探索iptables BPF模块的悲惨历程

前面一篇文章提到了两个Netfilter上的新玩意儿，其中之一就是bpf match模块，另一个nftables的ball还没有放出来，即使放出来了，它的吸引力也没有bpf match大，毕竟伯克利的东西不可小觑啊！虽然nftables也是借用了BPF的思想，但是能看得出的仅在代码层面上，反之，bpf match模块却是iptables质的飞跃，综合状态机，JIT(及时编译技术)，它可以在很短的时间内完成数据包的匹配判断，据作者那帮子说相比传统iptables硬编码match来讲，及时编译过基于状态机的match集合的匹配执行效率要提高X倍！我只是听说，并没有亲见。
这东西一直没有时间仔细尝试，昨晚小小半夜就开始闹，我也就再也睡不着了，想起了iptables的bpf模块，不由想赶紧试一把，然而为了配置一条成功的使用bpf模块的iptables规则，前期工作可真不少啊，列举如下，每个步骤我会在后面详述：
1.下载一个最新的Debian 7发行版并安装(本可以在现有的版本直接升级的，但早就想有一个全新的环境，趁此夜晚网速极快，下载吧)
2.下载最新的kernel source以及最新的iptables source
3.构建编译工具套件
4.编译最新的内核以及驱动以及iptables
5.编写可以生效的使用bpf模块的iptables规则
这5个步骤中，第1步时间相对长一些，我是下载了全部的映像，一共14G左右，其实如果选择网络安装，会更加省时一些，我无所谓了，反正是深夜，下载过程中磁盘猛转，我也不闲着，昨天刚买了半套《罗马人的故事》(因为钱比较紧张，先买半套，看完了再买吧)，下载过程中我看了大半本《胜者的迷思》，正沉浸在苏拉进军罗马的XX中，下载结束。第2个步骤的下载简直不是什么问题，具体的链接我就不给出了，想玩的都知道，版本通告一下：
kernel：3.9.6
iptables：1.4.19.1
接下来的事情就不能一笔带过了，但是在详述之前还是要带几笔，第3部是必要的，因为既然选择了Debian，就是喜欢它的工具集，否则随便一个发行版即可，第5步看似只是一个水到渠成的结果，然后这个步骤是我花时间最多的。

构建编译工具套件

Debian自身有一套编译kernel的工具，称为kernel-package，它可以将最终生成的kernel映像，driver，initrd映像以及开发使用的headers打包成一个deb包，可以直接安装在Debian发行版上，如果没有这个套件，你毫无疑问就要花很多时间来编译内核以及driver了，光是initrd就不一定能一次性做成功，即使你把这些都封装进了shell，你也要时刻关注shell的执行，起码不可能按下回车后去再看一段《胜者的迷思》了，由于使用了kernel-package，在编译过程中，我竟然把《胜者的迷思》看完了！Debian的工具是专门为Debian上的开发者打造的，所以即使有问题，早就被其它人通告给了Debian社区，早就改正了。构建这个工具套件很简单：
apt-get install kernel-package
另外，为了能使用menuconfig配置kernel，还要安装一个东西：
apt-get install libncurses5-dev

编译最新的内核以及驱动

必要的工具构建完毕，剩下的就是编译内核了，这次折腾的直接目的是玩bpf模块，因此切记要在menuconfig配置内核的时候使能BPF配置，它在Core Netfilter Configuration中的"bpf" match support，其它的就先别管了，直接使用Debian 7的config文件即可，然后就可以目睹kernel-package的风采了，注意上述的操作要分步骤完成：
第一步：cp /boot/config-3.2.0-4-amd64 /usr/src/linux-3.9.6/.config
第二步：make menuconfig
第三步：make-kpkg --initrd kernel-image && make-kpkg kernel-headers && find /usr/src/ -type deb -name *.deb|xargs -i dpkg -i {} &&reboot
第四步：找本书看，或者找个电影看，但是为了让电脑全速编译，还是换一台电脑心理上会得到安慰(Note：心理上！)；
以上就编译完了新内核了，uname看一下，已经升级到3.9.6了，kernel-header也在/usr/src下就位，/lib/modules/3.9.6/build也就位，剩下的工作就是编译iptables了，这个十分简单，也分为几个步骤：
第一步：configure --enable-nfbpf-compiler；这个enable特别重要，其实这是我在写iptables规则屡次不成功后返回来重新加上这个选项编译的，一开始我是直接configure的，自以为耍小聪明可以过关，结果在编写iptables测试的时候悲剧了！
第二步：make && make install
准备工作到此就做完了，此时的时间是上午8点半，吃完早饭因为要去买菜做午饭(由于今天老婆带女儿上早教去了，我留守做饭，由于我做事比较分步有条理，所以就比较慢，做个简单的午饭也要一个步骤一个步骤的从早晨八点开始...)，iptables测试工作放在午后进行...

编写可以生效的使用bpf模块的iptables规则

终于可以写规则了，下意识的写下以下的规则：
iptables -A INPUT -m bpf --bytecode '傻眼了' -j DROP
其实我的要求很简单，就是想将bytecode设置为icmp，可是又不知道bpf的具体语法以及指令，原理是再明白不过了，可是到了实际操作，又懒得查手册，既然不想查手册，也就很难自己写一个翻译程序出来，比如将tcp port 1234之类的翻译成符合bpf语法的bytecode，于是想到从tcpdump里面把代码抠出来，然而那种行为有点巧夺天工了，一向不太在意代码的我，如今被代码折腾了。其实啊，像tcpdump这样成熟的程序，一定有什么参数可以将bpf的code打印出来的，这真的就是我的直觉，大多数玩过GNU代码的都知道，作者在写这段代码的时候，肯定print过这些东西，最终发布时，就作为一种调试信息留下了，既然代码都开源了，为何不让用代码的人更方便呢？事实也确实如是，man一下tcpdump，就会发现其d，dd，ddd选项，正是做这个的，以下就是这些东西，我还是以匹配icmp为例：
@首先看一下十进制的code
root@zhaoya:/usr/src/linux-3.9.6/net/netfilter# tcpdump -i any icmp -ddd
40 0 0 14
21 0 3 2048
48 0 0 25
21 0 1 1
6 0 0 65535
6 0 0 0
@虽然没有意义，也看一下16进制的code吧，起码知道每行是个4元组{操作码，匹配判读，匹配判断，参数}
root@zhaoya:/usr/src/linux-3.9.6/net/netfilter# tcpdump -i any icmp -dd
{ 0x28, 0, 0, 0x0000000e },
{ 0x15, 0, 3, 0x00000800 },
{ 0x30, 0, 0, 0x00000019 },
{ 0x15, 0, 1, 0x00000001 },
{ 0x6, 0, 0, 0x0000ffff },
{ 0x6, 0, 0, 0x00000000 },
@最后领略一下它的助记码，类似汇编的指令
root@zhaoya:/usr/src/linux-3.9.6/net/netfilter# tcpdump -i any icmp -d
(000) ldh [14]
(001) jeq #0x800 jt 2 jf 5 #IP协议
(002) ldb [25]
(003) jeq #0x1 jt 4 jf 5 #ICMP协议
(004) ret #65535
(005) ret #0
既然有了这个，我当然喜出望外了，于是赶紧测试，google了一下bytecode的语法，还算简单：
code=$(tcpdump -i any icmp -ddd| tr '\n' ',')
即可，于是上述的“傻眼了”被code填充，拍下回车，ping网关，竟然是通的！dmesg也没有任何报错，于是我想得到，是bytecode有问题！然而到哪里去找正确的呢？失望之余，真心有种自己写一个解析器的欲望了，厨房打开抽油烟机稳定了一下情绪，还是google吧，别人做好的东西为何自己再做一遍呢！google发现iptables本来就有一个叫做nfbpf-compiler的工具，在utils里面，于是我就重新编译了它，其实在iptables的bpf模块的help中就明确写出了一个格式，那就是：
--bytecode `nfbpf_compiler RAW `
过于激动，文档都没有看仔细，真是罪过！于是按照这个格式，将替换为'icmp'，果真成功了，ping不通了，于是我想看看通过nfbpf_compiler生成的code和tcpdump生成的code有何不同，以下是工具生成的：
root@zhaoya:/usr/src/linux-3.9.6/net/netfilter# nfbpf_compile RAW 'icmp'
7,48 0 0 0,84 0 0 240,21 0 3 64,48 0 0 9,21 0 1 1,6 0 0 65535,6 0 0 0
太大不同了啊，到底怎么回事？我注意到了RAW参数，我隐约记得RAW是一个linktype，当时研究tcpdump时好像注意过，因为有人问我EN10MB是什么类型，我当时也不知道，查资料时发现了它其实就是一个链路层类型，和它并列的还是ATM等(这些曾经网络层的协议在TCP/IP的天下都退化成了链路层)，那么RAW是什么，其实和socket的RAW差不多，都是指裸IP，也就是说它没有链路层或者说忽略链路层。到此，我终于明白，tcpdump的eth系列网卡翻译过来的code明确就是EN10MB，也就是以太网协议，通过tcpdump -i eth0 -L看一下它都可以使用哪些linktype，令人失望！于是想用lo做实验，可是lo也是和eth0一样，lo怎么会模拟以太网卡啊啊啊啊！在Mac上，lo0明确就是NULL，这才合理啊！具体参见 http://www.tcpdump.org/linktypes.html吧，反正即使看了也得不到什么有用的，我们大多接触到的都是EN10MB！看一下nfbpf_compiler使用EN10MB的结果：
root@zhaoya:/usr/src/linux-3.9.6/net/netfilter# nfbpf_compile EN10MB 'icmp'
6,40 0 0 12,21 0 3 2048,48 0 0 23,21 0 1 1,6 0 0 65535,6 0 0 0
和tcpdump的结果及其类似！
反过来思考一下，bpf match为何不能使用NE10MB code呢？我看了xt_bpf patch的跟帖，作者的例子就是EN10MB的啊！为何发布版不行了呢？难道是怕linktype太多，如果没有处理就容易panic？？看来沙漏细腰部位的IP代码好写啊！不管怎样，事情总算是搞定了，总结一下有几点教训：
1.玩新东西之前一定要看文档，看手册，现在不再一头扎进代码里了，这是进步，但是在有了问题的时候也别指望仅仅看代码就能解决。
2.编译时的参数选项一定要注意，有时候并不是程序的bug，只是因为你在编译的时候就自动放弃了那个你想要的功能。
3.还是那句话，别人已经做好的东西，自己就别再做了(bpf编译程序写了一半...)，已经不是10年前那个把排序算法写一遍的青春期晚期了，现在要惜时如金，想练手就练别人没人练过的！

最后，其实不像本文题目所说的那样，这个历程并不悲惨，这是因为大家普遍都喜欢悲剧罢了，一部悲剧看完以后，你会发现，可能它就是一部带有黑色幽默的喜剧。当然，大半夜被女儿吵闹的声音吵醒看似挺悲惨的，但是有孩子的知道，真的悲惨吗？可能也是一种幸福吧，没孩子的，将来会懂得...

《胜者的迷思》，今日完结，明日早晨五点《条条大道通罗马》！另，还有一个好玩的，那就是Debian上的ufw！