Netfilter-IPTables框架简介

一、概述1.Netfilter/IPTables框架简介Netfilter/IPTables是继2.0.x的IPfwadm、2.2.x的IPchains之后，新一代的Linux防火墙机制。Netfilter采用模块化设计，具有良好的可扩充性。其重要工具模块IPTables连接到Netfilter的架构中，并允许使用者对数据报进行过滤、地址转换、处理等操作。Netfilter提供了一个框架，将对网络代码的直接干涉降到最低，并允许用规定的接口将其他包处理代码以模块的形式添加到内核中，具有极强的灵活性。2.主要源代码文件•Linux内核版本：2.4.21•Netfilter主文件：net/core/netfilter.cNetfilter主头文件：include/linux/netfilter.h•IPv4相关：c文件：net/ipv4/netfilter/*.c头文件：include/linux/netfilter_ipv4.hinclude/linux/netfilter_ipv4/*.h•IPv4协议栈主体的部分c文件，特别是与数据报传送过程有关的部分：ip_input.c，ip_forward.c，ip_output.c，ip_fragment.c等二、Netfilter/IPTables-IPv4总体架构Netfilter主要通过表、链实现规则，可以这么说，Netfilter是表的容器，表是链的容器，链是规则的容器，最终形成对数据报处理规则的实现。详细地说，Netfilter/IPTables的体系结构可以分为三个大部分：1.Netfilter的HOOK机制Netfilter的通用框架不依赖于具体的协议，而是为每种网络协议定义一套HOOK函数。这些HOOK函数在数据报经过协议栈的几个关键点时被调用，在这几个点中，协议栈将数据报及HOOK函数标号作为参数，传递给Netfilter框架。对于它在网络堆栈中增加的这些HOOK，内核的任何模块可以对每种协议的一个或多个HOOK进行注册，实现挂接。这样当某个数据报被传递给Netfilter框架时，内核能检测到是否有任何模块对该协议和HOOK函数进行了注册。若注册了，则调用该模块的注册时使用的回调函数，这样这些模块就有机会检查、修改、丢弃该数据报及指示Netfilter将该数据报传入用户空间的队列。这样，HOOK提供了一种方便的机制：在数据报通过Linux内核的不同位置上截获和操作处理数据报。2.IPTables基础模块IPTables基础模块实现了三个表来筛选各种数据报，具体地讲，Linux2.4内核提供的这三种数据报的处理功能是相互间独立的模块，都基于Netfilter的HOOK函数和各种表、链实现。这三个表包括：filter表，nat表以及mangle表。3.具体功能模块1.数据报过滤模块2.连接跟踪模块（Conntrack）3.网络地址转换模块（NAT）4.数据报修改模块（mangle）5.其它高级功能模块于是，Netfilter/IPTables总体架构如图所示三、HOOK的实现1.Netfilter-IPv4中的HOOKNetfilter模块需要使用HOOK来启用函数的动态钩接，它在IPv4中定义了五个HOOK（位于文件include/linux/netfilter_ipv4.h，Line39），分别对应0-4的hooknum简单地说，数据报经过各个HOOK的流程如下：数据报从进入系统，进行IP校验以后，首先经过第一个HOOK函数NF_IP_PRE_ROUTING进行处理；然后就进入路由代码，其决定该数据报是需要转发还是发给本机的；若该数据报是发被本机的，则该数据经过HOOK函数NF_IP_LOCAL_IN处理以后然后传递给上层协议；若该数据报应该被转发则它被NF_IP_FORWARD处理；经过转发的数据报经过最后一个HOOK函数NF_IP_POST_ROUTING处理以后，再传输到网络上。本地产生的数据经过HOOK函数NF_IP_LOCAL_OUT处理后，进行路由选择处理，然后经过NF_IP_POST_ROUTING处理后发送出去。总之，这五个HOOK所组成的Netfilter-IPv4数据报筛选体系如图：（注：下面所说Netfilter/IPTables均基于IPv4，不再赘述）详细地说，各个HOOK及其在IP数据报传递中的具体位置如图•NF_IP_PRE_ROUTING(0)数据报在进入路由代码被处理之前，数据报在IP数据报接收函数ip_rcv()（位于net/ipv4/ip_input.c，Line379）的最后，也就是在传入的数据报被处理之前经过这个HOOK。在ip_rcv()中挂接这个HOOK之前，进行的是一些与类型、长度、版本有关的检查。经过这个HOOK处理之后，数据报进入ip_rcv_finish()（位于net/ipv4/ip_input.c，Line306），进行查路由表的工作，并判断该数据报是发给本地机器还是进行转发。在这个HOOK上主要是对数据报作报头检测处理，以捕获异常情况。涉及功能（优先级顺序）：Conntrack(-200)、mangle(-150)、DNAT(-100)•NF_IP_LOCAL_IN(1)目的地为本地主机的数据报在IP数据报本地投递函数ip_local_deliver()（位于net/ipv4/ip_input.c，Line290）的最后经过这个HOOK。经过这个HOOK处理之后，数据报进入ip_local_deliver_finish()（位于net/ipv4/ip_input.c，Line219）这样，IPTables模块就可以利用这个HOOK对应的INPUT规则链表来对数据报进行规则匹配的筛选了。防火墙一般建立在这个HOOK上。涉及功能：mangle(-150)、filter(0)、SNAT(100)、Conntrack(INT_MAX-1)•NF_IP_FORWARD(2)目的地非本地主机的数据报，包括被NAT修改过地址的数据报，都要在IP数据报转发函数ip_forward()（位于net/ipv4/ip_forward.c，Line73）的最后经过这个HOOK。经过这个HOOK处理之后，数据报进入ip_forward_finish()（位于net/ipv4/ip_forward.c，Line44）另外，在net/ipv4/ipmr.c中的ipmr_queue_xmit()函数（Line1119）最后也会经过这个HOOK。（ipmr为多播相关，估计是在需要通过路由转发多播数据时的处理）这样，IPTables模块就可以利用这个HOOK对应的FORWARD规则链表来对数据报进行规则匹配的筛选了。涉及功能：mangle(-150)、filter(0)•NF_IP_LOCAL_OUT(3)本地主机发出的数据报在IP数据报构建/发送函数ip_queue_xmit()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line339）、以及ip_build_and_send_pkt()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line122）的最后经过这个HOOK。（在数据报处理中，前者最为常用，后者用于那些不传输有效数据的SYN/ACK包）经过这个HOOK处理后，数据报进入ip_queue_xmit2()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line281）另外，在ip_build_xmit_slow()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line429）和ip_build_xmit()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line638）中用于进行错误检测；在igmp_send_report()（位于net/ipv4/igmp.c，Line195）的最后也经过了这个HOOK，进行多播时相关的处理。这样，IPTables模块就可以利用这个HOOK对应的OUTPUT规则链表来对数据报进行规则匹配的筛选了。涉及功能：Conntrack(-200)、mangle(-150)、DNAT(-100)、filter(0)•NF_IP_POST_ROUTING(4)所有数据报，包括源地址为本地主机和非本地主机的，在通过网络设备离开本地主机之前，在IP数据报发送函数ip_finish_output()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line184）的最后经过这个HOOK。经过这个HOOK处理后，数据报进入ip_finish_output2()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line160）另外，在函数ip_mc_output()（位于net/ipv4/ip_output.c，Line195）中在克隆新的网络缓存skb时，也经过了这个HOOK进行处理。涉及功能：mangle(-150)、SNAT(100)、Conntrack(INT_MAX)其中，入口为net_rx_action()（位于net/core/dev.c，Line1602），作用是将数据报一个个地从CPU的输入队列中拿出，然后传递给协议处理例程。出口为dev_queue_xmit()（位于net/core/dev.c，Line1035），这个函数被高层协议的实例使用，以数据结构structsk_buff*skb的形式在网络设备上发送数据报。2.HOOK的调用HOOK的调用是通过宏NF_HOOK实现的，其定义位于include/linux/Netfilter.h，Line122：#defineNF_HOOK(pf,hook,skb,indev,outdev,okfn)\(list_empty(&nf_hooks[(pf)][(hook)])\?(okfn)(skb)\:nf_hook_slow((pf),(hook),(skb),(indev),(outdev),(okfn)))这里先调用list_empty函数检查HOOK点存储数组nf_hooks是否为空，为空则表示没有HOOK注册，则直接调用okfn继续处理。如果不为空，则转入nf_hook_slow()函数。nf_hook_slow()函数（位于net/core/netfilter.c，Line449）的工作主要是读nf_hook数组遍历所有的nf_hook_ops结构，并调用nf_hookfn()处理各个数据报。即HOOK的调用过程如图所示下面说明一下NF_HOOK的各个参数：•pf：协议族标识，相关的有效协议族列表位于include/linux/socket.h，Line178。对于IPv4，应该使用协议族PF_INET；•hook：HOOK标识，即前面所说5个HOOK对应的hooknum；•skb：是含有需要被处理包的sk_buuff数据结构的指针。sk_buff是Linux网络缓存，指那些linux内核处理IP分组报文的缓存，即套接字缓冲区。网卡收到IP分组报文后，将它们放入sk_buff，然后再传送给网络堆栈，网络堆栈几乎一直要用到sk_buff。其定义在include/linux/skbuff.h，Line129，下面列出我认为对分析有意义的部分成员：•`structsock*sk;`：指向创建分组报文的socket；•`structtimevalstamp;`：分组报文到达系统的时间；•下面是三个union，存放的是各层中各种协议的报文头指针：•h对应传输层的报头•nh对应网络层的报头•mac对应MAC层的报