Linux 内核源码分析---netfilter 框架

news2025/1/12 8:00:44

iptables是用户用来管理和配置防火墙规则的一种策略，但是实际解析规则并按照规则实施产生作用的是Netfilter。

iptables 与协议栈内有包过滤功能的 hook 交互来完成工作，这些内核 hook 构成了 netfilter 框架。每个进入网络系统的包（接收和发送）在经过协议栈的时候都会触发这些 hook，程序可以通过注册 hook 函数的方式在一些关键路径上处理网络流量。iptables相关的内核模块在这些hook注册了处理函数，因此可以通过iptables规则来使得网络流量符合防火墙规则。

Netfilter 是 Linux 内核中的一个框架，它为以定制处理器形式实施的各种网络相关操作提供了灵活性。Netfilter提供数据包过滤、网络地址翻译和端口翻译的各种选项。

netfilter 挂钩及挂载点

netfilter 子系统主要功能：
数据包选择(iptables)；
数据包过滤；
网络地址转换(NAT)；
数据包操纵；
连接跟踪；
网络统计信息。

netfilter提供了 5 个hook点，但要注意ipv6和ipv4中挂接点名称相同，数据包经过协议栈时会触发内核模块注册在这里的处理函数。触发哪个 hook 取决于包的方向（接收还是接收）、包的目的地址、以及包在上一个 hook 点是被丢弃还 accept 等等。

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下面几个hook是内核协议栈已经定义好的：
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从上图可以看出，路由判定是数据流向的关键点。

第一个路由判定通过查找输入数据包 IP头部的目的 IP地址是否为本机的 IP地址，如果是本机的 IP地址，说明数据是发送给本机的。否则说明数据包是发送给其他主机，经过本机只是进行中转。
第二个路由判定根据输出数据包 IP头部的目的 IP地址从路由表中查找对应的路由信息，然后根据路由信息获取下一跳主机（或网关）的 IP地址，然后进行数据传输。

数据包流向从图中可以看到，三个方向的数据包需要经过的钩子节点不完全相同：
发往本地：NF_INET_PRE_ROUTING–>NF_INET_LOCAL_IN
转发：NF_INET_PRE_ROUTING–>NF_INET_FORWARD–>NF_INET_POST_ROUTING
本地发出：NF_INET_LOCAL_OUT–>NF_INET_POST_ROUTING

NF_IP_PRE_ROUTING：只要数据包从设备（如网卡）那里进入到协议栈，就会触发该钩子。当我们需要修改数据包的 “Destination IP” 时，会使用到它，即钩子主要用于目标网络地址转换（DNAT，Destination NAT）；
NF_IP_LOCAL_IN：接收到的包经过路由判断，如果目的是本机，将触发此hook；
NF_IP_FORWARD：接收到的包经过路由判断，如果目的是其他机器，将触发此hook；
NF_IP_LOCAL_OUT：本机产生的准备发送的包，在进入协议栈后立即触发此hook；
NF_IP_POST_ROUTING：本机产生的准备发送的包或者转发的包，在经过路由的判断之后，数据出协议栈之前无论这个数据是转发的，还是经过本机进程处理过的，都会触发该钩子。

触发调用某个挂载点上（链）的所有钩子函数，需要使用 NF_HOOK 宏来实现。当数据包在内核网络栈中传输时，会在某些地方调用NF_HOOK宏：
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pf：协议簇，对于IPV4(NFPROTO IPV4)；对于IPv6(NFPROTO IPV6)；
hook：表示有5个挂接点之一；
skb：表示要处理的数据包的SKB对象；
indev：输入网络设备；
outdev：输出网络设备
okfn：函数指针，指向钩子回调方法执行完毕后将调用的方法，它接受一个参数SKB；

netfilter 回调函数返回值：
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Netfilter 允许在同一个钩子处，注册多个回调函数。
因此向钩子注册回调函数必须明确优先级，以便按照明确的优先顺序触发回调函数。因为回调函数有多个，如果把这些回调函数串起来，就构成了一条链，我们将其称为回调链（Chained Callbacks）。这个设计影响了围绕 Netfilter 构建的上层应用基本都带有“链”的概念。

注册一个 hook 函数是围绕nf_hook_ops数据结构的一个非常简单的操作，nf_hook_ops数据结构的定义如下：
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list ：用于维护 Netfilter hook 的列表，并且不是用户在注册 hook 时需要关心的重点。
hook：是一个指向nf_hookfn类型的函数的指针，该函数是这个 hook 被调用时执行的函数。nf_hookfn 同样在 linux/netfilter.h 中定义。
pf：用于指定协议族。有效的协议族在linux/socket.h中列出，但对于IPv4我们希望使用协议族 PF_INET。
hooknum：用于指定安装的这个函数对应的具体的 hook 类型，其值为NF_IP_PRE_ROUTING等。
priority：用于指定在执行的顺序中，这个 hook 函数应当在被放在什么地方。对于IPv4，可用的值在linux/netfilter_ipv4.h的 nf_ip_hook_priorities 枚举中定义。

注册钩子函数：Register the hooks

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钩子的优先级，每个协议系列的所有有效标识符都在头文件中定义。

enum nf_ip_hook_priorities {
        NF_IP_PRI_FIRST = INT_MIN,
        NF_IP_PRI_CONNTRACK_DEFRAG = -400,
        NF_IP_PRI_RAW = -300,
        NF_IP_PRI_SELINUX_FIRST = -225,
        NF_IP_PRI_CONNTRACK = -200,
        NF_IP_PRI_MANGLE = -150,
        NF_IP_PRI_NAT_DST = -100,
        NF_IP_PRI_FILTER = 0,
        NF_IP_PRI_SECURITY = 50,
        NF_IP_PRI_NAT_SRC = 100,
        NF_IP_PRI_SELINUX_LAST = 225,
        NF_IP_PRI_CONNTRACK_CONFIRM = INT_MAX,
        NF_IP_PRI_LAST = INT_MAX,
};

enum {
        NFPROTO_UNSPEC =  0,
        NFPROTO_IPV4   =  2,
        NFPROTO_ARP    =  3,
        NFPROTO_BRIDGE =  7,
        NFPROTO_IPV6   = 10,
        NFPROTO_DECNET = 12,
        NFPROTO_NUMPROTO,
};

Netfilter报过滤技术：
基于接口进行过滤：使用相应的net_device数据结构的name这个成员，可以根据数据包的源接口和目的接口来选择是否丢弃它。如果想丢弃所有到达接口 eth0 的数据包，需要做的仅仅是将 in->name 的值与”eth0”做比较，如果名字匹配，那么hook函数简单的返回NF_DROP即可，数据包会被自动销毁。
基于地址进行过滤：基于数据包的源或目的IP地址进行过滤也同样可以实现，获取一个数据包的IP头通过使用sk_buff数据结构中的网络层包头来完成。这个头位于一个联合中，可以通过sk_buff->nh.iph这样的方式来访问。如果数据包的源地址与我们设定的丢弃数据包的地址匹配，那么该数据包将被丢弃。
基于TCP端口进行过滤：获取一个 TCP 头的指针是一件简单的事情，而可以分配一个tcphdr数据结构(在linux/tcp.h中定义)的指针，并将它指向我们的数据包中 IP 头之后的数据。