注册 登录  
 加关注
查看详情
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

小可尼の博客

Linux后端的技术窝窝

 
 
 

日志

 
 

Linux Netfilter实现机制和扩展技术----------netfilter的参考文档  

2013-09-23 10:56:14|  分类: netfiter模块和ip |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |
出处:https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ntflt/


本文的技术文档的格式与分析有很好的参考价值
自己值得学习!!!


Linux Netfilter实现机制和扩展技术

杨沙洲 (pubb@163.net)国防科技大学计算机学院

简介: 本文从Linux网络协议栈中报文的流动过程分析开始,对Linux 2.4.x内核中最流行的防火墙构建平台Netfilter进行了深入分析,着重介绍了如何在Netfilter-iptables机制中进行应用扩展, 并在文末给出了一个利用扩展Netfilter-iptables实现VPN的方案。

发布日期: 2003 年 3 月 01 日
级别: 初级
访问情况 : 18016 次浏览
评论:  (查看 | 添加评论 - 登录)

平均分 5 星 共 49 个评分 平均分 (49个评分)
为本文评分

2.4.x的内核相对于2.2.x在IP协议栈部分有比较大的改动, Netfilter-iptables更是其一大特色,由于它功能强大,并且与内核完美结合,因此迅速成为Linux平台下进行网络应用扩展的主要利器, 这些扩展不仅包括防火墙的实现--这只是Netfilter-iptables的基本功能--还包括各种报文处理工作(如报文加密、报文分类统计等),甚 至还可以借助Netfilter-iptables机制来实现虚拟专用网(VPN)。本文将致力于深入剖析Netfilter-iptables的组织结 构,并详细介绍如何对其进行扩展。Netfilter目前已在ARP、IPv4和IPv6中实现,考虑到IPv4是目前网络应用的主流,本文仅就IPv4 的Netfilter实现进行分析。

要想理解Netfilter的工作原理,必须从对Linux IP报文处理流程的分析开始,Netfilter正是将自己紧密地构建在这一流程之中的。

1. IP Packet Flowing

IP协议栈是Linux操作系统的主要组成部分,也是Linux的特色之一,素以高效稳定著称。Netfilter与IP协议栈是密切结合在一起的,要想 理解Netfilter的工作方式,必须理解IP协议栈是如何对报文进行处理的。下面将通过一个经由IP Tunnel传输的TCP报文的流动路径,简要介绍一下IPv4协议栈(IP层)的结构和报文处理过程。

IP Tunnel是2.0.x内核就已经提供了的虚拟局域网技术,它在内核中建立一个虚拟的网络设备,将正常的报文(第二层)封装在IP报文中,再通过TCP/IP网络进行传送。如果在网关之间建立IP Tunnel,并配合ARP报文的解析,就可以实现虚拟局域网。

我们从报文进入IP Tunnel设备准备发送开始。

1.1报文发送

ipip模块创建tunnel设备(设备名为tunl0~tunlx)时,设置报文发送接口(hard_start_xmit)为ipip_tunnel_xmit(),流程见下图:


图1 报文发送流程

1.2 报文接收

报文接收从网卡驱动程序开始,当网卡收到一个报文时,会产生一个中断,其驱动程序中的中断服务程序将调用确定的接收函数来处理。以下仍以IP Tunnel报文为例,网卡驱动程序为de4x5。流程分成两个阶段:驱动程序中断服务程序阶段和IP协议栈处理阶段,见下图:


图2 报文接收流程之驱动程序阶段


图3 报文接收流程之协议栈阶段

如果报文需要转发,则在上图红箭头所指处调用ip_forward():


图4 报文转发流程

从上面的流程可以看出,Netfilter以NF_HOOK()的形式出现在报文处理的过程之中。

回页首

2. Netfilter Frame

Netfilter是2.4.x内核引入的,尽管它提供了对2.0.x内核中的ipfw以及2.2.x内核中的ipchains的兼容,但实际上它的工作 和意义远不止于此。从上面对IP报文的流程分析中可以看出,Netfilter和IP报文的处理是完全结合在一起的,同时由于其结构相对独立,又是可以完 全剥离的。这种机制也是Netfilter-iptables既高效又灵活的保证之一。

在剖析Netfilter机制之前,我们还是由浅入深的从Netfilter的使用开始。

2.1 编译

在Networking Options中选定Network packet filtering项,并将其下的IP:Netfilter Configurations小节的所有选项设为Module模式。编译并安装新内核,然后重启,系统的核内Netfilter就配置好了。以下对相关的 内核配置选项稍作解释,也可以参阅编译系统自带的Help:

【Kernel/User netlink socket】建立一类PF_NETLINK套接字族,用于核心与用户进程通信。当Netfilter需要使用用户队列来管理某些报文时就要使用这一机制;

【Network packet filtering (replaces ipchains)】Netfilter主选项,提供Netfilter框架;

【Network packet filtering debugging】Netfilter主选项的分支,支持更详细的Netfilter报告;

【IP: Netfilter Configuration】此节下是netfilter的各种选项的集合:

【Connection tracking (required for masq/NAT)】连接跟踪,用于基于连接的报文处理,比如NAT;

【IP tables support (required for filtering/masq/NAT)】这是Netfilter的框架,NAT等应用的容器;

【ipchains (2.2-style) support】ipchains机制的兼容代码,在新的Netfilter结构上实现了ipchains接口;

【ipfwadm (2.0-style) support】2.0内核防火墙ipfwadm兼容代码,基于新的Netfilter实现。

2.2 总体结构

Netfilter是嵌入内核IP协议栈的一系列调用入口,设置在报文处理的路径上。网络报文按照来源和去向,可以分为三类:流入的、流经的和流出的,其 中流入和流经的报文需要经过路由才能区分,而流经和流出的报文则需要经过投递,此外,流经的报文还有一个FORWARD的过程,即从一个NIC转到另一个 NIC。Netfilter就是根据网络报文的流向,在以下几个点插入处理过程:

NF_IP_PRE_ROUTING,在报文作路由以前执行;

NF_IP_FORWARD,在报文转向另一个NIC以前执行;

NF_IP_POST_ROUTING,在报文流出以前执行;

NF_IP_LOCAL_IN,在流入本地的报文作路由以后执行;

NF_IP_LOCAL_OUT,在本地报文做流出路由前执行。

如图所示:


图5 Netfilter HOOK位置

Netfilter框架为多种协议提供了一套类似的钩子(HOOK),用一个struct list_head nf_hooks[NPROTO][NF_MAX_HOOKS]二维数组结构存储,一维为协议族,二维为上面提到的各个调用入口。每个希望嵌入 Netfilter中的模块都可以为多个协议族的多个调用点注册多个钩子函数(HOOK),这些钩子函数将形成一条函数指针链,每次协议栈代码执行到 NF_HOOK()函数时(有多个时机),都会依次启动所有这些函数,处理参数所指定的协议栈内容。

每个注册的钩子函数经过处理后都将返回下列值之一,告知Netfilter核心代码处理结果,以便对报文采取相应的动作:

NF_ACCEPT:继续正常的报文处理;

NF_DROP:将报文丢弃;

NF_STOLEN:由钩子函数处理了该报文,不要再继续传送;

NF_QUEUE:将报文入队,通常交由用户程序处理;

NF_REPEAT:再次调用该钩子函数。

2.3 IPTables

Netfilter-iptables由两部分组成,一部分是Netfilter的"钩子",另一部分则是知道这些钩子函数如何工作的一套规则--这些规 则存储在被称为iptables的数据结构之中。钩子函数通过访问iptables来判断应该返回什么值给Netfilter框架。

在现有(kernel 2.4.21)中已内建了三个iptables:filter、nat和mangle,绝大部分报文处理功能都可以通过在这些内建(built-in)的表格中填入规则完成:

filter,该模块的功能是过滤报文,不作任何修改,或者接受,或者拒绝。它在NF_IP_LOCAL_IN、NF_IP_FORWARD和NF_IP_LOCAL_OUT三处注册了钩子函数,也就是说,所有报文都将经过filter模块的处理。

nat,网络地址转换(Network Address Translation),该模块以Connection Tracking模块为基础,仅对每个连接的第一个报文进行匹配和处理,然后交由Connection Tracking模块将处理结果应用到该连接之后的所有报文。nat在NF_IP_PRE_ROUTING、NF_IP_POST_ROUTING注册了 钩子函数,如果需要,还可以在NF_IP_LOCAL_IN和NF_IP_LOCAL_OUT两处注册钩子,提供对本地报文(出/入)的地址转换。nat 仅对报文头的地址信息进行修改,而不修改报文内容,按所修改的部分,nat可分为源NAT(SNAT)和目的NAT(DNAT)两类,前者修改第一个报文 的源地址部分,而后者则修改第一个报文的目的地址部分。SNAT可用来实现IP伪装,而DNAT则是透明代理的实现基础。

mangle,属于可以进行报文内容修改的IP Tables,可供修改的报文内容包括MARK、TOS、TTL等,mangle表的操作函数嵌入在Netfilter的NF_IP_PRE_ROUTING和NF_IP_LOCAL_OUT两处。

内核编程人员还可以通过注入模块,调用Netfilter的接口函数创建新的iptables。在下面的Netfilter-iptables应用中我们将进一步接触Netfilter的结构和使用方式。

2.4 Netfilter配置工具

iptables是专门针对2.4.x内核的Netfilter制作的核外配置工具,通过socket接口对Netfilter进行操作,创建socket的方式如下:

socket(TC_AF, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)

其中TC_AF就是AF_INET。核外程序可以通过创建一个"原始IP套接字"获得访问Netfilter的句柄,然后通过getsockopt()和setsockopt()系统调用来读取、更改Netfilter设置,详情见下。

iptables功能强大,可以对核内的表进行操作,这些操作主要指对其中规则链的添加、修改、清除,它的命令行参数主要可分为四类: 指定所操作的IP Tables(-t);指定对该表所进行的操作(-A、-D等);规则描述和匹配;对iptables命令本身的指令(-n等)。在下面的例子中,我们通 过iptables将访问10.0.0.1的53端口(DNS)的TCP连接引导到192.168.0.1地址上。

iptables -t nat -A PREROUTING -p TCP -i eth0 -d 10.0.0.1 --dport 53 -j DNAT --to-destination 192.168.0.1

由于iptables是操作核内Netfilter的用户界面,有时也把Netfilter-iptables简称为iptables,以便与ipchains、ipfwadm等老版本的防火墙并列。

2.5 iptables核心数据结构

2.5.1 表

在Linux内核里,iptables用struct ipt_table表示,定义如下(include/linux/netfilter_ipv4/ip_tables.h):

struct ipt_table
{
    struct list_head list;
      /* 表链 */
    char name[IPT_TABLE_MAXNAMELEN];
      /* 表名,如"filter"、"nat"等,为了满足自动模块加载的设计,
     /* 包含该表的模块应命名为iptable_'name'.o */
    struct ipt_replace *table;
      /* 表模子,初始为initial_table.repl */
    unsigned int valid_hooks;
      /* 位向量,标示本表所影响的HOOK */
    rwlock_t lock;
      /* 读写锁,初始为打开状态 */
    struct ipt_table_info *private;
      /* iptable的数据区,见下 */
    struct module *me;
      /* 是否在模块中定义 */
};
struct ipt_table_info是实际描述表的数据结构(net/ipv4/netfilter/ip_tables.c):
struct ipt_table_info
{
    unsigned int size;
      /* 表大小 */
    unsigned int number;
      /* 表中的规则数 */
    unsigned int initial_entries;
      /* 初始的规则数,用于模块计数 */
    unsigned int hook_entry[NF_IP_NUMHOOKS];
      /* 记录所影响的HOOK的规则入口相对于下面的entries变量的偏移量 */
    unsigned int underflow[NF_IP_NUMHOOKS];
      /* 与hook_entry相对应的规则表上限偏移量,当无规则录入时,
 /* 相应的hook_entry和underflow均为0 */
    char entries[0] ____cacheline_aligned;
      /* 规则表入口 */
};

例如内建的filter表初始定义如下(net/ipv4/netfilter/iptable_filter.c):

static struct ipt_table packet_filter
= { { NULL, NULL },    // 链表
"filter",        // 表名
   &initial_table.repl,    // 初始的表模板
    FILTER_VALID_HOOKS,// 定义为((1 << NF_IP6_LOCAL_IN) |
       (1 << NF_IP6_FORWARD) | (1 << NF_IP6_LOCAL_OUT)),
      即关心INPUT、FORWARD、OUTPUT三点
   RW_LOCK_UNLOCKED,// 锁
NULL,        // 初始的表数据为空
     THIS_MODULE     // 模块标示
};

经过调用ipt_register_table(&packet_filter)后,filter表的private数据区即参照模板填好了。

2.5.2 规则

规则用struct ipt_entry结构表示,包含匹配用的IP头部分、一个Target和0个或多个Match。由于Match数不定,所以一条规则实际的占用空间是可变的。结构定义如下(include/linux/netfilter_ipv4):

struct ipt_entry
{
		struct ipt_ip ip;
			/* 所要匹配的报文的IP头信息 */
		unsigned int nfcache;
			/* 位向量,标示本规则关心报文的什么部分,暂未使用 */
		u_int16_t target_offset;
			/* target区的偏移,通常target区位于match区之后,而match区则在ipt_entry的末尾;
			初始化为sizeof(struct ipt_entry),即假定没有match */
		u_int16_t next_offset;
			/* 下一条规则相对于本规则的偏移,也即本规则所用空间的总和,
			初始化为sizeof(struct ipt_entry)+sizeof(struct ipt_target),即没有match */
	unsigned int comefrom;
			/* 位向量,标记调用本规则的HOOK号,可用于检查规则的有效性 */
	struct ipt_counters counters;
			/* 记录该规则处理过的报文数和报文总字节数 */
	unsigned char elems[0];
			/*target或者是match的起始位置 */
}

规则按照所关注的HOOK点,被放置在struct ipt_table::private->entries之后的区域,比邻排列。

2.5.3 规则填写过程

在了解了iptables在核心中的数据结构之后,我们再通过遍历一次用户通过iptables配置程序填写规则的过程,来了解这些数据结构是如何工作的了。

一个最简单的规则可以描述为拒绝所有转发报文,用iptables命令表示就是:

iptables -A FORWARD -j DROP;

iptables应用程序将命令行输入转换为程序可读的格式(iptables- standalone.c::main()::do_command(),然后再调用libiptc库提供的iptc_commit()函数向核心提交该 操作请求。在libiptc/libiptc.c中定义了iptc_commit()(即TC_COMMIT()),它根据请求设置了一个struct ipt_replace结构,用来描述规则所涉及的表(filter)和HOOK点(FORWARD)等信息,并在其后附接当前这条规则--一个 struct ipt_entry结构(实际上也可以是多个规则entry)。组织好这些数据后,iptc_commit()调用setsockopt()系统调用来启 动核心处理这一请求:

setsockopt(
sockfd,        
//通过socket(TC_AF, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)创建的套接字, 
//其中TC_AF即AF_INET
   TC_IPPROTO,    //即IPPROTO_IP
   SO_SET_REPLACE,   //即IPT_SO_SET_REPLACE
repl,          //struct ipt_replace结构
sizeof(*repl) + (*handle)->entries.size)    //ipt_replace加上后面的ipt_entry

核心对于setsockopt()的处理是从协议栈中一层层传递上来的,调用过程如下图所示:


图6 规则填写过程

nf_sockopts是在iptables进行初始化时通过nf_register_sockopt()函数生成的一个struct nf_sockopt_ops结构,对于ipv4来说,在net/ipv4/netfilter/ip_tables.c中定义了一个 ipt_sockopts变量(struct nf_sockopt_ops),其中的set操作指定为do_ipt_set_ctl(),因此,当nf_sockopt()调用对应的set操作时, 控制将转入net/ipv4/netfilter/ip_tables.c::do_ipt_set_ctl()中。

对于IPT_SO_SET_REPLACE命令,do_ipt_set_ctl()调用do_replace()来处理,该函数将用户 层传入的struct ipt_replace和struct ipt_entry组织到filter(根据struct ipt_replace::name项)表的hook_entry[NF_IP_FORWARD]所指向的区域,如果是添加规则,结果将是filter表 的private(struct ipt_table_info)项的hook_entry[NF_IP_FORWARD]和underflow[NF_IP_FORWARD]的差值扩大 (用于容纳该规则),private->number加1。

2.5.4 规则应用过程

以上描述了规则注入核内iptables的过程,这些规则都挂接在各自的表的相应HOOK入口处,当报文流经该HOOK时进行匹配,对 于与规则匹配成功的报文,调用规则对应的Target来处理。仍以转发的报文为例,假定filter表中添加了如上所述的规则:拒绝所有转发报文。

如1.2节所示,经由本地转发的报文经过路由以后将调用ip_forward()来处理,在ip_forward()返回前,将调用如下代码:

NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_FORWARD, skb, skb->dev, dev2, ip_forward_finish)
NF_HOOK是这样一个宏(include/linux/netfilter.h):
#define NF_HOOK(pf, hook, skb, indev, outdev, okfn)			\
(list_empty(&nf_hooks[(pf)][(hook)])					\
 ? (okfn)(skb)								\
 : nf_hook_slow((pf), (hook), (skb), (indev), (outdev), (okfn)))

也就是说,如果nf_hooks[PF_INET][NF_IP_FORWARD]所指向的链表为空(即该钩子上没有挂处理函数),则 直接调用ip_forward_finish(skb)完成ip_forward()的操作;否则,则调用net/core /netfilter.c::nf_hook_slow()转入Netfilter的处理。

这里引入了一个nf_hooks链表二维数组:

struct list_head nf_hooks[NPROTO][NF_MAX_HOOKS];

每一个希望使用Netfilter挂钩的表都需要将表处理函数在nf_hooks数组的相应链表上进行注册。对于filter表来说, 在其初始化(net/ipv4/netfilter/iptable_filter.c::init())时,调用了net/core /netfilter.c::nf_register_hook(),将预定义的三个struct nf_hook_ops结构(分别对应INPUT、FORWARD、OUTPUT链)连入链表中:

struct nf_hook_ops
{
		struct list_head list;
			//链表
		nf_hookfn *hook;
			//处理函数指针
		int pf;
			//协议号
		int hooknum;
			//HOOK号
		int priority;
			//优先级,在nf_hooks链表中各处理函数按优先级排序
};

对于filter表来说,FORWARD点的hook设置成ipt_hook(),它将直接调用ipt_do_table()。几乎所有处理函数最终都将 调用ipt_do_table()来查询表中的规则,以调用对应的target。下图所示即为在FORWARD点上调用nf_hook_slow()的过 程:


图7 规则应用流程

2.5.5 Netfilter的结构特点

由上可见,nf_hooks链表数组是联系报文处理流程和iptables的纽带,在iptables初始化(各自的init()函 数)时,一方面调用nf_register_table()建立规则容器,另一方面还要调用nf_register_hook()将自己的挂钩愿望表达给 Netfilter框架。初始化完成之后,用户只需要通过用户级的iptables命令操作规则容器(添加规则、删除规则、修改规则等),而对规则的使用 则完全不用操心。如果一个容器内没有规则,或者nf_hooks上没有需要表达的愿望,则报文处理照常进行,丝毫不受Netfilter- iptables的影响;即使报文经过了过滤规则的处理,它也会如同平时一样重新回到报文处理流程上来,因此从宏观上看,就像在行车过程中去了一趟加油 站。

Netfilter不仅仅有此高效的设计,同时还具备很大的灵活性,这主要表现在Netfilter-iptables中的很多部分都 是可扩充的,包括Table、Match、Target以及Connection Track Protocol Helper,下面一节将介绍这方面的内容。

回页首

3. Netfilter-iptables Extensions

Netfilter提供的是一套HOOK框架,其优势是就是易于扩充。可供扩充的Netfilter构件主要包括Table、Match、Target和 Connection Track Protocol Helper四类,分别对应四套扩展函数。所有扩展都包括核内、核外两个部分,核内部分置于<kernel-root>/net/ipv4 /netfilter/下,模块名为ipt_'name'.o;核外部分置于<iptables-root>/extensions/下,动 态链接库名为libipt_'name'.so。

3.1 Table

Table在以上章节中已经做过介绍了,它作为规则存储的媒介,决定了该规则何时能起作用。系统提供的filter、nat、mangle涵盖了所有的 HOOK点,因此,大部分应用都可以围绕这三个已存在的表进行,但也允许编程者定义自己的拥有特殊目的的表,这时需要参考已有表的struct ipt_table定义创建新的ipt_table数据结构,然后调用ipt_register_table()注册该新表,并调用 ipt_register_hook()将新表与Netfilter HOOK相关联。

对表进行扩展的情形并不多见,因此这里也不详述。

3.2 Match & Target

Match和Target是Netfilter-iptables中最常使用的功能,灵活使用Match和Target,可以完成绝大多数报文处理功能。

3.2.1 Match数据结构

核心用struct ipt_match表征一个Match数据结构:

struct ipt_match
{
  struct list_head list;
    /* 通常初始化成{NULL,NULL},由核心使用 */
  const char name[IPT_FUNCTION_MAXNAMELEN];
    /* Match的名字,同时也要求包含该Match的模块文件名为ipt_'name'.o */
  int (*match)(const struct sk_buff *skb,
         const struct net_device *in,
         const struct net_device *out,
         const void *matchinfo,
         int offset,
         const void *hdr,
         u_int16_t datalen,
         int *hotdrop);
    /* 返回非0表示匹配成功,如果返回0且hotdrop设为1,
    则表示该报文应当立刻丢弃 */
  int (*checkentry)(const char *tablename,
        const struct ipt_ip *ip,
        void *matchinfo,
        unsigned int matchinfosize,
        unsigned int hook_mask);
    /* 在使用本Match的规则注入表中之前调用,进行有效性检查,
    /* 如果返回0,规则就不会加入iptables中 */
  void (*destroy)(void *matchinfo, unsigned int matchinfosize);
    /* 在包含本Match的规则从表中删除时调用,
    与checkentry配合可用于动态内存分配和释放 */
  struct module *me;
    /* 表示当前Match是否为模块(NULL为否) */
};

定义好一个ipt_match结构后,可调用ipt_register_match()将本Match注册到ipt_match链表中备用,在模块方式下,该函数通常在init_module()中执行。

3.2.2 Match的用户级设置

要使用核心定义的Match(包括已有的和自定义的),必须在用户级的iptables程序中有所说明,iptables源代码也提供了已知的核心Match,但未知的Match则需要自行添加说明。

在iptables中,一个Match用struct iptables_match表示:

struct iptables_match
{
  struct iptables_match *next;
    /* Match链,初始为NULL */
  ipt_chainlabel name;
    /* Match名,和核心模块加载类似,作为动态链接库存在的
    Iptables Extension的命名规则为libipt_'name'.so(对于ipv6为libip6t_'name'.so),
    以便于iptables主程序根据Match名加载相应的动态链接库 */
  const char *version;
    /* 版本信息,一般设为NETFILTER_VERSION */
  size_t size;
    /* Match数据的大小,必须用IPT_ALIGN()宏指定对界 */
  size_t userspacesize;
    /*由于内核可能修改某些域,因此size可能与确切的用户数据不同,
    这时就应该把不会被改变的数据放在数据区的前面部分,
    而这里就应该填写被改变的数据区大小;一般来说,这个值和size相同 */
  void (*help)(void);
    /* 当iptables要求显示当前match的信息时(比如iptables -m ip_ext -h),
    就会调用这个函数,输出在iptables程序的通用信息之后 */
  void (*init)(struct ipt_entry_match *m, unsigned int *nfcache);
    /* 初始化,在parse之前调用 */
  int (*parse)(int c, char **argv, int invert, unsigned int *flags,
         const struct ipt_entry *entry,
         unsigned int *nfcache,
         struct ipt_entry_match **match);
    /* 扫描并接收本match的命令行参数,正确接收时返回非0,flags用于保存状态信息 */
  void (*final_check)(unsigned int flags);
    /* 当命令行参数全部处理完毕以后调用,如果不正确,应该退出(exit_error()) */
  void (*print)(const struct ipt_ip *ip,
          const struct ipt_entry_match *match, int numeric);
    /* 当查询当前表中的规则时,显示使用了当前match的规则的额外的信息 */
  void (*save)(const struct ipt_ip *ip,
         const struct ipt_entry_match *match);
    /* 按照parse允许的格式将本match的命令行参数输出到标准输出,
    用于iptables-save命令 */
  const struct option *extra_opts;
    /*  NULL结尾的参数列表,struct option与getopt(3)使用的结构相同 */
  /* 以下参数由iptables内部使用,用户不用关心 */
  unsigned int option_offset;
  struct ipt_entry_match *m;
  unsigned int mflags;
  unsigned int used;
}
struct option {
    const char *name;
    /* 参数名称,用于匹配命令行输入 */
    int has_arg;          
/* 本参数项是否允许带参数,0表示没有,1表示有,2表示可有可无 */
    int *flag;
    /* 指定返回的参数值内容,如果为NULL,则直接返回下面的val值,
    否则返回0,val存于flag所指向的位置 */
    int val;
    /* 缺省的参数值 */
}

如对于--opt <value>参数来讲,在struct option中定义为{"opt",1,0,'1'},表示opt带参数值,如果出现-opt <value>参数,则返回'1'用于parse()中的int c参数。

实际使用时,各个函数都可以为空,只要保证name项与核心的对应Match名字相同就可以了。在定义了iptables_match 之后,可以调用register_match()让iptables主体识别这个新Match。当iptables命令中第一次指定使用名为ip_ext 的Match时,iptables主程序会自动加载libipt_ip_ext.so,并执行其中的_init()接口,所以 register_match()操作应该放在_init()中执行。

3.2.3 Target数据结构

Target数据结构struct ipt_target和struct ipt_match基本相同,不同之处只是用target函数指针代替match函数指针:

struct ipt_target
{
	……
unsigned int (*target)(struct sk_buff **pskb,
		       unsigned int hooknum,
		       const struct net_device *in,
		       const struct net_device *out,
		       const void *targinfo,
		       void *userdata);
	/* 如果需要继续处理则返回IPT_CONTINUE(-1),
	否则返回NF_ACCEPT、NF_DROP等值,
	它的调用者根据它的返回值来判断如何处理它处理过的报文*/
……
}

与ipt_register_match()对应,Target使用ipt_register_target()来进行注册,但文件命名、使用方法等均与Match相同。

3.2.4 Target的用户级设置

Target的用户级设置使用struct iptables_target结构,与struct iptables_match完全相同。register_target()用于注册新Target,方法也与Match相同。

3.3 Connection Track Protocol Helper

前面提到,NAT仅对一个连接(TCP或UDP)的第一个报文进行处理,之后就依靠Connection Track机制来完成对后续报文的处理。Connection Track是一套可以和NAT配合使用的机制,用于在传输层(甚至应用层)处理与更高层协议相关的动作。

关于Connection Track,Netfilter中的实现比较复杂,而且实际应用频率不高,因此这里就不展开了,以后专文介绍。

3.4 iptables patch机制

对于Netfilter-iptables扩展工作,用户当然可以直接修改源代码并编译安装,但为了标准化和简便起见,在iptables源码包提供了一套patch机制,希望用户按照其格式要求进行扩展,而不必分别修改内核和iptables代码。

和Netfilter-iptables的结构特点相适应,对iptables进行扩展也需要同时修改内核和iptables程序代 码,因此patch也分为两个部分。在iptables-1.2.8中,核内补丁由patch-o-matic包提供,iptables-1.2.8的源 码中的extensions目录则为iptables程序本身的补丁。

patch-o-matic提供了一个'runme'脚本来给核心打patch,按照它的规范,核内补丁应该包括五个部分,且命名有一定的规范,例如,如果Target名为ip_ext,那么这五个部分的文件名和功能分别为:

  • ip_ext.patch
    主文件,内容为diff格式的核心.c、.h源文件补丁,实际使用时类似给内核打patch(patch -p0 <ip_ext.patch);
  • ip_ext.patch.config.in
    对<kernel-root>/net/ipv4/netfilter/Config.in文件的修改,第一行是原Config.in中的一 行,以指示补丁添加的位置,后面则是添加在以上匹配行之后的内容。这个补丁的作用是使核心的配置界面中支持新增加的补丁选项;
  • ip_ext.patch.configure.help
    对<kernel-root>/Documentation/Configure.help的修改,第一行为原Configure.help中的一行帮助索引,以下几行的内容添加在这一行相关的帮助之后。这个补丁的作用是补充内核配置时对新增加的选项的说明;
  • ip_ext.patch.help
    用于runme脚本显示本patch的帮助信息;
  • ip_ext.patch.makefile
  • 对<kernel-root>/net/ipv4/netfilter/Makefile的修改,和前两个文件的格式相同,用于在指定的位置上添加用于生成ipt_ip_ext.o的make指令。

示例可以参看patch-o-matic下的源文件。

iptables本身的扩展稍微简单一些,那就是在extensions目录下增加一个libipt_ip_ext.c的文件,然后在本子目录的Makefile的PF_EXT_SLIB宏中附加一个ip_ext字符串。

第一次安装时,可以在iptables的根目录下运行make pending-patches命令,此命令会自动调用runme脚本,将所有patch-o-matic下的patch文件打到内核中,之后需要重新配置和编译内核。

如果只需要安装所要求的patch,可以在patch-o-matic目录下直接运行runme ip_ext,它会完成ip_ext patch的安装。之后,仍然要重编内核以使patch生效。

iptables本身的make/make install过程可以编译并安装好libipt_ip_ext.so,之后,新的iptables命令就可以通过加载libipt_ip_ext.so来识别ip_ext target了。

Extensions还可以定义头文件,一般这个头文件核内核外都要用,因此,通常将其放置在<kernel- root>/include/linux/netfilter_ipv4/目录下,在.c文件里指定头文件目录为linux /netfilter_ipv4/。

灵活性是Netfilter-iptables机制的一大特色,因此,扩展Netfilter-iptables也是它的应用的关键。为了与此目标相适应,Netfilter-iptables在结构上便于扩展,同时也提供了一套扩展的方案,并有大量扩展样例可供参考。

回页首

4. 案例:用Netfilter实现VPN

虚拟专用网的关键就是隧道(Tunnel)技术,即将报文封装起来通过公用网络。利用Netfilter-iptables对报文的强大处理能力,完全可以以最小的开发成本实现一个高可配置的VPN。

本文第一部分即描述了IP Tunnel技术中报文的流动过程,从中可见,IP Tunnel技术的特殊之处有两点:

  • 一个特殊的网络设备tunl0~tunlx--发送时,用指定路由的办法将需要封装的内网报文交给该网络设备来处理,在"网卡驱动程序"中作封装,然后再作为正常的IP报文交给真正的网络设备发送出去;
  • 一个特殊的IP层协议IPIP--从外网传来的封装报文拥有一个特殊的协议号(IPIP),报文最终在该协议的处理程序(ipip_rcv())中解封,恢复内网IP头后,将报文注入IP协议栈底层(netif_rx())重新开始收包流程。

从中不难看出,在报文流出tunlx设备之后(即完成封装之后)需要经过OUTPUT的Netfilter HOOK点,而在报文解封之前(ipip_rcv()得到报文之前),也要经过Netfilter的INPUT HOOK点,因此,完全有可能在这两个HOOK上做文章,完成报文的封装和解封过程。报文的接收过程可以直接沿用IPIP的处理方法,即自定义一个专门的 协议,问题的关键即在于如何获得需要封装的外发报文,从而与正常的非VPN报文相区别。我们的做法是利用Netfilter-iptables对IP头信 息的敏感程度,在内网中使用标准的内网专用IP段(如192.168.xxx.xxx),从而通过IP地址将其区分开。基于IP地址的VPN配置既方便现 有系统管理、又便于今后VPN系统升级后的扩充,而且可以结合Netfilter-iptables的防火墙设置,将VPN和防火墙有机地结合起来,共同 维护一个安全的专用网络。

在我们的方案中,VPN采用LAN-LAN方式(当然,Dial-in方式在技术上并没有什么区别),在LAN网关处设置我们的VPN 管理组件,从而构成一个安全网关。LAN内部的节点既可以正常访问防火墙限制以外非敏感的外网(如Internet的大部分站点),又可以通过安全网关的 甄别,利用VPN访问其他的专用网LAN。

由于本应用与原有的三个表在功能和所关心的HOOK点上有所不同,因此我们仿照filter表新建了一个vpn表,VPN功能分布在以下四个部分中:

  • iptables ENCRYPT Target:对于发往安全子网的报文,要求经过ENCRYPT target处理,加密原报文,产生认证码,并将报文封装在公网IPIP_EXT报文头中。ENCRYPT Target配置在vpn表的OUTPUT和FORWARD HOOK点上,根据目的方IP地址来区分是否需要经过ENCRYPT target加密处理。
  • IPIP_EXT协议:在接收该协议报文的处理函数IPIP_EXT_rcv()中用安全子网的IP地址信息代替公网间传输的隧道报文头中的IP地址,然后重新注入IP协议栈底层。
  • iptables IPIP_EXT Match:匹配报文头的协议标识是否为自定义的IPIP_EXT。经过IPIP_EXT_rcv()处理之后的报文必须是IPIP_EXT协议类型的,否则应丢弃。
  • iptables DECRYPT Target:对于接收到的来自安全子网的报文,经过IPIP_EXT协议处理之后,将IP头恢复为安全子网之间通信的IP头,再进入DECRYPT target处理,对报文进行完全解密和解封。

整个报文传输的流程可以用下图表示:


图8 VPN报文流动过程

对于外出报文(源于本地或内网),使用内部地址在FORWARD/OUTPUT点匹配成功,执行ENCRYPT,从Netfilter中返回后作为本地IPIP_EXT协议的报文继续往外发送。

对于接收到的报文,如果协议号为IPPROTO_IPIP_EXT,则匹配IPIP_EXT的Match成功,否则将在INPUT点被 丢弃;继续传送的报文从IP层传给IPIP_EXT的协议处理代码接收,在其中恢复内网IP的报文头后调用netif_rx()重新流入协议栈。此时的报 文将在INPUT/FORWARD点匹配规则,并执行DECRYPT,只有通过了DECRYPT的报文才能继续传送到本机的上层协议或者内网。

附:iptables设置指令(样例):

iptables -t vpn -P FORWARD DROP
iptables -t vpn -A OUTPUT -d 192.168.0.0/24 -j ENCRYPT
iptables -t vpn -A INPUT -s 192.168.0.0/24 -m ipip_ah -j DECRYPT
iptables -t vpn -A FORWARD -s 192.168.0.0/24 -d 192.168.1.0 -j DECRYPT
iptables -t vpn -A FORWARD -s 192.168.1.0/24 -d 192.168.0.0/24 -j ENCRYPT

其中192.168.0.0/24是目的子网,192.168.1.0/24是本地子网


参考资料

  • [Linus Torvalds,2003] Linux内核源码v2.4.21

  • [Paul Russell,2002] Linux netfilter Hacking HOWTO v1.2

  • [Paul Russell,2002] iptables源码v1.2.1a

  • [Paul Russell,2000] LinuxWorld: San Jose August 2000,Netfilter Tutorial

  • [Oskar Andreasson,2001] iptables Tutorial 1.0.9

关于作者

杨沙洲,目前在国防科技大学计算机学院攻读软件方向博士学位。您可以通过 pubb@163.net与他联系。

  评论这张
 
阅读(1031)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2018