netfilter 和 Linux 防火墙介绍
Linux 的防火墙技术经历了若干代的沿革,一步步的发展而来。最开始的 ipfwadm 是 Alan Cox 在 Linux kernel 发展的初期,从 FreeBSD 的内核代码中移植过来的。后来经历了 ipchains,再经由 Paul Russell 在 Linux kernel 2.3 系列的开发过程中发展了 netfilter 这个架构。而用户空间的防火墙管理工具,也相应的发展为 iptables。netfilter/iptables 这个组合目前相当的令人满意。在经历了 Linux kernel 2.4 和 2.5 的发展以后,的确可以说,netfilter/iptables 经受住了大量用户广泛使用的考验。
本文并不打算介绍 Linux 防火墙在用户空间的管理程序 iptables 的使用。至于如何利用 netfilter/iptables 机制搭建一个可靠的 Internet 防火墙,这也不是本文感兴趣的话题。关于 iptables 的使用,读者朋友们可以参考 man iptables 的手册,也可以参考 netfilter 的核心开发者 Paul Russell 写的 Packet Filtering HOW-TO 和 NAT HOW-TO。相关的链接,请参见文后所列的参考资料目录。读者朋友们在阅读本文之前,最好能够对 iptables 的使用有一定的了解。
首先我们来了解一下Netfilter的框架:
Netfilter提供了一个抽象、通用化的框架,该框架定义的一个子功能的实现就是包过滤子系统。Netfilter框架包含以下五部分:
1. 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几个关键点被调用。在这几个点中,协议栈将把数据报及钩子函数标号作为参数调用netfilter框架。
2. 内核的任何模块可以对每种协议的一个或多个钩子进行注册,实现挂接,这样当某个数据包被传递给netfilter框架时,内核能检测是否有任何模块对该协议和钩子函数进行了注册。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(可能还会修改)该数据包、丢弃该数据包及指示netfilter将该数据包传入用户空间的队列。
3 .那些排队的数据包是被传递给用户空间的异步地进行处理。一个用户进程能检查数据包,修改数据包,甚至可以重新将该数据包通过离开内核的同一个钩子函数中注入到内核中。
4. 任何在ip层要被抛弃的ip数据包在真正抛弃之前都要进行检查。例如允许模块检查ip-spoofed包(被路由抛弃)。
5.IP层的五个HOOK点的位置如下所示 :
1. NF_IP_PRE_ROUTING:刚刚进入网络层的数据包通过此点(刚刚进行完版本号,校验 和等检测), 源地址转换在此点进行;ip_input.c中IP_rcv调用。
2. NF_IP_LOCAL_IN:经路由查找后,送往本机的通过此检查点,INPUT包过滤在此点进行;ip_local_deliver中调用
3. NF_IP_FORWARD:要转发的包通过此检测点,FORWORD包过滤在此点进行;
4. NF_IP_POST_ROUTING:所有马上便要通过网络设备出去的包通过此检测点,内置的目的地址转换功能(包括地址伪装)在此点进行;
5. NF_IP_LOCAL_OUT:本机进程发出的包通过此检测点,OUTPUT包过滤在此点进行。
这些点是已经在内核中定义好的,内核模块能够注册在这些HOOK点进行的处理,可使用nf_register_hook函数指定。在数据报经过这些钩子函数时被调用,从而模块可以修改这些数据报,并向netfilter返回如下值:
NF_ACCEPT 继续正常传输数据报
NF_DROP 丢弃该数据报,不再传输
NF_STOLEN 模块接管该数据报,不要继续传输该数据报
NF_QUEUE 对该数据报进行排队(通常用于将数据报给用户空间的进程进行处理)
NF_REPEAT 再次调用该钩子函数
一个基于Netfilter框架的、称为iptables的数据报选择系统在Linux2.4内核中被应用,其实它就是ipchains的后继工具,但却有更强的可扩展性。内核模块可以注册一个新的规则表(table),并要求数据报流经指定的规则表。这种数据报选择用于实现数据报过滤(filter表),网络地址转换(Nat表)及数据报处理(mangle表)。 Linux2.4内核提供的这三种数据报处理功能都基于netfilter的钩子函数和IP表。它们是独立的模块,相互之间是独立的。它们都完美的集成到由Netfileter提供的框架中。
包过滤
filter表格不会对数据报进行修改,而只对数据报进行过滤。iptables优于ipchains的一个方面就是它更为小巧和快速。它是通过钩子函数NF_IP_LOCAL_IN, NF_IP_FORWARD及NF_IP_LOCAL_OUT接入netfilter框架的。因此对于任何一个数 据报只有一个地方对其进行过滤。这相对ipchains来说是一个巨大的改进,因为在ipchains中一个被转发的数据报会遍历三条链。
NAT
NAT表格监听三个Netfilter钩子函数:NF_IP_PRE_ROUTING、NF_IP_POST_ROUTING及NF_IP_LOCAL_OUT。 NF_IP_PRE_ROUTING实现对需要转发的数据报的源地址进行地址转换而NF_IP_POST_ROUTING则对需要转发的数据包的目的地址进行地址转换。对于本地数据报的目的地址的转换则由NF_IP_LOCAL_OUT来实现。NAT表格不同于filter表格,因为只有新连接的第一个数据报将遍历表格,而随后的数据报将根据第一个数据报的结果进行同样的转换处理。NAT表格被用在源NAT,目的NAT,伪装(其是源NAT的一个特例)及透明代理(其是目的NAT的一个特例)。
数据报处理(Packet mangling)
mangle表格在NF_IP_PRE_ROUTING和NF_IP_LOCAL_OUT钩子中进行注册。使用 mangle表,可以实现对数据报的修改或给数据报附上一些带外数据。当前mangle表支持修改TOS位及设置skb的nfmard字段。
如果我们想在Netfilter加入自己的代码,要通过nf_register_hook函数,其原型为:
int nf_register_hook(struct nf_hook_ops *reg)
struct nf_hook_ops
{
struct list_head list;
/* User fills in from here down。 */
nf_hookfn hook; /* 函数指针 */
int pf; /* 结构对应的协议栈号*/
int hooknum; /* 结构对应的检查点号*/
/* Hooks are ordered in ascending priority。 */
int priority;
};
首先生成一个struct nf_hook_ops结构的实例,用nf_register_hook将其HOOK上。其中list项我们应该初始化为{NULL,NULL};由于一般在IP层工作,所以pf总是PF_INET;hooknum就是我们选择的HOOK点;一个HOOK点可能挂多个处理函数,谁先谁后,便要看优先级,即priority的指定了。netfilter_ipv4.h中用一个枚举类型指定了内置的处理函数的优先级:
enum nf_ip_hook_priorities
{
NF_IP_PRI_FIRST = INT_MIN,
NF_IP_PRI_CONNTRACK = -200,
NF_IP_PRI_MANGLE = -150,
NF_IP_PRI_NAT_DST = -100,
NF_IP_PRI_FILTER = 0,
NF_IP_PRI_NAT_SRC = 100,
NF_IP_PRI_LAST = INT_MAX,
};
hook是提供的处理函数,原型为
unsigned int nf_hookfn(
unsigned int hooknum,
struct sk_buff **skb,
const struct net_device *in,
const struct net_device *out,
int (*okfn)(struct sk_buff *));
它的五个参数将由NFHOOK宏传进去。nf_register_hook根据reg中注册的协议簇类型和优先级在nf_hooks中找到相应的位置并插入到此表中。struct list_head nf_hooks[NPROTO][NF_MAX_HOOKS]在netfilter初始化时(netfilter_init/netfilter.c,而它在sock_init时调用)已经初始为一个空表。
具体可以参考下面的简单实例
#define __KERNEL__
#define MODULE
#include <linux/module.h>;
#include <linux/kernel.h>;
#include <linux/netfilter.h>;
#include <linux/netfilter_ipv4.h>;
/* 用于注册我们的函数的数据结构 */
static struct nf_hook_ops nfho;
/* 注册的hook函数的实现 */
unsigned int hook_func(
unsigned int hooknum,
struct sk_buff **skb,
const struct net_device *in,
const struct net_device *out,
int (*okfn)(struct sk_buff *))
{
return NF_DROP; /* 丢弃所有的数据包 */
}
/* 初始化程序 */
int init_module()
{
/* 填充我们的hook数据结构 */
nfho.hook = hook_func; /* 处理函数 */
nfho.hooknum = NF_IP_PRE_ROUTING; /* 使用IPv4的第一个hook */
nfho.pf = PF_INET;
nfho.priority = NF_IP_PRI_FIRST; /* 让我们的函数首先执行 */
nf_register_hook(&nfho);
return 0;
}
/* 清除程序 */
void cleanup_module()
{
nf_unregister_hook(&nfho);
}
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