Netfilter&IPtables(一)

1.Netfilter的架构

Netfilter的架构就是在整个网络流程的若干位置放置了一些检测点（HOOK ），而在每个检测点上登记了一些处理函数进行处理（如包过滤，NAT等，甚至可以是用户自定义的功能）。

Netfilter提供了一个抽象、通用化的框架，作为中间件，为每种网络协议(IPv4、IPv6等)定义一套钩子函数。Ipv4定义了5个钩子函数，这些钩子函数在数据报流过协议栈的5个关键点被调用，也就是说，IPv4协议栈上定义了5个“允许垂钓点”。在每一个“垂钓点”，都可以让netfilter放置一个“鱼钩”，把经过的网络包(Packet)钓上来，与相应的规则链进行比较，并根据审查的结果，决定包的下一步命运，即是被原封不动地放回IPv4协议栈，继续向上层递交；还是经过一些修改，再放回网络；或者干脆丢弃掉。

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。

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。

注：回调函数就是一个通过函数指针调用的函数。如果你把函数的指针（地址）作为参数传递给另一个函数，当这个指针被用为调用它所指向的函数时，我们就说这是回调函数。使用回调函数可以把调用者与被调用者分开。调用者不关心谁是被调用者，所有它需知道的，只是存在一个具有某种特定原型、某些限制条件（如返回值为int）的被调用函数。

2. Netfilter的关键技术

Netfilter主要采用连线跟踪(Connection Tracking)、包过滤(Packet Filtering)、地址转换、包处理(Packet Mangling)4种关键技术。 

• 连线跟踪 

　　连线跟踪是包过滤、地址转换的基础，它作为一个独立的模块运行。采用连线跟踪技术在协议栈低层截取数据包，将当前数据包及其状态信息与历史数据包及其状态信息进行比较，从而得到当前数据包的控制信息，根据这些信息决定对网络数据包的操作，达到保护网络的目的。 

　　当下层网络接收到初始化连接同步(Synchronize，SYN)包，将被netfilter规则库检查。该数据包将在规则链中依次序进行比较。如果该包应被丢弃，发送一个复位(Reset，RST)包到远端主机，否则连接接收。这次连接的信息将被保存在连线跟踪信息表中，并表明该数据包所应有的状态。这个连线跟踪信息表位于内核模式下，其后的网络包就将与此连线跟踪信息表中的内容进行比较，根据信息表中的信息来决定该数据包的操作。因为数据包首先是与连线跟踪信息表进行比较，只有SYN包才与规则库进行比较，数据包与连线跟踪信息表的比较都是在内核模式下进行的，所以速度很快。 

•  包过滤 

　　包过滤检查通过的每个数据包的头部，然后决定如何处置它们，可以选择丢弃，让包通过，或者更复杂的操作。 

• 地址转换 

　　网络地址转换源(NAT)分为(Source NAT，SNAT)和目的NAT(Destination NAT, DNAT)2种不同的类型。SNAT是指修改数据包的源地址(改变连接的源IP)。SNAT会在数据包送出之前的最后一刻做好转换工作。地址伪装(Masquerading)是SNAT的一种特殊形式。DNAT 是指修改数据包的目标地址(改变连接的目的IP)。DNAT 总是在数据包进入以后立即完成转换。端口转发、负载均衡和透明代理都属于DNAT。 

• 包处理 

　　利用包处理可以设置或改变数据包的服务类型(Type of Service, TOS)字段；改变包的生存期(Time to Live, TTL)字段；在包中设置标志值，利用该标志值可以进行带宽限制和分类查询。

3.IPtables

IPTables是基于Netfilter基本架构实现的一个可扩展的数据报高级管理系统，利用table、chain、rule三级来存储数据报的各种规则。系统预定义了三个table：

• filter：数据报过滤表（文件net/ipv4/netfilter/iptable_filter.c）

　　监听NF_IP_LOCAL_IN、NF_IP_FORWARD和NF_IP_LOCAL_OUT三个HOOK，作用是在所有数据报传递的关键点上对其进行过滤。

• nat：网络地址转换表

　　监听NF_IP_PRE_ROUTING、NF_IP_POST_ROUTING和NF_IP_LOCAL_OUT三个HOOK，作用是当新连接的第一个数据报经过时，在nat表中决定对其的转换操作；而后面的其它数据报都将根据第一个数据报的结果进行相同的转换处理。

• mangle：数据报修改表（位于net/ipv4/netfilter/iptable_mangle.c）

　　监听NF_IP_PRE_ROUTING和NF_IP_LOCAL_OUT两个HOOK，作用是修改数据报报头中的一些值。