Linux防火墙iptables之概念篇

  • 为什么要学Linux防火墙？当你所在公司，出于安全原因，想上防火墙，而各大云厂商云防火墙和硬件防火墙费用及其昂贵，出于成本考虑，此时Linux的防火墙就是最好的解决方案，如果有较高且复杂的防护需求时，也可以考虑上开源的WAF，如OpenResty、OpenWAF等，这里就不过多叙述了，可以自行谷歌了解。
  • Docker底层的网络转发是通过Linux内核模块netfilter/iptables完成工作的，以及流行编排工具Kubernetes的各个网络插件也是，如果对iptables的理解不够深入以及操作不熟练的话，那么在排查网络、路由问题的时候，必然会困难重重。所以学好netfilter/iptables，必将事半功倍。

netfilter/iptables是什么?

netfilter/iptables 是在Linux下工作的免费防火墙，完成拆包、过滤、封包、重定向、网络地址转换（NAT）等功能。相比各大厂商昂贵的硬件防火墙来比，它是当前最完善最稳定的防火墙解决方案。

Linux的iptables只是作为内核netfilter的代理，转储rule，真正完成安全防护功能的是位于内核空间中的netfilter模块。

iptables只是作为用户操作的一个记录、更新、删除rule的使用工具。

iptables中最核心的是 四表五链，所有rule动作都是基于 四表五链 操作内核模块netfilter完成工作的。

对于ubuntu的ufw，是基于iptables封装的一层及其友好的操作命令，会在第二篇 Linux防火墙iptables之Kubernetes篇 中，做延伸讲解。

为了更好的理解iptables原理与实践，引入Kubernetes作为演示案例，以图文形式循序渐进的来讲解iptables在Kubernetes中是怎样完成工作的。

此篇主要是通过图文形式讲解iptables的四表五链对应关系、工作过程以及相关名词，用于了解iptables的整体概念。

iptables 基础

我们都知道iptables是按照rule来工作的，rule其实就是操作人员预定义的条件，rule一般的定义为: "如果数据包符合条件，就对对应的数据进行操作"。rule存放在内核空间的信息包filter表中，这些规则包括了源地址、目标地址、源端口、目标端口、传输协议（如ICMP/UDP/TCP）与服务协议（HTTP/FTP/SSH）等。当数据包与rule匹配时，iptables会根据rule定义的条件来处理对应的数据包，比如accept/rejct/drop等操作，用于对防火墙rule的添加、修改、删除等。

如果仅仅通过上述就可以理解netfilter/iptables，那是基本不可能的，因为iptables的抽象层级还是非常高的，为了能很好的理解netfilter/iptables，我们简单的举个栗子来理解。

当客户端访问服务器的某个服务的时候，首先是客户端发送数据报文到网卡，而TCP/IP协议栈是属于内核的一部分，客户端的信息会通过内核的TCP协议传输给用户空间(用户态)的某服务进程，此时，客户端的数据报文到目标地址为服务所监听的套接字IP地址:端口上，服务响应客户端请求时，会发出响应数据报文的目标地址是客户端，也就是说目标地址转换成了源地址。上面已经提过，netfilter是防火墙的核心工作模块，工作在Linux内核中，想让防火墙达到防护的功能，就需要对内核中的netfilter配置对应的拦截rule，可以理解为检查站。所有进出的数据报文必须经过检查站，经过rule筛选后，放行符合rule的数据包，拦截拒绝rule的数据包，这里面就有了 input 和 output的概念 ，在iptables中的名词是链，也就是 四表五链中的五链之二，对于 四表五链，后面会详细的讲解。

上面的描述仅仅是逻辑的一种抽象表达，因为发起者也有可能不是客户端而是其他的服务器，当本机开启了ip_forward功能，就具备了路由转发功能，这个时候就会用到iptables 四表五链 中的 PREROUTING、FORWARD、POSTROUTING。

当开启了防火墙的时候，数据报文会经过以下的步骤完成，根据实际场景的改变，经过的链也会有所改变。

当数据报文不需要转发的时候，会进入input链到用户空间经过服务处理完成后，然后在由output链通过postrouting链返回目标地址。如果数据报文需要转发的时候，会直接在内核中通过forward链完成转发动作，经由output链直接将数据报文送向目标地址。

由上图可以看出来，四表五链中的五链完整的的工作过程。

  • 由当前主机转发数据报文: prerouting –> forward –> postrouting

  • 进入当前主机，到达用户空间的服务进程数据报文: prerouting –> input。

  • 由当前主机中的用户空间服务进程处理的数据报文: output –> postrouting

什么是链？

通过上述已经了解到，iptables是对经过的数据报文匹配rule，然后执行对应的操作，当数据报文经过检查站的时候，必须匹配当前检查站的rule，而每个检查站中存在的不是一个rule，而是由多个rule组成，当所有rule被应用执行的时候，就形成了链。每个链经过的数据报文都会以顺序匹配对应rule，对符合条件的做对应的操作，如下图所示。

什么是表？

通过上述已经了解到了什么是链，而且也了解到每个链是对n+1的rule做匹配与数据报文处理，那么我们现在想要实现另外一个功能，比如rule1是修改数据报文，rule2是对IP端口做开放或限制，这个时候，我们就用到了iptables中的表功能。iptables的表其实就是把不同功能的rule做了分类管理，而这个功能就是我们上面提到的四表五链中的四表，所有的规则都是由以下的四表归类管理。

filter 负责过滤功能。

模块: iptables_filter

nat 网络地址转换。

模块：iptable_nat

mangle 对数据报文拆解、修改、重新封装的功能；

模块: iptable_mangle

raw 关闭nat表上启用的连接追踪机制；

模块: iptable_raw

链与表的关系

首先要知道，某些链并不是万能的，它可能不具备你需要的功能，所以这个时候，必须要了解每个链上的rule与每个表的对应关系。

如下图，来看看filter表支持哪些链？

上图的意思其实就是说 filler表 所具备的功能可以被应用的链被限定为input foward output。

综上所述，我们可以总结一下表链之间的关系：

Filter 可以被应用的链为 INPUT、FORWARD、OUTPUT。

Nat 可以被应用的链为OUTPUT、PREROUTING、POSTROUTING

Mangle 可以被用应用在所有链：INPUT、FORWARD、OUTPUT、PREROUTING、POSTROUTING。

Raw 可以被应用的链为OUTPUT、PREROUTING

如下图：

为了更好的理解，换个思路在理解一下对应关系，哪些链的rule可以被哪些表调用？

INPUT 可以调用的表：mangle、filter

OUTPUT 可以调用的表：raw、mangle、nat、filter

PREROUTING 可以调用的表：raw、mangle、nat

FORWARD 可以调用的表：mangle、filter。

POSTROUTING 可以调用的表：mangle、nat

如下图：

另外需要注意的是，数据报文经过链的时候，会顺序匹配所有rule，那么这里就会涉及到优先级的问题，哪些表的rule会先于链被执行？到底谁先被执行？

请看下图：

如上所述，PREROUTING链可以被调用的是这三张表，其优先级是 raw --> mangle --> nat。

但是我们知道iptables的表是四张，当他们同时被应用在一个链的时候，优先级如下图：

但是，如上述所言，某些链的rule不能被应用到某些表，所以，你要知道，当前能被四表调用的链只有OUTPUT链。

为了便于管理，可以在表中自定义链，把自己需要的rule放在这个自定义链中，但是要注意的是，这个链不能被表直接调用，而是在某个默认链将这个链引用，也就是在五链之一中的某个链中配置成动作才会生效。

iptables工作流程

下图是数据包通过iptables的流程：

上图描述的工作流程：

根据路由匹配发送给服务进程的数据包

  1. 数据包由客户端发送到网卡，然后由网卡传入内核态中的prerouting链，在raw、mangle、nat表 由上到下的顺序对rule进行匹配，对数据包处理完成后，经过路由判断，确定发送目标地址为本机的服务进程，进入input链，在mangle、nat、filter表 由上到下的顺序对rule进行匹配，然后对数据包进行处理后，交由用户空间的服务进程对数据包进行处理。
  2. 当数据包在用户空间的服务进程处理完成后，由本机作为源地址根据路由判断将数据包经由output链对raw、mangle、nat、filter由上到下的顺序对rule进行匹配，对数据包进行处理，送由postrouting链，在mangle、nat表由上到下的顺序对rule进行匹配，根据匹配rule对数据包进行最后的封装处理，离开内核空间，经由网卡，返回给客户端。

根据路由匹配发送给其他服务器的数据包

  1. 数据包由客户端发送到网卡，然后传入内核态中的prerouting链，在raw、mangle、nat表 由上到下的顺序对rule进行匹配，对数据包处理完成后，经过路由判断，如果不是发送本机的服务进程的数据包，则由forward链，在mangle、filter链由上到下的顺序对rule进行匹配，对数据包进行处理。
  2. 当forwanrd链对数据包处理完成后，送由postrouting链，在mangle、nat表由上到下的顺序rule匹配，对数据包进行最后封装处理，离开内核空间，经由网卡，发送给其他服务器。

当把上述图以及流程理解透彻了，这个时候，你对iptables的工作流程已经完全掌握了，在后续的实践操作中可以灵活的应用各种rule了。

什么是rule？

在上述中四表五链中提的rule的时候，都是简单的一带而过，现在我们来详细的说下什么是rule，rule其实就是根据既定条件匹配每个链经过的数据报文，当匹配到对应的rule以后，则由匹配的rule配置好的相关动作来处理对应的操作。

其实简单来讲，就如上诉所言iptables每条链都是一个检查站，每个通过检查站的数据报文都要在此处经过rule规则处理一遍，如果匹配，则对数据报文进行对应的操作。比如：此时rule配置中对80端口开放了通行规则，而没有对443开放，这个时候俩个带有标记的数据报文在进入检查站的时候，80会匹配对应的规则而被放行，进入到目标地址，经过数据的拆包、封装等处理之后返回给客户端。而443不在放行规则内，则会被丢弃。这里的80、443是rule当中的一种条件，而放行、拒绝则是rule匹配之后对应的动作，也就是说，条件+动作组成了相应的规则。

匹配条件

匹配条件分为基本匹配条件与扩展匹配条件。

  1. 基本匹配条件

    源地址 Source IP

    目标地址 Destination IP

  2. 扩展匹配条件：

    除了基本匹配条件之外，还有名词为扩展匹配条件，这些属于netfilter中的一部分，只是以模块形式存在，如果想使用对应的扩展匹配条件，需要依赖对应的扩展模块。

    源地址 Source IP:Port

    目标地址 Destination IP:Port

处理动作

处理动作在iptables中名词为target，动作分为基本动作和扩展动作。

ACCEPT 允许数据包通过。

DROP 直接丢弃数据包，不返回任何回应信息，只对超时时间才有回应信息。

REJECT 拒绝数据包通过，必要时会给数据发送端一个响应的信息，客户端刚请求就会收到拒绝的信息。

SNAT 对源地址做出转换，用于内网用户用同一个公网地址上网。

MASQUERADE 是SNAT的一种特殊形式，适用于动态的IP上。

DNAT 目标地址转换。

REDIRECT 在本机端口转发、映射。

LOG 只是记录对应的数据包传递过程的日志，不对数据报文做任何动作，用于审计与DEBUG。

  • 本文对iptables中四表五链的对应关系、工作流程通过图文的形式做了详细讲解，也对相关名词做了简要的描述，读完的同学，对iptables的概念基本了解清楚了，下一篇 Linux防火墙iptables之Kubernetes篇 中，会引入Kubernetes作为案例使大家对iptables有更为详细深入的理解。
  • 本文提及到内核态到用户态进程之间切换涉及到的知识点，并没有深入讲解，后面会单独出一个对内核以图文方式由浅入深讲解的文章，敬请期待。

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posted @ 2021-10-25 09:37  青牛踏雪  阅读(273)  评论(0)  编辑  收藏  举报