Linux Netfilter框架分析

目录

• Netfilter框架
  • Netfilter的5个hook点
  • netfilter协议栈数据流分析
• 连接跟踪conntrack
  • conntrack连接跟踪表条目
  • 连接跟踪表大小
  • 管理连接跟踪表
• iptables
  • iptables table
  • iptables chain
  • table和chain的关系
  • iptables状态匹配
• 参考

Netfilter框架

netfilter是Linux底层包处理框架，在协议栈中提供了若干hook点，可以用于对数据包进行过滤、修改、地址转换（SNAT/DNAT）等处理。

Netfilter的5个hook点

netfilter在内核协议栈的不同位置实现了5个hook点：

---> PRE_ROUTING ---> [Routing Decision] ---> FORWARD ---> [Routing Decision] ---> POST_ROUTING --->
                                  |                                   ^
                                  |                                   |
                                  v                                   |
                                 LOCAL_IN                        LOCAL_OUT
                                  |                                   ^
                                  |                                   |
                                  v                                   |
                                             LOCAL PROCESS

• NF_IP_PRE_ROUTING：数据包一进入协议栈即触发，在进行任何路由判断之前
• NF_IP_LOCAL_IN：经过路由判断，如果数据包目的是本机，将触发该hook
• NF_IP_FORWARD：经过路由判断，如果数据包目的是其他主机，将触发该hook转发
• NF_IP_LOCAL_OUT：本机准备发送的数据包，在进入协议栈后触发该hook
• NF_IP_POST_ROUTING：准备发出去的包或转发的包，经过路由判断后，离开网卡前的最后一个hook点

// include/uapi/linux/netfilter_ipv4.h

/* IP Hooks */
/* After promisc drops, checksum checks. */
#define NF_IP_PRE_ROUTING	0
/* If the packet is destined for this box. */
#define NF_IP_LOCAL_IN		1
/* If the packet is destined for another interface. */
#define NF_IP_FORWARD		2
/* Packets coming from a local process. */
#define NF_IP_LOCAL_OUT		3
/* Packets about to hit the wire. */
#define NF_IP_POST_ROUTING	4
#define NF_IP_NUMHOOKS		5

ip_tables等内核模块可以通过向这5个hook点注册处理函数（handler），当数据包经过hook点时，调用回调函数handler对数据包进行处理。

netfilter协议栈数据流分析

Wikipedia上关于netfilter在协议栈中的架构图

连接跟踪conntrack

• conntrack是netfilter实现的连接跟踪机制，是NAT和iptables状态匹配（-m state）的基础，conntrack依赖的内核模块为nf_conntrack。
• conntrack在内核中的位置有两处：PREROUTING和OUTPUT之前，进入主机的所有数据包会通过PREROUTING处的conntrack，主机本地进程产生的数据包对外发出时会通过OUTPUT处的conntrack。从netfilter协议栈架构图可以看出，conntrack所处的位置非常靠前，仅位于raw表之后，如果raw将数据包标记为NOTRACK，则conntrack不会跟踪该数据包连接。
• conntrack通过连接跟踪表来维护所有的连接信息，当有数据包通过conntrack时，通过判断该连接为一条新建的连接，还是已有连接的响应信息，对于新建连接在跟踪表中新建一条连接条目，对于已有连接信息则更新跟踪表中对于连接的状态。

conntrack连接跟踪表条目

数据包经过conntrack时，conntrack会提取相关信息来唯一标识一条连接，对于TCP/UDP协议，一条连接信息通过源IP、源端口、目的IP、目的端口确定，对于ICMP协议，由type、code、id字段确定。
在用户态可以使用命令conntrack -L来查看系统上的连接跟踪表：

ipv4     2 tcp      6 33 SYN_SENT src=172.16.200.119 dst=172.16.202.12 sport=54786 dport=10051 [UNREPLIED] src=172.16.202.12 dst=172.16.200.119 sport=10051 dport=54786 mark=0 zone=0 use=2

如上是一条conntrack条目，它代表当前已跟踪到的某个连接，conntrack维护的所有信息都包含在这个条目中，通过它就可以知道某个连接处于什么状态

• 此连接使用ipv4协议，是一条tcp连接(tcp的协议类型代码是6)
• 33是这条conntrack条目在当前时间点的生存时间(每个conntrack条目都会有生存时间，从设置值开始倒计时，倒计时完后此条目将被清除)，可以使用sysctl -a |grep conntrack | grep timeout查看不同协议不同状态下生存时间设置值，当然这些设置值都可以调整，注意若后续有收到属于此连接的数据包，则此生存时间将被重置(重新从设置值开始倒计时)，并且状态改变，生存时间设置值也会响应改为新状态的值
• SYN_SENT是到此刻为止conntrack跟踪到的这个连接的状态(内核角度)，SYN_SENT表示这个连接只在一个方向发送了一初始TCP SYN包，还未看到响应的SYN+ACK包(只有tcp才会有这个字段)。
• src=172.16.200.119 dst=172.16.202.12 sport=54786 dport=10051是从数据包中提取的此连接的源目地址、源目端口，是conntrack首次看到此数据包时候的信息。
• [UNREPLIED]说明此刻为止这个连接还没有收到任何响应，当一个连接已收到响应时，[UNREPLIED]标志就会被移除
• 接下来的src=172.16.202.12 dst=172.16.200.119 sport=10051 dport=54786地址和端口和前面是相反的，这部分不是数据包中带有的信息，是conntrack填充的信息，代表conntrack希望收到的响应包信息。意思是若后续conntrack跟踪到某个数据包信息与此部分匹配，则此数据包就是此连接的响应数据包。注意这部分确定了conntrack如何判断响应包(tcp/udp)，icmp是依据另外几个字段

连接跟踪表大小

连接跟踪表能够存放的conntrack条目的最大值，即系统运行的最大连接跟踪数记作CONNTRACK_MAX
在内核中，连接跟踪表示一个二维数组结构的哈希表，哈希表的大小记作HASHSIZE，哈希表的每一项称为bucket，因此哈希表中有HASHSIZE个bucket，每个bucket包含一个链表，每个链表能够存放若干个conntrack条目（bucket size）。

因此，系统允许的最大连接跟踪数为：
CONNTRACK_MAX = HASHSIZE * bucket size

#查看系统当前最大连接跟踪数CONNTRACK_MAX
sysctl -a | grep net.netfilter.nf_conntrack_max
#net.netfilter.nf_conntrack_max = 3203072

#查看当前连接跟踪表大小HASHSIZE
sysctl -a | grep net.netfilter.nf_conntrack_buckets
#400384
#或者这样
cat /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize
#400384 

这两个的比值即为bucket size

对于新收到的数据包，内核使用如下步骤判断该数据包是否属于已有连接：

• 内核提取此数据包信息（源IP、源端口、目的IP、目的端口、协议号）进行hash计算得到hash值，在哈希表中以此hash值做索引进行查找，查找结果即为该数据包所属的bucket。这一步计算时间很短
• 遍历对应的bucket，查找是否能匹配到conntrack条目。bucket size越大，遍历时间越长

管理连接跟踪表

在用户态，使用工具conntrack实现对连接跟踪表的增删改查操作

#查看连接跟踪表所有条目  
conntrack -L
#清除连接跟踪表
conntrack -F
#删除连接跟踪表中所有源地址是1.2.3.4的条目
conntrack -D -s 1.2.3.4

iptables

iptables是Linux系统上的主机防火墙，依赖于netfilter框架实现，在内核态通过ip_tables内核模块与netfilter交互。
iptables由table和chain组成，以前是四表五链，新增后已经不止四表了。可以说table是chain的集合，chain是iptables规则的集合。

iptables table

iptables规则通过table来组织，根据需要做的操作分为Filter Table、NAT Table、Mangle Table、Raw Table、Security Table等。

• Filter Table：过滤功能，判断一个数据包是否应该放行
• NAT Table：地址转换
• Mangle Table：修改包的IP头，如TTL、服务类型
• Raw Table：决定数据包是否被连接跟踪机制处理，对于不需要跟踪的数据包可以打上NOTRACK标签
• Security Table：标记SELinux

iptables chain

在每个table内，规则进一步组织成chain，5个chain与netfilter的5个hook点一一对应：

• PREROUTING: 由NF_IP_PRE_ROUTING 触发
• INPUT: 由NF_IP_LOCAL_IN 触发
• FORWARD: 由NF_IP_FORWARD 触发
• OUTPUT: 由NF_IP_LOCAL_OUT 触发
• POSTROUTING: 由NF_IP_POST_ROUTING 触发

chain的优先级：

• 收到的目的为本机的包：PREROUTING->INPUT
• 收到的目标为其他主机的包：PREROUTING->FORWARD->POSTROUTING
• 本机产生准备发出的包：OUTPUT->POSTROUTING

table和chain的关系

以上说明了iptables有哪些table和哪些chain，接下来讨论两个问题：

1. 每个table里面都有哪些chain
   下面表格展示了table和chain的关系，横向是table，纵向是chain，标记Y的表示table里有这个chain，例如让raw表中有PREROUTING和OUTPUT两个chain。
2. 注册到同一个hook的不同chain执行的优先级问题，例如3个table中都有PREROUTING这条chain，应该按照怎样的顺序调用他们？
   对应到列从上往下，就是hook点触发时chain的调用顺序。当一个包触发netfilter hook点时，处理过程将沿着列从上向下执行

table/chain	PREROUTING	INPUT	FORWARD	OUTPUT	POSTROUTING
[routing decision]				Y
raw	Y			Y
连接跟踪	Y			Y
mangle	Y	Y	Y	Y	Y
nat(DNAT)	Y			Y
[routing decision]	Y			Y
filter		Y	Y	Y
security		Y	Y	Y
nat(SNAT)		Y			Y

iptables状态匹配

conntrack可以跟踪数据包的状态，iptables使用-m state进行状态匹配正是使用了conntrack连接跟踪表中标记的状态。
数据包内核态状态比较多，映射到用户空间有5种状态：

• NEW：新到达的包为合法包并且在连接跟踪表中关联不到，则为这个包创建一条新连接条目
• ESTABLISHED：接收到的包为已有连接的响应包，则将NEW状态改为ESTABLISHED状态。对于TCP连接来说，就是跟SYN包对应的SYN/ACK包，对于UDP、ICMP来说就是与源相反的包
• RELATED：接收到的包不属于已有连接，但是和已有连接存在一定的关系，称为辅助连接，例如 FTP 数据传输连接，或者是其他协议试图建立连接时的 ICMP 应答包
• INVALID：包无法识别等原因，标记为非法
• UNTRACKED：raw表中标记为NOTRACK

参考

https://opengers.github.io/openstack/openstack-base-netfilter-framework-overview/#conntrack条目
http://arthurchiao.art/blog/conntrack-design-and-implementation-zh/#5-个-hook-点
https://arthurchiao.art/blog/deep-dive-into-iptables-and-netfilter-arch-zh/#chain-遍历优先级

eBPF开发：
https://duo.com/labs/tech-notes/writing-an-xdp-network-filter-with-ebpf
https://github.com/cloudflare/cloudflare-blog/blob/master/2018-07-dropping-packets/xdp-drop-ebpf.c
https://gist.github.com/fntlnz/f6638d59e0e39f0993219684d9bf57d3
https://davidlovezoe.club/wordpress/archives/937