Linux内核分析 - 网络[七]：NetFilter

内核版本：2.6.34

NetFilter在2.4.x内核中引入,成为linux平台下进行网络应用的主要扩展，不仅包括防火墙的实现，还包括报文的处理(如报文加密、报文分类统计等)等。

NetFilter数据结构         勾子struct nf_hook_ops[net\filter\core.c]

struct nf_hook_ops {
	struct list_head list;
	/* User fills in from here down. */
	nf_hookfn *hook;
	struct module *owner;
	u_int8_t pf;
	unsigned int hooknum;
	/* Hooks are ordered in ascending priority. */
	int priority;
};

        成员list用于链入全局勾子数组nf_hooks中，它一定在第一位，保证&nf_hook_ops->list的值与&nf_hook_ops相同，稍后在使用时会用到这一技巧；
成员hook即用户定义的勾子函数；owner表示注册这个勾子函数的模块，因为netfilter是内核空间的，所以一般为模块来完成勾子函数注册；pf与hooknum一起索引到特定协议特定编号的勾子函数队列，用于索引nf_hooks； priority决定在同一队列(pf与hooknum相同)的顺序，priority越小则排列越靠前。
        struct nf_hook_ops只是存储勾子的数据结构，而真正存储这些勾子供协议栈调用的是nf_hooks，从定义可以看出，它其实就是二维数组的链表。
        struct list_head nf_hooks[NFPROTO_NUMPROTO][NF_MAX_HOOKS]; [net\filter\core.c]
        其中NFPROTO_NUMPROTO表示勾子关联的协议，可取值：

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

        NF_MAX_HOOKS表示勾子应用的位置，可选值在每个协议模块内部定义，这些值代表了勾子函数在协议流程中应用的位置(稍后会以bridge为例详细说明)，大致上都有以下值：

	NF_XXX_PRE_ROUTING,
	NF_XXX_LOCAL_IN,
	NF_XXX_FORWARD,
	NF_XXX_LOCAL_OUT,
	NF_XXX_POST_ROUTING,
	NF_XXX_NUMHOOKS

NetFilter注册
        在了解了nf_hook_ops和nf_hooks后，来看下如何操作nf_hooks中的元素。
        nf_register_hook()将nf_hook_ops注册到nf_hooks中：

int nf_register_hook(struct nf_hook_ops *reg)
{
	struct nf_hook_ops *elem;
	int err;


	err = mutex_lock_interruptible(&nf_hook_mutex);
	if (err < 0)
		return err;
	list_for_each_entry(elem, &nf_hooks[reg->pf][reg->hooknum], list) {
		if (reg->priority < elem->priority)
			break;
	}
	list_add_rcu(®->list, elem->list.prev);
	mutex_unlock(&nf_hook_mutex);
	return 0;
}

        这个函数很简单，从指定pf&hooknum的nf_hooks队列遍历，按priority从小到大顺序，将reg插入相应位置，完成勾子函数的注册。

        nf_unregister_hook()将nf_hook_ops从nf_hooks中注销掉：

void nf_unregister_hook(struct nf_hook_ops *reg)
{
	mutex_lock(&nf_hook_mutex);
	list_del_rcu(®->list);
	mutex_unlock(&nf_hook_mutex);
	synchronize_net();
}

        这个函数更简单，从nf_hooks中删除reg。
        内核同时还提供了nf_register_hooks()和nf_unregister_hooks()，将reg重复注册n次或将reg从nf_hooks中注销n次。当勾子函数注册完成后，nf_hooks的结构如图所示:

 

NetFilter调用

        在报文在内核协议栈传递时，会调用NetFilter模块对报文进行特定的进滤，这样的过滤在代码中随处可见。
        以上一篇讲过的网桥为例，对于要进行网桥处理的报文，handle_bridge()->br_handle_frame()，如果端口处理于LEARNING或FORWARDING状态，且报文目的地址正确，则会调用br_handle_frame()进行后续处理，而这个函数调用就是：
NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,
br_handle_frame_finish);
NF_HOOK()->NF_HOOK_THRESH()->nf_hook_thresh()->nf_hook_slow()：

int nf_hook_slow(u_int8_t pf, unsigned int hook, struct sk_buff *skb,
		 struct net_device *indev,
		 struct net_device *outdev,
		 int (*okfn)(struct sk_buff *),
		 int hook_thresh)
{
	struct list_head *elem;
	unsigned int verdict;
	int ret = 0;


	/* We may already have this, but read-locks nest anyway */
	rcu_read_lock();


	elem = &nf_hooks[pf][hook];
next_hook:
	verdict = nf_iterate(&nf_hooks[pf][hook], skb, hook, indev,
			     outdev, &elem, okfn, hook_thresh);
	if (verdict == NF_ACCEPT || verdict == NF_STOP) {
		ret = 1;
	} else if (verdict == NF_DROP) {
		kfree_skb(skb);
		ret = -EPERM;
	} else if ((verdict & NF_VERDICT_MASK) == NF_QUEUE) {
		if (!nf_queue(skb, elem, pf, hook, indev, outdev, okfn,
			      verdict >> NF_VERDICT_BITS))
			goto next_hook;
	}
	rcu_read_unlock();
	return ret;
}

        nf_hook_slow()从nf_hooks中找出到执行的勾子队列，依次执行，然后根据返回值决定是否继续(由nf_iterate()完成)。参数中的pf和hook代表了注册勾子函数时给的参数PF和HOOKNUM，它们共同决定勾子函数要插入的nf_hook的哪个队列中。 
        作为过滤报文的勾子函数的返回值是值得注意的地方，可取值如下：

#define NF_DROP 0
#define NF_ACCEPT 1
#define NF_STOLEN 2
#define NF_QUEUE 3
#define NF_REPEAT 4
#define NF_STOP 5

        先以nf_iterate()函数为例，elem->hook()表示执行勾子函数，执行结构为verdict；

unsigned int nf_iterate(……)
{
	unsigned int verdict;


	list_for_each_continue_rcu(*i, head) {
		struct nf_hook_ops *elem = (struct nf_hook_ops *)*i;
		if (hook_thresh > elem->priority)
			continue;
		verdict = elem->hook(hook, skb, indev, outdev, okfn);
		if (verdict != NF_ACCEPT) {
			if (verdict != NF_REPEAT)
				return verdict;
			*i = (*i)->prev;
		}
	}
	return NF_ACCEPT;
}

        根据nf_iterate()返回，会有以下情况：
              1. 如果结果为NF_ACCEPT，表示勾子函数允许报文继续向下处理，此时应该继续执行队列上的下一个勾子函数，因为这些勾子函数都是对同一类报文在相同位置的过滤，前一个通后，并不能返回，而要所有函数都执行完，结果仍为NF_ACCEPT时，则可返回它；
              2. 如果结果为NF_REPEAT，表示要重复执行勾子函数一次；所以勾子函数要编写得当，否则报文会一直执行一个返回NF_REPEAET的勾子函数，当返回值为NF_REPEAT时，不会返回；
              3. 如果为其它结果，则不必再执行队列上的其它函数，直接返回它；如NF_STOP表示停止执行队列上的勾子函数，直接返回；NF_DROP表示丢弃掉报文；NF_STOLEN表示报文不再往上传递，与NF_DROP不同的是，它没有调用kfree_skb()释放掉skb；NF_QUEUE检查给定协议(pf)是否有队列处理函数，有则进行处理，否则丢掉。
        了解了这些值再来看nf_hook_slow()中对于nf_iterate()返回值的处理就明了了：

if (verdict == NF_ACCEPT || verdict == NF_STOP) {
	ret = 1;
} else if (verdict == NF_DROP) {
	kfree_skb(skb);
	ret = -EPERM;
} else if ((verdict & NF_VERDICT_MASK) == NF_QUEUE) {
	if (!nf_queue(skb, elem, pf, hook, indev, outdev, okfn,
			 verdict >> NF_VERDICT_BITS))
		goto next_hook;
}

        最后还是以bridge来说明下hooks参数的意义，上面已经讲过，它决定了在协议流程的何处调用勾子函数；因为使用NetFilter的目的是在内核态处理报文，而哪些地方可以处理报文只能是内核已经定义好的。一般来说，内核会在报文发送和接收的关键位置添加勾子函数处理，查找代码中NF_HOOK即可知。下面以bridge，为例，来看下在哪些地方用到了，以及这些值的含义：

  

        NetFilter的存在使得在内核空间对报文进行用户定义的要求处理变得可能、简单。一般来说，编写好struct nf_hook_ops，其中hook/pf/ hook是必给的参数，然后使用nf_register_hook进行注册就可以了。整个过滤文件可以写了一个内核模块，用insmod进行动态加载。