动。通过用户定义的规则集，包过滤防火墙可以允许特定类型的网络流量通过，同时阻止潜在的恶意流量或未经授权的访问。包过滤防火墙通常部署在网络边缘或关键位置，如企业内部网络的边界、数据中心或云服务提供商的网络入口等。它可以提供网络访问控制、入侵检测和防御、数据包过滤、NAT（网络地址转换）等功能，以增强网络的安全性和保护敏感数据的机密性。包过滤防火墙模型图如图3.1所示。

图3.1 包过滤防火墙模型图

综合上文和题目要求分析得该防火墙的总体设计思路如下：

（1）网络堆栈集成：Windows操作系统提供了网络堆栈，防火墙可以与网络堆栈集成，以便捕获和处理进出网络接口的数据包。

（2）驱动程序实现：防火墙需要一个位于核心态运行的驱动程序来拦截和处理数据包。该驱动程序通过钩子机制来拦截网络数据包，并将其传递给防火墙进行进一步处理

（3）数据包解析：拦截到的数据包需要进行解析，提取关键信息。对数据包结构进行解析的过程是为后续的过滤决策做准备。

（4）过滤规则定义：防火墙需要用户定义过滤规则，规则包括源IP地址、目的IP地址、协议类型、端口号等条件，以及针对匹配规则的处理方式，如允许通过或拒绝连接。用户可以通过配置界面或命令行工具来定义和管理过滤规则。

（5）规则匹配和决策：拦截到的数据包将与用户设定的过滤规则进行匹配。防火墙会根据事先设定的规则来判断数据包是否符合要求，如果符合规则，防火墙将根据规则中定义的处理方式来决定是否允许数据包通过，否则将丢弃该数据包。匹配和决策过程通常使用高效的算法和数据结构来提高性能。

（6）网络状态追踪：防火墙可以跟踪网络连接的状态，例如建立的连接、连接的关闭等。这样可以更好地监控和管理网络流量，识别潜在的安全威胁。

（7）日志记录和审计：防火墙可以将匹配结果、处理决策和其他相关信息记录在日志中。这些日志可以用于审计、故障排查和安全分析，帮助管理员了解网络活动并发现异常行为。

通过以上设计思路，基于Windows的包过滤防火墙能够实现对网络数据包的拦截、解析、过滤和处理。这种防火墙的设计思路结合了操作系统提供的网络堆栈和驱动程序的能力，为用户提供了灵活的规则定义和网络流量控制，以增强系统的安全性和可管理性。

3.4 总体模块

通过需求分析得到系统的基本功能需求，把系统根据不同的功能模块划分为多个部分。系统功能结构如图3.2所示。

图3.2 系统功能结构图

3.4.1 过滤规则添加删除功能模块

在本文所设计的包过滤防火墙中，对网络数据包的过滤应该依据用户所定义的规则进行。用户可以添加或删除规则，实现对规则的自定义。

除了规则定义，用户还可以选择符合规则的数据包的处理方式，如放行或阻止，实现精细的流量控制。规则设定完成后，将其添加到存储模块中，确保规则持久存储和便捷访问。

3.4.2 过滤规则显示功能模块

这项功能可以将用户添加的规则以详细的方式展示出来，并提供相应的选项，如删除、安装和卸载每条规则。这样，用户可以直观地查看防火墙过滤规则，并对其进行操作。通过展示规则的具体信息和提供操作选项，用户能够方便地管理和控制防火墙的过滤规则。

3.4.3 过滤规则存储功能模块

这个功能的作用是储存用户添加过的过滤规则，并根据用户的操作执行相应的处理。规则安装时，选定的规则将被添加至IP过滤驱动程序。当IP过滤驱动程序接收到这些规则时，它会基于规则的内容对传入的数据包进行过滤。用户的操作直接影响规则在IP过滤驱动程序中的应用和数据包过滤行为。

3.4.4 文件存储载入功能模块

防火墙要提供将规则保存为.rul文件格式的功能，使用户能够在下次打开防火墙时加载已存储的规则文件。无需重新输入规则。文件保存和加载规则方式方便用户管理和维护规则集。

3.4.5 安装、卸载功能摸块

防火墙通过IP过滤驱动实现数据包过滤，并根据设定的规则进行处理。为了保证规则在数据包过滤中的有效性和应用性，必须执行规则安装操作，将规则传递给IP过滤驱动程序。相反，卸载操作要从过滤驱动中删除已经安装的规则，取消规则的生效，停止对数据包的过滤操作。

3.4.6 包过滤驱动功能模块

IP封包过滤驱动是包过滤防火墙中的核心，它根据用户定义的规则对数据包进行选择性的阻止或放行操作，在整个防火墙系统中扮演着关键的角色。它应该有以下功能：

（1）规则定义：用户可以根据自身需求定义规则，以定义数据包的属性和行为。

（2）数据包过滤：IP封包过滤驱动会在数据包经过网络适配器时进行拦截和检查。它会根据用户定义的规则对每个数据包进行过滤，并判断是否满足规则的条件。

（3）阻止或放行决策：当数据包被拦截后，IP封包过滤驱动会根据规则的定义进行决策。如果数据包与规则匹配且规定了阻止行为，驱动程序将阻止该数据包的继续传输。相反，如果数据包与规则匹配且规定了放行行为，驱动程序将允许数据包通过网络堆栈。

3.4.7 记录日志模块

设计一个专门的日志记录模块，负责接收截获的数据包和相关事件，并将其记录在日志文件或内存中。该模块应具备高效的数据存储和管理能力，能够处理大量的数据包和事件。日志应包含有关数据包的关键信息以及其他重要的事件信息，如时间戳、防火墙规则匹配结果等。

第4章 详细设计

4.1 主要功能模块

4.1.1 添加过滤规则

此功能的具体作用是将自定义的规则添加到存储数据的文档中。要实现这个功能，首先需要提取文本框中的数据，并将其与相应的变量进行关联，包括源IP地址、源IP地址掩码、目的IP地址和目的IP地址掩码。通过文本编辑框获取这些数据，并将其赋值给对应的变量。此外，我们可以使用参数值来区分协议类型，如TCP、UDP、ICMP或所有，选择类型后获取到参数值。然后统一将获取到的数据添加到文档类中，即将规则存储起来。这可以确保添加的规则被保存下来，并可以在后续使用时进行检索。添加过滤规则流程如图4.1所示。

图4.1 添加规则流程图

4.1.2 删除过滤规则

删除规则时，首先确定需要删除的规则，接下来，将从文档类中删除该规则，并对视图类的显示进行更新。如果正在进行过滤，则需先停止过滤才能删除的操作。删除规则流程图如图4.2所示。

如果选中的规则正在过滤，使用变量"position"表示当前选中规则的下一个序号。DeleteRule函数与文档类相关联，用于删除规则。删除规则后，若非最后一条规则，则后续规则需要前移。DeleteRule函数调用的流程图如图4.3所示。