Novasinergia 2022 5(1), 31-42. https://doi.org/10.37135/ns.01.09.03 http://novasinergia.unach.edu.ec
Artículo de Investigación
Evaluación del rendimiento de cortafuegos basados en software libre
Performance evaluation of free software based firewalls
Rudibel Perdigón Llanes
Universidad de Pinar del Río “Hermanos Saíz Montes de Oca”, Pinar del Río, Cuba; 20100
*Correspondencia: rperdigon90@gmail.com
Citación: Perdigón, R., (2022).
Evaluación del rendimiento de
cortafuegos basados en software
libre. Novasinergia. 5(1). 31-42.
https://doi.org/10.37135/ns.01.09.03
Recibido: 10 noviembre 2021
Aceptado: 29 enero 2022
Publicado: 31 enero 2022
Resumen: El objetivo de la presente investigación fue evaluar
cuantitativamente los rendimientos y las funcionalidades de
seguridad de los principales cortafuegos basados en software
libre existentes en la actualidad. Para medir los rendimientos
de red de los cortafuegos se emplearon métricas como el
ancho de banda, el jitter y la tasa de pérdida de paquetes
mediante la herramienta iPerf3. Se utilizó la herramienta htop
para comprobar el consumo de CPU y memoria RAM de las
soluciones. Se identificó que Endian, Zentyal, pfSense,
OPNsense, VyOS, IPFire y ClearOS brindan un conjunto de
funcionalidades que contribuyen a elevar la seguridad en las
redes de datos. Los resultados obtenidos evidenciaron que
ClearOS posee de forma general, los mejores índices de
consumo de CPU y memoria RAM, lo cual confirma su
elevada eficiencia para asegurar las redes de datos con ahorro
y uso óptimo de los recursos de hardware. Los hallazgos
identificados facilitan la toma de decisiones para el despliegue
de herramientas de ciberseguridad en redes digitales de
organizaciones con escasos recursos computacionales.
Novasinergia
ISSN: 2631-2654
Palabras clave: Ciberseguridad, cortafuego, evaluación de
rendimiento, PYMES, recursos computacionales.
Copyright: 2022 derechos
otorgados por los autores a
Novasinergia.
Este es un artículo de acceso abierto
distribuido bajo los términos y
condiciones de una licencia de
Creative Commons Attribution
(CC BY NC).
(http://creativecommons.org/licens
es/by/4.0/).
Abstract: The objective of this research is to quantitatively evaluate
the performance and security functionalities of the main firewalls
based on free software currently available. Metrics such as
bandwidth, jitter and packet loss rate were used to measure the
network performance of the firewalls using the iPerf3 tool. The htop
tool was used to check the CPU and RAM consumption of the
solutions. It was identified that Endian, Zentyal, pfSense,
OPNsense, VyOS, IPFire and ClearOS provide a set of
functionalities that contribute to increase the security in data
networks. The results obtained showed that ClearOS has the best
overall CPU and RAM consumption rates, which demonstrated its
high efficiency in securing data networks with savings and optimal
use of hardware resources. The identified findings facilitate decision
making for the deployment of cyber-security tools in digital networks
of organizations with scarce computational resources.
Keywords: Cyber-security, enterprises, firewall, performance
evaluation, SME, computational resources.
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1. Introducción
En la economía digital son numerosas las empresas que adoptan las tecnologías de la
información y las comunicaciones (TIC) para desarrollar sus negocios y satisfacer sus
intereses comerciales. La aplicación de las TIC en los procesos de gestión empresarial aporta
marcados beneficios para el crecimiento económico de estas organizaciones (Perdigón &
Pérez, 2020). Sin embargo, la proliferación de estas tecnologías conlleva enormes desafíos
de seguridad, relacionados con el aumento de programas maliciosos y ataques informáticos
(Rafamantanantsoa & Rabetafika, 2018; Mora & Villero, 2020). Los ataques informáticos
ocupan la octava posición de las amenazas con mayor impacto económico a nivel mundial
(World Economic Forum, 2020). Datos de Eset Security para Latinoamérica reflejaron que
durante 2020 las empresas de la región sufrieron ataques informáticos relacionados
fundamentalmente con la infección por malware (34%), ataques de ingeniería social (20%),
acceso indebido a aplicaciones e información (18%), y denegación de servicios (11%) (Eset
Security, 2021). Las pérdidas económicas generadas por estas transgresiones impactan
negativamente en las economías de las empresas, principalmente en las pequeñas y
medianas empresas (PYMES) que son incapaces de sostener sus negocios luego de sufrir un
ciberataque de envergadura (Bustamante, Valles & Levano, 2020).
Incrementar la seguridad de las redes digitales empresariales constituye una necesidad para
garantizar la integridad y usabilidad de los datos y los recursos digitales de las empresas
(Morales, Toapanta & Toasa, 2020). Según los autores Rafamantanantsoa & Rabetafika
(2018); Mora & Villero (2020) y Togay, Kasif, Catal & Tekinerdogan (2021), los cortafuegos
constituyen una de las principales herramientas empleadas para alcanzar este propósito.
Los cortafuegos (firewalls) son sistemas de seguridad que controlan el tráfico de red
mediante reglas prestablecidas (Neupane, Haddad & Chen, 2018). Estas herramientas se
ubican fundamentalmente de cara a internet y son capaces de prevenir el acceso no
autorizado desde y hacia las redes internas de una organización (Lee, Kim, Park & Woo,
2015; Rafamantanantsoa & Rabetafika, 2018). Sampaio & Bernardino (2017) y Zare, Olsen,
Zare, & Azadi (2018) determinaron que los cortafuegos pueden implementarse mediante
herramientas basadas en software o dispositivos de hardware especializados. Los firewalls
basados en software son implementados en un sistema operativo estándar y utilizan los
recursos computacionales del ordenador donde este opera, por su parte, los firewalls basados
en hardware constituyen dispositivos físicos fabricados exclusivamente para esta función
que poseen su propia CPU, memoria RAM, almacenamiento interno y sistema operativo
(Konikiewicz & Markowski, 2017). Agbenyegah & Asante (2017) y Konikiewicz &
Markowski (2017) reportaron que los firewalls inciden de forma negativa en el rendimiento
de las redes donde son implementados. El rendimiento de las redes de datos influye
significativamente en la disponibilidad de los recursos digitales de las organizaciones
(Shahsavari, Shahhoseini, Zhang, & Elbiaze, 2019).
Evaluar las capacidades defensivas de los firewalls y su impacto en las comunicaciones de
las redes que monitorean constituyen aspectos esenciales para determinar su efectividad
como herramientas de seguridad, y para facilitar su selección en correspondencia con las
necesidades de las organizaciones (Lee et al., 2015; Konikiewicz & Markowski, 2017; Mora
Novasinergia 2022, 5(1), 31-42 33
& Villero 2020). Cotret, Gogniat & Sepúlveda (2016) concluyeron que los firewalls basados
en hardware poseen elevadas funcionalidades de seguridad y mantienen índices de
desempeño de red eficientes. Sin embargo, los costos de estos dispositivos dificultan su
adquisición por parte de las PYMES de países en vías de desarrollo. Las PYMES poseen
características organizativas y económicas que las sitúan en una posición desventajosa
respecto a las grandes corporaciones. Estas organizaciones carecen de capacidades
tecnológicas para implementar infraestructuras de red potentes y de altos estándares como
las grandes empresas (Logroño, 2017). Por esta razón, es importante adoptar alternativas
tecnológicas confiables en las PYMES para minimizar fallas, garantizar la gestión de sus
recursos digitales de forma eficiente y con ahorro de costos, en aras de incrementar su
productividad (Perdigón & Ramírez, 2020). Las herramientas basadas en software libre
representan una solución viable para las PYMES porque reducen costos, facilitan el
despliegue de servicios digitales con un aprovechamiento óptimo de los recursos de
hardware, son capaces de reemplazar dispositivos de interconexión de redes de altas
prestaciones y contribuyen a impulsar la soberanía tecnológica de naciones en desarrollo
(Dagnesses, 2019; Perdigón & Ramírez, 2020).
En la literatura se identificaron diversas investigaciones donde se analizó el desempeño de
firewalls basados en software libre en diferentes entornos simulados. Los autores Shahsavari
et al. (2019) plantean que el uso de las simulaciones como metodología experimental para
modelar y analizar el desempeño de firewalls de red permite alcanzar una comprensión más
profunda de su dinámica y comportamiento; además, posibilita identificar parámetros
óptimos para la asignación de recursos en aras de mejorar el rendimiento general de la red.
Los autores Arunwan, Laong & Atthayuwat (2016) compararon la capacidad de Endian y
pfSense para detectar ataques de fuerza bruta, escaneo de puertos, ping de la muerte e
inundación de tráfico de red. En su estudio Konikiewicz & Markowski (2017), analizaron el
rendimiento de red de los firewalls Cisco ASA 5505, Juniper Netscreen 50, IPTables y VyOS
y su capacidad para resistir ataques de denegación de servicio (DoS, por sus siglas en
inglés). Sampaio & Bernardino (2017), analizaron las funcionalidades de seguridad de
IPCop, pfSense y Zentyal. Iriarte et al. (2018), evaluaron el desempeño de IPCop, Endian,
ClearOS y Fedora 21 frente ataques DoS. Sin embargo, los autores anteriormente
mencionados limitaron su análisis a unas pocas soluciones y no evaluaron sus desempeños
en ordenadores de bajas prestaciones, que son ampliamente utilizados en PYMES de países
en desarrollo. Así, el objetivo de este trabajo es evaluar cuantitativamente los rendimientos
y las funcionalidades de seguridad de los principales firewalls basados en software libre
existentes en la actualidad.
2. Metodología
En este trabajo se realizó un análisis cuantitativo de las funcionalidades de seguridad,
los rendimientos de red y el consumo de recursos de hardware de los principales firewalls
basados en software libre existentes hasta el momento. La evaluación de los firewalls se
realizó mediante el método experimental en un entorno con tráfico de red simulado y se
utilizaron métricas como el ancho de banda, el jitter y la tasa de pérdida de paquetes de red.
La metodología y los indicadores mencionados son ampliamente utilizados en la literatura
Novasinergia 2022, 5(1), 31-42 34
científica para evaluar el desempeño de los cortafuegos (Iriarte et al., 2018; Cheminod,
Durante, Seno & Valenzano, 2018; Shahsavari et al., 2019). Estos indicadores fueron
analizados mediante la herramienta iPerf3. Se utilizó la herramienta htop para evaluar el
consumo de CPU y memoria RAM de cada solución.
El ancho de banda, expresado en Mbit/s, puede definirse como una medida de transferencia
de datos por unidad de tiempo entre un emisor y un receptor (Putra, Vita & Saputra, 2018).
Buñay, Pastor, Paguay & Moreno (2019) definieron el jitter como la variación de tiempo en
milisegundos (ms), de los paquetes de red que viajan entre el emisor y el receptor, según
estos autores la tasa de pérdida se determina como el cociente entre los paquetes de red
recibidos por el receptor y la totalidad de paquetes enviados por el emisor.
2.1. Cortafuegos seleccionados
Para seleccionar los cortafuegos a evaluar se realizó un análisis de la literatura
científica disponible en internet y se identificaron las soluciones basadas en software libre
con licencias de uso gratuitas más estudiadas por los diferentes autores consultados. La
tabla 1 muestra los firewalls identificados, los sistemas operativos base donde operan y los
requerimientos mínimos de hardware para su funcionamiento, estos datos fueron extraídos
de los sitios oficiales de cada solución.
Tabla 1: Cortafuegos cuyo desempeño se ha evaluado y reportado en la literatura.
Autor (es)
Nombre del
cortafuego/
Proveedor
Última
versión
disponibl
e
Sistema
Operativ
o
Disponibilida
d de soporte
técnico por
su fabricante
CPU
RAM
(MB)
HDD
Arunwan et al. (2016);
Sampaio & Bernardino
(2017
pfSense /
Netgate
2.5.2
FreeBSD
64-bit
amd64
(x86-64)
1024
80 GB
Sí
Arunwan et al. (2016);
Iriarte et al. (2018)
Endian / Endian
SRL
3.3.2
Red Hat
Dual core
(x86-64) 1
GHz
2048
8 GB
Sí
Konikiewicz &
Markowski (2017);
Dagnesses (2019)
VyOS / The
VyOS Project
1.2.8
Debian
64-bit
amd64
(x86-64)
Dual core 1
Ghz
512
2 GB
Sí
Sampaio & Bernardino
(2017); Iriarte et al. (2018)
IPCop /
Dafos Training
2.1.9
LFS
cpu i486
64
512 MB
No
Sampaio & Bernardino
(2017)
Zentyal /
Gesforeda, S.L.
7.0
Ubuntu
64-bit
amd64
(x86-64)
Dual core 2
GHz
1024
80 GB
Sí
Iriarte et al. (2018)
ClearOS /
ClearFoundatio
n
7.9.1
CentOS
cpu 64-bit
1024
10 GB
Sí
Novasinergia 2022, 5(1), 31-42 35
Continuación Tabla 2: Cortafuegos cuyo desempeño se ha evaluado y reportado en la literatura.
O’Leary (2019)
IPFire /
Lightning Wire
Labs GmbH
2.27
LFS
cpu (x86-
64) 1 GHz
1024
4 GB
Sí
Berbecaru, Lioy &
Cameroni (2020)
Zeroshell /
Fulvio Ricciardi
3.9.5
LFS Live
CD
Pentium
(x86-64)
233 MHz
96
32MB
No
Stubbig (2019)
OPNsense /
Deciso B.V.
21.7.1
FreeBSD
64-bit
amd64
(x86-64)
Dual core 1
Ghz
2048
2 GB
Sí
Los cortafuegos IPCop y Zeroshell aunque requieren de escasos recursos computacionales
para su funcionamiento, fueron excluidos del análisis porque actualmente carecen de
soporte técnico por parte de sus fabricantes, sus últimas actualizaciones fueron liberadas en
2019 y 2021 respectivamente, situación que puede vulnerar su desempeño ante ataques
informáticos y comprometer la seguridad de las redes de datos.
2.2. Ambiente de pruebas
Para las pruebas realizadas se utilizaron 3 ordenadores físicos. Los firewalls fueron
instalados en un computador de propósito general con las siguientes características; CPU:
Celeron E1400, RAM: 2Gb DDR2, HDD: 500 Gb y 2 NIC (TP-LINK TG-3269): 1000 Mbit/s
(WAN y LAN). Se emplearon 2 ordenadores con sistema operativo Ubuntu 20.04 para
simular las conexiones establecidas entre un equipo cliente (A) y otro servidor (B), ambos
con similares características de hardware: CPU: Core-i5 7500, RAM: 4Gb DDR4, HDD 250
Gb y NIC: 1000 Mbit/s. Las conexiones de red entre los ordenadores y los firewalls se
realizaron mediante cables de cobre trenzado UTP categoría 5e. La figura 1 describe las
características del entorno donde se desarrollaron las pruebas de rendimiento.
Figura 1: Entorno de pruebas.
Los autores Karim, Vien, Anh Le, & Mapp (2017) plantean que el tráfico de una red con
grandes flujos de datos puede simularse combinando la cantidad de paquetes enviados, sus
dimensiones e intervalos de tiempo entre cada envío. En correspondencia con los criterios
de Karim et al. (2017), en esta investigación se realizó el envío de 10000 paquetes de red de
512 bytes cada 1 segundo mediante el protocolo TCP para simular el tráfico de una red
empresarial con grandes flujos de datos y generar la mayor carga de trabajo y estrés en los
cortafuegos analizados. Se estableció un tamaño de 512 bytes para los paquetes de red
porque esta es la dimensión de la trama Ethernet (Rafamantanantsoa & Rabetafika, 2018).
Novasinergia 2022, 5(1), 31-42 36
Mediante la herramienta iPerf3 se generó el tráfico de red en sentido bidireccional entre los
equipos A y B ubicados en 2 subredes distintas simulando una red LAN y WAN
respectivamente, ambas divididas por los firewalls a evaluar. iPerf3 se ejecutó durante 45
minutos en los ordenadores A y B, permitiendo medir el rendimiento de red de los firewalls;
simultáneamente al proceso anterior, se monitoreó a través de la herramienta htop su
consumo de recursos de hardware.
Rafamantanantsoa & Rabetafika (2018) determinaron que la cantidad de reglas de filtrado
implementadas en los cortafuegos incide desfavorablemente en sus índices de desempeño,
por tal motivo, y en aras de obtener resultados precisos, fueron implementadas similares
reglas de filtrado en cada solución, garantizando la comunicación entre los ordenadores A
y B.
3. Resultados
Los autores Mora & Villero (2020) plantean que los firewalls además de sus
funcionalidades básicas deben ser complementados con un conjunto de herramientas y
protocolos de seguridad para incrementar sus capacidades de monitorear y resguardar las
redes de datos. Se realizó un análisis de los módulos de filtrado y las diferentes prestaciones
de seguridad que brindan los firewalls seleccionados, la tabla 2 resume las características de
cada solución, la información fue extraída de los sitios oficiales de cada herramienta.
Tabla 3: Funcionalidades de seguridad.
Cortafuego
Módulos
para el
filtrado de
paquetes
Filtrado
URL
Antivirus
IDS/IPS
VPN
Filtro de
correo
Calidad de
Servicio
Administración
Endian
iptables
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Web
Zentyal
iptables,
libxtables,
libnfnetlink
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
GUI y Web
pfSense
pf
Sí
Sí
Sí
Sí
No
Sí
Web
OPNsense
pf
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Web
VyOS
iptables,
ipset
Sí
No
No
Sí
No
Sí
Consola
IPFire
iptables,
ipset
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Web
ClearOS
iptables
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Sí
Web
Se identificó que los módulos para el filtrado de paquetes de red utilizados en las soluciones
analizadas se basan fundamentalmente en pf y Netfilter, en correspondencia con la versión
del núcleo y la distribución Linux sobre la que opera cada solución. Se evidenció que
Endian, Zentyal, OPNsense, ClearOS e iPFire ofrecen un amplio conjunto de
funcionalidades para fortalecer la seguridad de las redes de datos. Aunque en su instalación
por defecto VyOS carece de diferentes funciones de seguridad respecto al resto de las
soluciones analizadas, estas características pueden ser añadidas desde los repositorios
oficiales de Debian; sin embargo, la ausencia de una interfaz gráfica en VyOS puede
dificultar la implementación de estas funcionalidades. Se determinó que la mayoría de los
Novasinergia 2022, 5(1), 31-42 37
cortafuegos estudiados permiten su administración y configuración mediante una interfaz
web, elemento que facilita el trabajo con estas herramientas.
La aplicación de iPerf3 permitió identificar que los cortafuegos analizados mantienen en su
mayoría, similares índices de rendimiento de red con una tasa de pérdida de paquetes
prácticamente nula en el ambiente de pruebas utilizado, la tabla 3 muestra el rendimiento
de red de las soluciones estudiadas.
Tabla 4: Resultados de las pruebas de rendimiento de red.
Cortafuego
Ancho de banda (Mbit/s)
Jitter
(ms)
Pérdida de
paquetes de red
(%)
Velocidad
de envío
Velocidad de
recepción
Endian
658
656
0.051
0
Zentyal
728
728
0.021
0
pfSense
686
686
0.045
0.042
OPNsense
336
334
0.097
0.076
VyOS
787
785
0.359
0
IPFire
661
661
0.070
0
ClearOS
658
658
0.059
0
Los resultados anteriores demostraron que VyOS y Zentyal brindan un ancho de banda
superior al resto de los cortafuegos estudiados, mientras OPNsense obtuvo los resultados
más desfavorables. Se evidenció que pfSense y OPNsense mostraron una ligera pérdida de
paquetes de red durante las pruebas realizadas. Xuan, Yang, Dong, & Zhang (2016)
determinaron que el consumo de recursos de los dispositivos de seguridad incide
significativamente en su correcto funcionamiento. Las figuras 2 y 3 muestran el consumo de
CPU y de memoria RAM de los cortafuegos durante las pruebas de rendimiento.
Figura 2: Consumo CPU.
Novasinergia 2022, 5(1), 31-42 38
Figura 3: Consumo memoria RAM.
Los resultados derivados de la aplicación de la herramienta htop evidenciaron que las
soluciones analizadas mantuvieron un consumo eficiente de recursos de hardware,
principalmente de memoria RAM. Respecto a este indicador se identificó que su consumo
no sobrepasó el 31% de la memoria RAM disponible en el ordenador donde se
implementaron los cortafuegos. ClearOS y Endian mostraron los menores índices de
consumo de CPU, mientras IPFire y ClearOS se destacaron por su consumo mínimo de
memoria RAM, de manera general, ClearOS demostró los mejores rendimientos de
hardware.
4. Discusión
Rafamantanantsoa, Aubert & Haja (2021) determinaron que FreeBSD ofrece mejores
indicadores de desempeño para la gestión de redes respecto a otras distribuciones Linux.
Sin embargo, los hallazgos obtenidos en la presente investigación evidenciaron que los
índices de rendimiento de red y de consumo de CPU y RAM de los cortafuegos pfSense y
OPNsense, ambos basados en FreeBSD, fueron superados por ClearOS, solución basada en
CentOS. Konikiewicz & Markowski (2017) demostraron que los firewalls basados en
software son resistentes a diferentes ataques informáticos y poseen similares rendimientos
de red respecto a los cortafuegos basados en hardware. Los autores Sampaio & Bernardino
(2017) determinaron que pfSense posee mayores funcionalidades de seguridad que IPCop
y Zentyal. Por su parte, Iriarte et al. (2018) identificaron que ClearOS brinda mejores
rendimientos de red que las soluciones IPCop, Endian y Fedora 21 frente ataques DoS.
En este trabajo se evaluaron las funcionalidades de seguridad y los rendimientos de varios
cortafuegos basados en software libre. En el análisis realizado no se comprobó el
comportamiento de las soluciones abordadas ante ataques informáticos, ni su desempeño
respecto a soluciones privativas, estas carencias constituyen limitaciones de la presente
investigación.
Novasinergia 2022, 5(1), 31-42 39
Sin embargo, los resultados obtenidos evidenciaron que la totalidad de los cortafuegos
analizados poseen numerosas funcionalidades orientadas a incrementar la seguridad de las
redes de datos, no obstante, pfSense carece de un filtro para asegurar la mensajería
electrónica y VyOS requiere de herramientas ajenas a su núcleo de instalación para
implementar filtros de correo, antivirus y detección/prevención de intrusiones. En
contraposición a los resultados obtenidos por Sampaio & Bernardino (2017), en este trabajo
se evidenció que Zentyal supera a pfSense en relación a las funcionalidades de seguridad
que poseen ambas soluciones en su núcleo básico de instalación, hallazgo que demuestra el
desarrollo y nivel de madurez alcanzado por este cortafuego. En concordancia con los
resultados de Iriarte et al. (2018), se identificó que ClearOS constituye una solución integral
para garantizar la seguridad de las redes de datos, además, este cortafuegos evidenció un
rendimiento de red satisfactorio y un consumo de recursos de hardware inferior al resto de
las herramientas estudiadas.
Los resultados y las limitaciones de este estudio constituyen una base para investigaciones
futuras relacionadas con el despliegue y la efectividad de cortafuegos basados en software
libre. Como líneas de trabajo futuro se propone comparar el desempeño de las herramientas
abordados en esta investigación respecto a soluciones propietarias y firewalls basados en
hardware, así como analizar sus comportamientos ante diferentes ataques informáticos.
5. Conclusiones
En la presente investigación se realizó un análisis comparativo de los cortafuegos
Endian, Zentyal, pfSense, OPNsense, VyOS, IPFire y ClearOS. Estas herramientas poseen
como característica común que son firewalls basados en software libre y operan mediante
los módulos de filtrado pf y Netfilter, respectivamente. El estudio realizado permitió
identificar que las soluciones analizadas brindan un conjunto de funcionalidades que
permiten elevar la seguridad de las redes de datos, asimismo se evidenció que Endian,
Zentyal, pfSense, VyOS, IPFire y ClearOS poseen rendimientos de red superiores a
OPNsense. ClearOS demostró de forma general, los mejores índices de consumo de CPU y
memoria RAM, lo cual corroboró su elevada eficiencia para asegurar las redes de datos con
ahorro y uso óptimo de recursos de hardware. Los resultados obtenidos en este trabajo
facilitan la toma de decisiones para el despliegue de herramientas de ciberseguridad en
redes digitales de organizaciones con escasos recursos computacionales.
Conflicto de Interés
El autor declara que no existen conflictos de interés de naturaleza alguna.
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