Linux内核下包过滤框架——iptables&netfilter

iptables & netfilter

1、简介

netfilter/iptables（下文中简称为iptables）组成Linux内核下的包过滤防火墙，完成封包过滤、封包重定向和网络地址转换（NAT）等功能。

iptabels其实不是真正的防火墙,netfilter才是防火墙真正的安全框架（framework），netfilter位于内核空间。iptables其实是一个命令行工具，位于用户空间，我们用这个工具操作真正的框架。

Netfilter是Linux操作系统核心层内部的一个数据包处理模块，它具有如下功能：

网络地址转换(Network Address Translate)
数据包内容修改
数据包过滤的防火墙功能

2、iptables基础

iptatble是按规则来办事的，当数据包与规则匹配时，iptables就根据规则所定义的方法来处理这些数据包，如放行（accept）、拒绝（reject）和丢弃（drop）等。配置防火墙的主要工作就是添加、修改和删除这些规则。

netfilter才是真正的防火墙，它是内核的一部分，所以，如果我们想要防火墙能够达到”防火”的目的，则需要在内核中设置关卡，所有进出的报文都要通过这些关卡，经过检查后，符合放行条件的才能放行，符合阻拦条件的则需要被阻止，于是，就出现了input关卡和output关卡，而这些关卡在iptables中不被称为”关卡”,而被称为”链”。

iptatbles中不仅有input、output关卡，还有prerouting、forward、postrouting，当我们启用了防火墙功能时，报文需要经过如下关卡，也就是说，根据实际情况的不同，报文经过”链”可能不同。如果报文需要转发，那么报文则不会经过input链发往用户空间，而是直接在内核空间中经过forward链和postrouting链转发出去的。

2.1、链

防火墙的作用就在于对经过的报文匹配”规则”，然后执行对应的”动作”,所以，当报文经过这些关卡的时候，则必须匹配这个关卡上的规则，但是，这个关卡上可能不止有一条规则，而是有很多条规则，当我们把这些规则串到一个链条上的时候，就形成了”链”。

这样来说，把他们称为”链”更为合适，每个经过这个”关卡”的报文，都要将这条”链”上的所有规则匹配一遍，如果有符合条件的规则，则执行规则对应的动作。

2.2、表

具有相同功能规则的集合叫做“表”，iptables定义来4种表，每种表对应了不同的功能，即我们定义的规则都逃脱不了这4种功能的范围。

filter表：过滤功能，防火墙；内核模块：iptable_filter
nat表：网络地址转换功能；内核模块：iptable_nat
mangle表：拆解报文，修改，并重新封装功能；内核模块：iptable_mangle
raw表：关闭nat表上启用的连接追踪机制；内核模块：iptatble_raw

需要注意的是，某些“链”注定不会包含“某类规则”，表链的对应关系如下：

iptables 表和链的对应关系- 御用闲人- 博客园

综合上面描述，数据包经过防火墙的流程总结为下：

如果想要linux主机支持转发，则需要开启内核的IP_FORWARD功能，可以临时修改对应文件/proc/sys/net/ipv4/ip_forward。

在写Iptables规则的时候，要时刻牢记这张路由次序图，灵活配置规则。

2.3、规则

根据指定的匹配条件来尝试匹配每个流经此处的报文，一旦匹配成功，则由规则后面指定的处理动作进行处理。

匹配条件分为

基本匹配条件：源IP、目的IP等

扩展匹配条件：源端口、目的端口等

处理动作（在iptatbles中被称为target）：

ACCEPT：允许数据包通过
DROP：丢弃数据包，不给任何回应信息
REJECT：拒绝数据包通过，必要时发送一个响应信息
SNAT：源地址转换，解决内网用户用同一个公网地址上网的问题
MASOUERADE：SNAT的一种特殊形式，适用于动态的、临时会变的ip上
DNAT：目的地址转换
REDIRECT：在本机做端口映射
LOG：在/var/log/messages文件中记录日志信息，然后将数据包传递给下一条规则。

3、使用

3.1、规则查询

#查看对应表所有规则,省略表名默认为filter表
iptables -t 表名 -L

#指定链的规则,-v：详细信息 -n：直接显示IP地址 --line-numbers：显示规则序号 -x：显示计数器的精确值 
iptables --line-numbers -t 表名 -nvxL 链名

3.2、规则管理

添加规则

命令语法：iptables -t 表名 -A 链名 匹配条件 -j 动作
示例：iptables -t filter -A INPUT -s 192.168.1.146 -j DROP

-I：在对应链开头添加规则
-A：在末尾添加规则


规则是按照顺序执行的,添加时候可以指定规则序号,这样就可以在任意位置插入规则了.

命令语法：iptables -t 表名 -I 链名 规则序号 匹配条件 -j 动作
示例：iptables -t filter -I INPUT 5 -s 192.168.1.146 -j REJECT

---设置默认动作---
命令语法：iptables -t 表名 -P 链名 动作
示例：iptables -t filter -P FORWARD ACCEPT

删除规则

命令语法：iptables -t 表名 -D 链名 规则序号
示例：iptables -t filter -D INPUT 3

---按照具体匹配条件与动作删除规则--
命令语法：iptables -t 表名 -D 链名 匹配条件 -j 动作
示例：iptables -t filter -D INPUT -s 192.168.1.146 -j DROP
-F：清空对应链的规则，如果省略链名表示删除表中所有规则

修改规则

---规则原本的匹配条件不可省略!如果省略,源地址会变成0.0.0.0/0,此时如果是拒绝动作,那么ssh就断掉了---
命令语法：iptables -t 表名 -R 链名 规则序号 规则原本的匹配条件 -j 动作
示例：iptables -t filter -R INPUT 3 -s 192.168.1.146 -j ACCEPT

保存规则

---保存在/etc/sysconfig/iptables文件中
service iptables save 或
iptables-save > /etc/sysconfig/iptables

---从文件中重新载入规则
iptatbles-restore < /etc/sysconfig/iptables

3.3、基本匹配条件

当规则中同时存在多个匹配条件时,多个条件之间默认存在“与”的关系.

-s: 指定源ip,多个ip用逗号隔开,也可以指定一个网段

iptables -t filter -I INPUT -s 192.168.1.111,192.168.1.118 -j DROP
iptables -t filter -I INPUT -s 192.168.1.0/24 -j ACCEPT
iptables -t filter -I INPUT ! -s 192.168.1.0/24 -j ACCEPT

-d: 匹配目标地址,用法和-s一样
-p: 匹配报文协议类型,可以匹配的协议类型tcp、udp、udplite、icmp、esp、ah、sctp等
-i: 匹配报文从哪个网卡接口流入本机,由于匹配条件只是用于匹配报文流入的网卡，所以在OUTPUT链与POSTROUTING链中不能使用此选项
-o: 匹配报文从哪个网卡接口流出本机

3.3、扩展匹配条件

tcp扩展模块

常用的扩展匹配条件如下：

-p tcp -m tcp –-sport 用于匹配tcp协议报文的源端口，可以使用冒号指定一个连续的端口范围

-p tcp -m tcp –-dport 用于匹配tcp协议报文的目标端口，可以使用冒号指定一个连续的端口范围

--tc-flages 用于匹配tcp头部字段标志位,第一部分为需要匹配哪些标志位,第二部分为哪些标志位为1
```
iptables -t filter -I INPUT -p tcp -m tcp --dport 22 --tcp-flags SYN,ACK,FIN,RST,URG,PSH SYN -j REJECT
iptables -t filter -I INPUT -p tcp -m tcp --dport 22 --tcp-flags SYN,ACK,FIN,RST,URG,PSH SYN -j REJECT
```
--syn 相当于使用”–tcp-flags SYN,RST,ACK,FIN SYN
udp模块

当使用扩展匹配条件时，如果未指定扩展模块，iptables会默认调用与”-p”对应的协议名称相同的模块，所以，当使用”-p udp”时，可以省略”-m udp”.udp只有sport和dport两个匹配条件
mutiport扩展模块

常用的扩展匹配条件如下：

-p tcp -m multiport –-sports 用于匹配报文的源端口，可以指定离散的多个端口号,端口之间用”逗号”隔开

-p udp -m multiport –-dports 用于匹配报文的目标端口，可以指定离散的多个端口号，端口之间用”逗号”隔开
iprange模块

包含的扩展匹配条件如下

-m iprange –-src-range：指定连续的源地址范围,用-指定一个连续的范围

-m iprange -–dst-range：指定连续的目标地址范围
string模块

使用string扩展模块，可以指定要匹配的字符串，如果报文中包含对应的字符串，则符合匹配条件,常用扩展匹配条件如下

–-algo：指定对应的匹配算法，可用算法为bm、kmp，此选项为必需选项。

–-string：指定需要匹配的字符串

time模块

常用扩展匹配条件如下

–-timestart：用于指定时间范围的开始时间，不可取反

–-timestop：用于指定时间范围的结束时间，不可取反

–-weekdays：用于指定”星期几”，可取反

–-monthdays：用于指定”几号”，可取反

–-datestart：用于指定日期范围的开始日期，不可取反

–-datestop：用于指定日期范围的结束时间，不可取反

iptables -t filter -I OUTPUT -p tcp --dport 80 -m time --timestart 09:00:00 --timestop 19:00:00 -j REJECT
iptables -t filter -I OUTPUT -p tcp --dport 80  -m time --weekdays 6,7 -j REJECT
iptables -t filter -I OUTPUT -p tcp --dport 80  -m time --monthdays 22,23 -j REJECT
iptables -t filter -I OUTPUT -p tcp --dport 80  -m time --weekdays 5 --monthdays 22,23,24,25,26,27,28 -j REJECT
iptables -t filter -I OUTPUT -p tcp --dport 80  -m time --datestart 2017-12-24 --datestop 2017-12-27 -j REJECT

connlimit模块

使用connlimit扩展模块，可以限制每个IP地址同时链接到server端的链接数量，注意：我们不用指定IP，其默认就是针对”每个客户端IP”，即对单IP的并发连接数限制

–-connlimit-above：单独使用此选项时，表示限制每个IP的链接数量。

–-connlimit-mask：此选项不能单独使用，在使用–connlimit-above选项时，配合此选项，则可以针对”某类IP段内的一定数量的IP”进行连接数量的限制
```
iptables -I INPUT -p tcp --dport 22 -m connlimit --connlimit-above 2 -j REJECT
```
limit模块

如果我想要限制单位时间内流入的包的数量，就能用limit模块,我们可以以秒为单位进行限制，也可以以分钟、小时、天作为单位进行限制

常用的扩展匹配条件如下

–-limit-burst：类比”令牌桶”算法，此选项用于指定令牌桶中令牌的最大数量

–-limit：类比”令牌桶”算法，此选项用于指定令牌桶中生成新令牌的频率，可用时间单位有second、minute 、hour、day。
```
iptables -t filter -I INPUT -p icmp -m limit --limit-burst 3 --limit 10/minute -j ACCEPT
```
icmp模块

–-icmp-type：匹配icmp报文的具体类型,可以使用type/code和description两种方式表示
state模块

问题: 怎样判断这些报文是为了回应我们之前发出的报文，还是主动向我们发送的报文呢？

state模块可以让iptables实现”连接追踪”机制,”连接”其中的报文可以分为5种状态，报文状态可以为NEW、ESTABLISHED、RELATED、INVALID、UNTRACKED.

--state

3.4、黑白名单机制

前文中一直在强调一个概念：报文在经过iptables的链时，会匹配链中的规则，遇到匹配的规则时，就执行对应的动作，如果链中的规则都无法匹配到当前报文，则使用链的默认策略（默认动作），链的默认策略通常设置为ACCEPT或者DROP。

所以，当链的默认策略为ACCEPT时，链中的规则对应的动作应该为DROP或者REJECT，表示只有匹配到规则的报文才会被拒绝，没有被规则匹配到的报文都会被默认接受，这就是”黑名单”机制。

同理，当链的默认策略为DROP时，链中的规则对应的动作应该为ACCEPT，表示只有匹配到规则的报文才会被放行，没有被规则匹配到的报文都会被默认拒绝，这就是”白名单”机制。

在对应的链中没有设置任何规则时，这样使用默认策略为DROP是非常不明智的，因为管理员也会把自己拒之门外，即使对应的链中存在放行规则，当我们不小心使用”iptables -F”清空规则时，放行规则被删除，则所有数据包都无法进入，这个时候就相当于给管理员挖了个坑，所以，我们如果想要使用”白名单”的机制，最好将链的默认策略保持为”ACCEPT”，然后将”拒绝所有请求”这条规则放在链的尾部，将”放行规则”放在前面，这样做，既能实现”白名单”机制，又能保证在规则被清空时，管理员还有机会连接到主机

iptables -P INPUT ACCEPT
iptabels -I INPUT -p tcp --dport 22 -j ACCEPT
iptabels -I INPUT -p tcp --dport 80 -j ACCEPT
iptables -A INPUT -j ACCEPT

3.5、自定义链

当默认链中的规则非常多时，不方便我们管理。

想象一下，如果INPUT链中存放了200条规则，这200条规则有针对httpd服务的，有针对sshd服务的，有针对私网IP的，有针对公网IP的，假如，我们突然想要修改针对httpd服务的相关规则，难道我们还要从头看一遍这200条规则，找出哪些规则是针对httpd的吗？这显然不合理。

但是需要注意的是，自定义链并不能直接使用，而是需要被默认链引用才能够使用.

--创建自定义链
iptables -t filter -N IN_WEB

--引用自定义链
iptables -t filter -I INPUT -p tcp --dport 80 -j IN_WEB

--重命名自定义链
iptables -E IN_WEB WEB

--删除自定义链
删除自定义链需要满足两个条件
1、自定义链没有被引用
2、自定义链中没有任何规则

iptables -D INPUT 1
iptables -F WEB
iptables -X WEB

3.6、网络防火墙

防火墙从逻辑上讲，可以分为主机防火墙与网络防火墙。

主机防火墙：针对于单个主机进行防护。

网络防火墙：往往处于网络入口或边缘，针对于网络入口进行防护，服务于防火墙背后的本地局域网。

iptables都是作为主机防火墙的角色出现的,如果想要使用iptables充当网络防火墙，iptables所在的主机则需要处于网络入口处,网络防火墙主要职责就是“过滤并转发”,所以规则只能定义在FORWARD链中.

上图中把C主机的网关指向B主机网卡1的IP,A主机网关设为B网卡2的地址.

A ping 10.1.0.1 是ping不通的,A主机通过路由表得知，发往10.1.0.0/16网段的报文的网关为B主机，当报文达到B主机时，B主机发现A的目标为10.1.0.1，而自己的IP是10.1.0.3，这时，B主机则需要将这个报文转发给10.1.0.1（也就是C主机），但是，Linux主机在默认情况下，并不会转发报文，如果想要让Linux主机能够转发报文，需要额外的设置，这就是为什么10.1.0.1没有回应的原因.

A ping 10.1.0.3可以ping通: 当报文到达B时,B主机发现自己既是192.168.1.146又是10.1.0.3，所以，B主机就直接回应了A主机，并没有将报文转发给谁，所以A主机得到了10.1.0.3的回应。

临时生效:把/proc/sys/net/ipv4/ip_forward文件内容设置为1表示支持转发报文.

永久生效:/etc/sysctl.conf添加net.ipv4.ip_forward=1

此时就可以ping通了

#如果想要iptables作为网络防火墙，iptables所在主机开启核心转发功能，以便能够转发报文。
#使用如下命令查看当前主机是否已经开启了核心转发，0表示为开启，1表示已开启
cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
#使用如下两种方法均可临时开启核心转发，立即生效，但是重启网络配置后会失效。
方法一：echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
方法二：sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
#使用如下方法开启核心转发功能，重启网络服务后永久生效。
配置/etc/sysctl.conf文件（centos7中配置/usr/lib/sysctl.d/00-system.conf文件），在配置文件中将 net.ipv4.ip_forward设置为1
 
#由于iptables此时的角色为"网络防火墙"，所以需要在filter表中的FORWARD链中设置规则。
#可以使用"白名单机制"，先添加一条默认拒绝的规则，然后再为需要放行的报文设置规则。
#配置规则时需要考虑"方向问题"，针对请求报文与回应报文，考虑报文的源地址与目标地址，源端口与目标端口等。
#示例为允许网络内主机访问网络外主机的web服务与sshd服务。
iptables -A FORWARD -j REJECT
iptables -I FORWARD -s 10.1.0.0/16 -p tcp --dport 80 -j ACCEPT
iptables -I FORWARD -d 10.1.0.0/16 -p tcp --sport 80 -j ACCEPT
iptables -I FORWARD -s 10.1.0.0/16 -p tcp --dport 22 -j ACCEPT
iptables -I FORWARD -d 10.1.0.0/16 -p tcp --sport 22 -j ACCEPT
 
#可以使用state扩展模块，对上述规则进行优化，使用如下配置可以省略许多"回应报文放行规则"。
iptables -A FORWARD -j REJECT
iptables -I FORWARD -s 10.1.0.0/16 -p tcp --dport 80 -j ACCEPT
iptables -I FORWARD -s 10.1.0.0/16 -p tcp --dport 22 -j ACCEPT
iptables -I FORWARD -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT

3.7、动作总结

网关配置和上面一样.

SNAT(服务在外网,内网主动访问外网)
```
#主机B
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.1.0.0/16 -j SNAT --to-source 192.168.1.146
```
此时内网主机ping A主机就能ping通, iptables会自动维护NAT表,并将响应报文的目标地址转换回来.
DNAT(服务在内网,外网主动访问内网)
```
#主机B
iptables -t nat -F
iptables -t nat -I PREROUTING -d 192.168.1.146 -p tcp --dport 3389 -j DNAT --to-destination 10.1.0.6:3389
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.1.0.0/16 -j SNAT --to-source 192.168.1.146
```
表示报文目标地址为B公网IP,目标端口为3389的报文符合匹配条件,做DNAT转换映射到10.1.0.6:3389上.

注：理论上只配置DNAT规则即可，但是如果在测试时无法正常DNAT，可以尝试配置对应的SNAT，此处按照配置SNAT的流程进行。
MASQUERADE

MASQUERADE会动态的将源地址转换为可用的IP地址，其实与SNAT实现的功能完全一致，都是修改源地址，只不过SNAT需要指明将报文的源地址改为哪个IP，而MASQUERADE则不用指定明确的IP，会动态的将报文的源地址修改为指定网卡上可用的IP地址.
```
iptables -t nat -I POSTROUTING -s 10.1.0.0/16 -o eth0 -j MASQUERADE
```
表示通过外网网卡出去的报文在经过POSTROUTING链时，会自动将报文的源地址修改为外网网卡上可用的IP地址，这时，即使外网网卡中的公网IP地址发生了改变，也能够正常的、动态的将内部主机的报文的源IP映射为对应的公网IP,可以把MASQUERADE理解为动态的、自动化的SNAT，如果没有动态SNAT的需求，没有必要使用MASQUERADE，因为SNAT更加高效。

REDIRECT

使用REDIRECT动作可以在本机上进行端口映射

#将本机80端口映射到本机8080端口
iptables -i nat -A PREROUTING -o tcp --dport 80 -j REDIRECT --to-ports 8080

4、iptables实现负载均衡

在Linux中使用iptables完成tcp的负载均衡有两种模式

随机（random）
```
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 80 -m statistic --mode random --probability 0.33 -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 80 -m statistic --mode random --probability 0.5 -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 80 -m statistic --mode random -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234
```
rules说明：
第一条规则有0.33概率被命中

第二条也为0.33，命中概率为（1-0.33）*0.5 = 0.33

第三条为1-0.33-0.33约等于0.33

假设有n个server，想要将流量平均分到n个server，概率为p=1/(n-i+1)。

注意：因为iptables中，规则是按顺序匹配的，由上至下依次匹配，因此设计iptables规则时，要严格对规则进行排序。因此上述三条规则的顺序也不可以调换，不然就无法实现LB均分了。

轮询（nth）

iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 80 -m statistic --mode nth --every 3 --packet 0 -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 80 -m statistic --mode nth --every 2 --packet 0 -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 80 -m statistic --mode nth -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234

轮询算法中有两个参数：

--every：每n个包匹配一次规则

--packet：从第p个包开始

5、总结

规则顺序很重要

如果报文已经被前面的规则匹配到，IPTABLES则会对报文执行对应的动作，通常是ACCEPT或者REJECT，报文被放行或拒绝以后，即使后面的规则也能匹配到刚才放行或拒绝的报文，也没有机会再对报文执行相应的动作了（前面规则的动作为LOG时除外），所以，针对相同服务的规则，更严格的规则应该放在前面。
当规则中有多个匹配条件时,条件之间是“与”的关系
在不考虑1的情况下,应该将更容易被匹配的规则放在前面

比如，你写了两条规则，一条针对sshd服务，一条针对web服务。假设，一天之内，有20000个请求访问web服务，有200个请求访问sshd服务，那么，应该将针对web服务的规则放在前面，针对sshd的规则放在后面，因为访问web服务的请求频率更高。如果将sshd的规则放在前面，当报文是访问web服务时，sshd的规则也要白白的验证一遍，由于访问web服务的频率更高，白白耗费的资源就更多。
当IPTABLES所在主机作为网络防火墙时，在配置规则时，应着重考虑方向性，双向都要考虑，从外到内，从内到外。
在配置IPTABLES白名单时，往往会将链的默认策略设置为ACCEPT，通过在链的最后设置REJECT规则实现白名单机制，而不是将链的默认策略设置为DROP，如果将链的默认策略设置为DROP，当链中的规则被清空时，管理员的请求也将会被DROP掉。

posted @ 2021-09-15 16:00 尹瑞星阅读(2067) 评论(1) 编辑收藏举报

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