netfilter整体架构解析初步

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1. 挂接点(hooknum)

netfilter是Linux2.4/2.6内核中自带的防火墙架构，定义了5个挂接点：
NF_IP_PRE_ROUTING-------->NF_IP_FORWARD--------->NF_IP_POST_ROUTING
                     |                    ^
                     |                    |
                     V                    |
                 NF_IP_LOCAL_IN       NF_IP_LOCAL_OUT

netfilter定义了一个二维的链表头数组struct list_head nf_hooks[NPROTO][NF_MAX_HOOKS]来表示所有协议族的各个挂接点，NPROTO值为32，可表示linux所支持所有32个协议族(include/linux/socket.h文件中定义)，也就是使用socket(2)函数的第一个参数的值，如互联网的TCP/IP协议族 PF_INET(2)。每个协议族有NF_MAX_HOOKS（8）个挂接点，但实际只用了如上所述的5个，数组中每个元素表示一个协议族在一个挂接点的处理链表头，。

以下分析使用2.4.26内核中的netfilter代码。

在IPv4（PF_INET协议族）下，各挂接点定义在：
NF_IP_PRE_ROUTING，在IP栈成功接收sk_buff包后处理，挂接点在在net/ipv4/ip_input.c的函数
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt)中定义：
 return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL,
         ip_rcv_finish);

NF_IP_LOCAL_IN，在对接收的sk_buff包完成路由分类判断是到达自身的包后进行处理，挂接点在在net/ipv4/ip_input.c的函数int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb)中定义：

 return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_IN, skb, skb->dev, NULL,
         ip_local_deliver_finish);

NF_IP_FORWARD，在对接收的sk_buff包完成路由分类判断是需要进行转发的包进行处理，挂接点在在net/ipv4/ip_input.c的函数int ip_forward(struct sk_buff *skb)中定义：

 return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_FORWARD, skb, skb->dev, dev2,
         ip_forward_finish);

NF_IP_LOCAL_OUT，在对自身发出的包进行处理，挂接点在在net/ipv4/ip_output.c的函数
int ip_build_and_send_pkt(struct sk_buff *skb, struct sock *sk,
     u32 saddr, u32 daddr, struct ip_options *opt)
中定义：

 return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_OUT, skb, NULL, rt->u.dst.dev,
         output_maybe_reroute);

NF_IP_POST_ROUTING，在IP栈成功接收sk_buff包后处理，挂接点在在net/ipv4/ip_output.c的函数
__inline__ int ip_finish_output(struct sk_buff *skb)中定义：

 return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
         ip_finish_output2);

2. 挂接点操作

挂接点的操作由结构struct nf_hook_ops定义：
include/linux/netfilter.h
struct nf_hook_ops
{
 struct list_head list;
 /* User fills in from here down. */
 nf_hookfn *hook;
 int pf;
 int hooknum;
 /* Hooks are ordered in ascending priority. */
 int priority;
};

数组中的元素说明如下：
struct list_head list: 链表头，用于将此结构接入操作链表
nf_hookfn *hook：用户定义的挂接处理函数
int pf：协议族
hooknum：挂接点
priority：优先级

每个struct nf_hook_ops结构需要挂接到nf_hooks数组中的某个链表中才起作用，每个协议族的各种处理形成一个处理链表，链表上可以挂接多个节点，每个节点是一个数据处理结构(struct nf_hook_ops)，用来描述对数据包进行如何处理，这些节点根据优先级顺序进行排序处理，优先级是有符号的32位数，值越小优先级越高，如果优先级相同，则按挂接的顺序依次处理，netfilter预定义了以下优先级：

 NF_IP_PRI_FIRST = INT_MIN,
 NF_IP_PRI_CONNTRACK = -200,
 NF_IP_PRI_MANGLE = -150,
 NF_IP_PRI_NAT_DST = -100,
 NF_IP_PRI_FILTER = 0,
 NF_IP_PRI_NAT_SRC = 100,
 NF_IP_PRI_LAST = INT_MAX,

由此可见，netfilter的处理顺序是先连接跟踪、然后是mangle处理，再目的NAT(PREROUTING)，然后是过滤(FILTER),然后是源NAT(POSTROUTING)，这就是为什么mangle链的规则会先执行。

在各个处理点处理数据包时，如果发现需要丢弃数据包，那么数据包就被立即释放而不再进入后面的处理点；如果该处理点的最终结论是接受，那该数据包还会继续进入下一处理点进行匹配检查，所以对于最终通过防火墙的数据包，是经过了所有处理点的匹配的。

3. 连接跟踪

连接跟踪的struct nf_hook_ops结构在net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_standalone.c中定义，
这是对用户隐藏的，也就是用户不能通过iptables规则对此操作点进行配置，是有系统自动完成的。

定义如下：
static struct nf_hook_ops ip_conntrack_in_ops
= { { NULL, NULL }, ip_conntrack_in, PF_INET, NF_IP_PRE_ROUTING,
 NF_IP_PRI_CONNTRACK };
static struct nf_hook_ops ip_conntrack_local_out_ops
= { { NULL, NULL }, ip_conntrack_local, PF_INET, NF_IP_LOCAL_OUT,
 NF_IP_PRI_CONNTRACK };

分别挂接在外部数据包进入(NF_IP_PRE_ROUTING)和自身数据发出(NF_IP_LOCAL_OUT)时进行处理，其功能就是判断该数据包是什么状态，填充该数据包struct sk_buff结构中struct nf_ct_info *nfct项的值，维护连接状态表，从而实现状态检测，具体处理过程分析可见另一篇文章：Linux下如何实现状态检测。

4. 规则表(table)

为了定义每个处理点上要执行哪些规则，netfilter定义了表(table)的概念，每个表由一个struct ipt_table来描述，如缺省的filter/nat/mangle表，每个表可单独分成几个规则链，分别在几个挂接点起作用，如filter表是在只在NF_IP_LOCAL_IN/NF_IP_LOCAL_OUT/NF_IP_FORWARD上起作用，然后通过函数ipt_do_table()来实现对某个表中某个hooknum的规则集进行匹配处理。而由结构struct nf_hook_ops所定义的各个处理点的处理函数都是直接或间接的调用了ipt_do_table()函数来实现对规则集的调用。

下面是系统缺省的三个表的定义情况：
-------+---------------------------------+-------------------------------------
 table |  table definition               | file name
-------+---------------------------------+-------------------------------------
filter | struct ipt_table packet_filter  | net/ipv4/netfilter/iptable_filter.c
       |
hook   | NF_IP_LOCAL_IN、NF_IP_LOCAL_OUT、NF_IP_FORWARD
       |
ops    | struct nf_hook_ops ipt_ops[]
       | net/ipv4/netfilter/iptable_filter.c
       |
       |NF_IP_LOCAL_IN: ipt_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与filter表的INPUT链挂钩
       |
       |NF_IP_LOCAL_FORWARD: ipt_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与filter表的FORWARD链挂钩
       |
       |NF_IP_LOCAL_OUT: ipt_local_out_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与filter表的OUTPUT链挂钩
       |
-------+---------------------------------+-------------------------------------
nat    | struct ipt_table nat_table      | net/ipv4/netfilter/ip_nat_rule.c
       |                                
hook   | NF_IP_PRE_ROUTING_IN、NF_IP_LOCAL_OUT、NF_IP_POST_ROUTING
       |
ops    | net/ipv4/netfilter/ip_nat_standalone.c
       |
       |NF_IP_PRE_ROUTING:
       |    struct nf_hook_ops ip_nat_in_ops, ip_nat_fn()
       |      调用ip_nat_rule_find()函数
       |        调用ipt_do_table()函数与nat表的PREROUTING链挂钩
       |
       |NF_IP_POST_ROUTING:
       |    struct nf_hook_ops ip_nat_out_ops,ip_nat_out()
       |      调用ip_nat_fn()
       |        调用ip_nat_rule_find()函数
       |          调用ipt_do_table()函数与nat表的POSTROUTING链挂钩
       |
-------+---------------------------------+-------------------------------------
mangle | struct ipt_table packet_mangler | net/ipv4/netfilter/iptable_mangle.c
       |                                 |
hook   | 全部五个都有
       |
ops    | struct nf_hook_ops ipt_ops[]
       | net/ipv4/netfilter/iptable_mangle.c
       |
       |NF_IP_PRE_ROUTING: ip_route_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与mangle表的PREROUTING链挂钩
       |
       |NF_IP_LOCAL_IN: ip_route_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与mangle表的INPUT链挂钩
       |
       |NF_IP_FORWARD: ipt_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与mangle表的FORWARD链挂钩
       |
       |NF_IP_LOCAL_OUT: ipt_local_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与mangle表的OUTPUT链挂钩
       |
       |NF_IP_POST_ROUTING: ip_route_hook()
       |    调用ipt_do_table()函数与mangle表的POSTROUTING链挂钩
       |
-------+---------------------------------+-------------------------------------

每个数据处理表(table)中就是定义各自的规则集，是用动态长度的数组的形式保存，每个数组节点是一个规则，规则用struct ipt_entry结构进行描述，每条规则除了基本项外，其他附加匹配条件项还形成一个动态长度的匹配数组，struct ipt_entry中保存数组头的地址，每个匹配用结构struct ipt_match描述。规则的动作如果是扩展动作的话，用struct ipt_target描述。

用户可以自己定义自己的新的表，可以以缺省表为蓝本，然后定义新的struct nf_hook_ops操作节点，在该操作节点中调用ipt_do_table()函数将该ops和新表联系起来，这样就可以用iptables定义新的规则集。如果不定义新表，用户也可以在ops处理函数中对包直接进行判断处理，适合需要对包进行固定方式处理的场合。

5. 总结

netfilter架构以nf_hooks数组为基点，挂接在内核的协议处理的几个基本点上，通过链表方式链接struct nf_hook_ops处理结构，这些处理结构可以是在内核内部自动固定处理，如状态检测；也可以通过和struct ipt_table联系，通过iptables来动态配置处理规则，实现了一个扩展性很高的防火墙处理架构，不过实现细节部分仍然很复杂，各种细节功能将在后续文章里分析。