(十一)洞悉linux下的Netfilter&iptables：iptables命令行工具源码解析【上】
预备知识：
part1: 初见getopt_long()
在分析iptables源码时，作为命令解析的核心函数getopt_long()不得不提。随便百度或google搜索关于该函数的介绍有很多例子和解释，这里我只举一例，目的是让大家了解传递给iptables命令的每个参数是如何被正确识别并处理的。
getopt_long(int argc,char * const argv[],const char *optstring,const struct option *longopts,int *longindex)
参数说明：
argc和argv来自main函数的输入；
optstring：表示可以接受的参数。可以是下列值：1.单个字符，表示选项；2.单个字符后接一个冒号“：”表示该选项后必须跟一个参数。参数紧跟在选项后或者以空格隔开，该参数的指针赋给optarg。3.单个字符后跟两个冒号，表示该选项后必须跟一个参数。参数必须紧跟在选项后不能以空格隔开。该参数的指针赋给optarg。（这个特性是GNU的扩展）。例如，"a:b:cd"，表示可以接受的参数选项是a,b,c,d，其中a和b参数后面跟有参数值。
longopts:是一个结构类型，描述如下：
struct option {
const char *name; //name表示的是长参数名
int has_arg; //0-无参；1-一定要有；2-可有可无
int *flag; //用来决定，getopt_long()的返回值到底是什么。 //如果flag是null，则函数会返回与该项option匹配的val值。
int val; //和flag联合决定返回值
}
在iptables的do_command()命令解析函数中，见到最多的就是optarg和optind。
optarg: 如果字符串optstring中某个选项后面需要跟参数，该参数值一般保存在optarg中；
optind: 该参数比较费神，输入参数列表不同，其取值也不一样。
说了半天估计大家都快晕了，还是通过例子来说明这两个值随着输入参数的不同其变化情况吧。
| #include <stdio.h> #include <getopt.h> char *l_opt_arg; char* const short_options = "nb:ls:"; struct option long_options[] = { { "name", 0, NULL, 'n' }, { "bf_name", 1, NULL, 'b' }, { "love", 0, NULL, 'l' }, { "speed", 1, NULL, 's' }, { 0, 0, 0, 0}, };
int main(int argc, char *argv[]) { int c; printf("init otpind=%dn",optind); while((c = getopt_long (argc, argv, short_options, long_options, NULL)) != -1) { printf("option=%c,optind=%d,optarg=%sn",c,optind,optarg); printf("args[%d]=%sn",optind,argv[optind]); switch (c) { case 'n': printf("My name is XL.n"); break; case 'b': printf("His name is ST.n"); break; case 'l': printf("Our love is ok!n"); break; case 's': printf("SHit of son.n"); break; } } return 0; } |
该测试程序接受的可选参数为-n -b -l -s，其中b和s选项后面要跟值。
如果我们执行./test -n -b boy -l -s son
optind依次取值为1、2、4、5、7。默认值就是1，当解析-n时，因为发现-n不需要值，所以当调用了getopt_long后，optind自动加1，指向-b选项。而-b是需要参数的，那么跟在-b后面的一定是它的值，所以当解析-b时，optind自动跳到下一个选项-l所在位置。同样-s也需要跟参数，那么当解析-l时optind就自动跳到-s所在的位置了，即5。
如果我们执行./test -n --b=boy -l -s son
这样的格式，optind依次为1、2、3、4、6。大家基本已经可以看出些眉目了吧。因为-b参数用长参格式加等号的赋值方式，所以optind的移动稍微有些变化。但它终归可以正确识别传给它的所有命令行参数及其格式。
如果我们执行./test -nl -b boy -s son
optind依次取值1、1、2、4、6。第一个选项是nl组合项，而且这两个选项都不需要跟参数。
关于getopt_long函数的更多用法参见man帮助手册。自己再对上面这个程序摸索摸索体会要更深刻些。
part2：iptables的自动加载模块原理
无论是match还是target，在用户空间都有其对应的so库文件，关于动态库大家可以参阅读我的另一篇博文《Linux系统中“动态库”和“静态库”那点事儿》。这里我们注意到一点的就是无论是诸如libxt_tcp.c这样的协议模块，还是libxt_limit.c这样的match模块，又抑或libipt_REJECT.c这样的target模块，每个模块中都有一个名为_init()的函数。为什么我们的自己平时开发so库时，怎么没见过这个家伙？大家可能会有这疑问。接下来我们就来跟您抽丝剥茧，步步深入，看看它到底是何方妖孽。
iptables在加载动态库时用的是dlopen()函数，在这篇博文中我有介绍。_init()定义在xtables.h中，是共享库用来初始化全局变量和对象用的，其定义如下：
#define _init __attribute__((constructor)) my_init
用__attribute__((constructor))来定义的函数，表示函数是构造函数，在main执行之前被调用；相应的用__attribute__ ((destructor))析构函数，在main退出时执行。void _init(void)就相当于是__attribute__((constructor)) _INIT(void)，其实不管函数名定义成什么都会被执行到。
在iptables中当我们调用dlopen函数来加载动态库时，率先执行每个动态库里的_init()函数，而该函数要么是将该match注册到全局链表xtables_matches里，或者是将target注册到全局链表xtables_targets中。
iptables的命令解析流程
这里我们仅以ipv4协议为例进行分析。iptables-1.4.0.tar.gz源代码中，iptables命令的入口文件为iptables-standalone.c，其中主函数为main或者iptables_main。主函数中，所作的事情也很明了，其流程如下：
当前，用户空间的iptables工具的绝大多数模块都是以动态共享库so的形式。使用动态库的优点也是显而易见的：编译出来的iptables命令比较小，动态库方式使得对于iptables的扩充非常方便。如果你非要去研究一下init_extensions函数的话，那么可以在iptables源码包的extensions/Makefile文件里找点思路。这里，我不会对其进行分析。
命令行参数解析do_command()【位于iptable.c文件中】
该函数是iptables用于解析用户输入参数的核心接口函数，其函数原型为：
int do_command(int argc, char *argv[], char **table, iptc_handle_t *handle)；
argc和argv是由用户传递过来的命令行参数；
table所操作的表名，对应命令行就是-t参数后面的值，如果用户没有指定-t参数时，默认为filter表；
handle这个结构比较重要，它用于保存从内核返回的由table所指定的表的所有信息，后续对表及其其中的规则操作时都用的该变量；
前面我们在分析netfilter的时候提到过，用户空间和内核空间在表示match以及target时采用了不同的结构体定义。用户空间的match结构体定义为：
| struct xtables_match #define iptables_target xtables_target { struct xtables_match *next; … void (*help)(void); /* Initialize the match. */ void (*init)(struct xt_entry_match *m); … /* Ignore these men behind the curtain: */ unsigned int option_offset; struct xt_entry_match *m; #内核中的match结构 unsigned int mflags; … }; |
该结构是iptables在加载它所支持的所有match模块的时候所用到的结构体，例如time匹配模块、iprange匹配模块等。也就是说，如果你要开发自己的用户空间match的话，那么你必须实例化上面这样一个结构体对象，然后实现它相应的方法，诸如init、help、parse等等。
真正用在我们所配置的iptables规则里的匹配条件，是由下列类型表示：
| struct xtables_rule_match #define iptables_rule_match xtables_rule_match { struct xtables_rule_match *next; struct xtables_match *match; unsigned int completed; }; |
可以看到，xtables_rule_match是将xtables_match组织成了一个链表而已。这也正和我们的意愿，因为一条规则里有可能会有多个match条件，而在解析的时候我们只要将我们规则里所用的match通过一个指针指向iptables目前所支持的那个模块，在后面的使用过程中就可以直接调用那个match模块里的所有函数了。这样即提高的访问效率，又节约了系统内存空间。
同样的，用户空间的target也类似，留给大家自己去研究。
iptables最常用的命令格式无非就是显示帮助信息，或者操作规则，例如：
【帮助信息格式】
iptables [-[m|j|p] name ] -h 显示名为name的match模块(m)、target模块(j)或协议(p)的详细帮助信息。
OK，我们以下面的规则为例，和大家探讨一下iptables对其的解析流程。
iptables –A INPUT –i eth0 –p tcp --syn –s 10.0.0.0/8 –d 10.1.28.184 –j ACCEPT
在博文三中，我们知道内核中用于表示一条规则的数据结构是struct ipt_entry{}类型，那么iptables对于输入给它的所有参数最终也要变成这样的格式。而我们在阅读iptables源码时发现，它确实在do_command()函数开始部分定义了一个struct ipt_entry fw；后面当iptables解析传递给它的输入参数时，主要做的事情，就是对该结构体相关成员变量的初始化填充。闲话不多说，let's rock。
(1)、命令控制解析：-A INPUT
iptables –A INPUT –i eth0 –p tcp --syn –s 10.0.0.0/8 –d 10.1.28.184 –j ACCEPT
对于“ADRILFZNXEP”这些控制命令来说，其核心处理函数为add_command()函数。
该函数主要将命令行的控制参数解析出来，然后赋值给一个位图变量command，该变量的每一位bit表示一种操作。add_command()的函数原型定义如下（iptables.c）：
static void add_command(unsigned int *cmd, const int newcmd, const int othercmds, int invert)
参数说明：
cmd：用于保存控制参数解析结果的位图标志变量；
newcmd：用户所输入的控制变量，是一些预定义的宏，定义在iptables.c文件中，如下：
| #define CMD_NONE 0x0000U #define CMD_INSERT 0x0001U #define CMD_DELETE 0x0002U #define CMD_DELETE_NUM 0x0004U #define CMD_REPLACE 0x0008U #define CMD_APPEND 0x0010U #define CMD_LIST 0x0020U #define CMD_FLUSH 0x0040U #define CMD_ZERO 0x0080U #define CMD_NEW_CHAIN 0x0100U #define CMD_DELETE_CHAIN 0x0200U #define CMD_SET_POLICY 0x0400U #define CMD_RENAME_CHAIN 0x0800U |
othercmd：在上面这11个控制参数中，只有CMD_ZERO需要辅助额外参数，因为从iptables -Z chainname的执行结果来看，它最后还会输出清空后的链的实际情况。因此，当用户的iptables命令中有-Z参数时，cmd默认的会被附加一个CMD_LIST特性。其他10个控制参数时，othercmd参数均为CMD_NONE。
invert：表示命令中是否有取反标志“！”。因为这11个控制参数是没有取反操作的，因此，这个值均为FALSE(即0)。
当解析完iptables -A INPUT … 后，command=0x0010U，chain=“INPUT”。然后将invert=FALSE，重新进入while循环，解析剩下的参数。
(2)、解析接口：-i eth0
iptables –A INPUT –i eth0 –p tcp --syn –s 10.0.0.0/8 –d 10.1.28.184 –j ACCEPT
注意前面讲解的关于getopt_long()函数在执行过程中两个关键参数的值及其变化情况。当解析接口的时候optarg=“eth0”，optind=indexof(-p)。
check_inverse(optarg, &invert, &optind, argc);函数用于判断接口是否有取反标志，如果有取反标志，则将invert=TRUE，同时optind++，然后它指向后面的接口名，并返回TRUE；如果没有，则直接返回FALSE。
在接下来执行set_option(&options, OPT_VIANAMEIN, &fw.ip.invflags,invert);同样的，options也是一个位图标志变量，其取值分别如下(定义在iptables.c文件中)：
| #define OPT_NONE 0x00000U #define OPT_NUMERIC 0x00001U #define OPT_SOURCE 0x00002U #define OPT_DESTINATION 0x00004U #define OPT_PROTOCOL 0x00008U #define OPT_JUMP 0x00010U #define OPT_VERBOSE 0x00020U #define OPT_EXPANDED 0x00040U #define OPT_VIANAMEIN 0x00080U #define OPT_VIANAMEOUT 0x00100U #define OPT_FRAGMENT 0x00200U #define OPT_LINENUMBERS 0x00400U #define OPT_COUNTERS 0x00800U #define NUMBER_OF_OPT 12 |
然后根据check_inverse()函数解析出来的invert的值来设置fw.ip.invflags相应的标志位，该值也是个位图标志变量，其可取的值由全局数组inverse_for_options[]来限定(iptables.c)：
| static int inverse_for_options[NUMBER_OF_OPT] = { /* -n */ 0, /* -s */ IPT_INV_SRCIP, #这六个宏均定义在ip_tables.h文件中 /* -d */ IPT_INV_DSTIP, /* -p */ IPT_INV_PROTO, /* -j */ 0, /* -v */ 0, /* -x */ 0, /* -i */ IPT_INV_VIA_IN, /* -o */ IPT_INV_VIA_OUT, /* -f */ IPT_INV_FRAG, /*--line*/ 0, /* -c */ 0, }; |
执行parse_interface(argv[optind-1],fw.ip.iniface,fw.ip.iniface_mask);将接口名称赋值给fw.ip.iniface，然后再设置该接口的mask。如果接口中没有正则匹配表达式(即“+”)，则mask=0xFFFFFFFF。细心的朋友到这里可能就有疑问了：接口名不是保存在optarg中么，为什么要通过argv[optind-1]来获取呢？我们简单分析对比一下：
如果是“-i eth0”，那么optarg和argv[optind-1]的值相同，大家可以通过前面我给的那个demo例子去验证一下；
如果是“-i ! eth0”，情况就不一样了。注意看代码，此时optarg=“！”，而arg[optind-1]才是真正的接口名“eth0”。
(3)、解析协议字段：-p tcp
iptables –A INPUT –i eth0 –p tcp --syn –s 10.0.0.0/8 –d 10.1.28.184 –j ACCEPT
check_inverse(optarg, &invert, &optind, argc); 检查协议字段是否有取反标志
set_option(&options, OPT_PROTOCOL, &fw.ip.invflags,invert); 根据invert的值来设置options和fw.ip.invflags。这和前面的接口解析是类似的。
然后，将协议名称解析成对应的协议号，例如ICMP=1,TCP=6,UDP=17等等。
fw.ip.proto = parse_protocol(protocol);
因为iptables在-p参数后面支持数字格式的协议描述，因此parse_protocol()函数首先尝试去解析数字字符串，将其转换成一个0-255之间的整数。如果转换成功，则将转换结果赋值给fw.ip.proto。如果转换失败，首先检查-p后面的参数是不是“all”。如果是则直接返回，否则调用getprotobyname()函数从/etc/protocols中去解析。这里getprotobyname函数主要根据传递给它的协议名返回一个struct protoent{}结构体的对象(详见man手册)。解析成功则返回；否则，在用户自定义的结构体数组chain_protos[]中去解析，其定义如下：
| static const struct pprot chain_protos[] = { { "tcp", IPPROTO_TCP }, { "udp", IPPROTO_UDP }, { "udplite", IPPROTO_UDPLITE }, { "icmp", IPPROTO_ICMP }, { "esp", IPPROTO_ESP }, { "ah", IPPROTO_AH }, { "sctp", IPPROTO_SCTP }, { "all", 0 }, }; |
if (fw.ip.proto == 0&& (fw.ip.invflags & IPT_INV_PROTO))
exit_error(PARAMETER_PROBLEM,"rule would never match protocol");
如果协议类型为“all”并且协议字段-p后面还有取反标志，即-p ! all，表示不匹配任何协议。这样的规则是没有任何意义的，iptables也不允许这样的规则存在，因此会给出错误提示信息并退出。
(4)、解析tcp协议模块的具体控制参数：--syn
iptables –A INPUT –i eth0 –p tcp --syn –s 10.0.0.0/8 –d 10.1.28.184 –j ACCEPT
针对于--syn符号，会跳转到switch语句的default处执行。因为目前还没有解析到target，因此target=NULL。命令行中没有-m，因此matches=NULL，matchp=NULL，m=NULL。
if (m == NULL&& protocol&&
(!find_proto(protocol, DONT_LOAD,options&OPT_NUMERIC, NULL)
|| (find_proto(protocol, DONT_LOAD,options&OPT_NUMERIC, NULL)
&& (proto_used == 0))
)
&& (m = find_proto(protocol, TRY_LOAD,options&OPT_NUMERIC, &matches))) {
这个逻辑条件判断已经很清晰了：
如果命令行中没有-m，但是有-p，并且find_proto执行失败或者执行成功且协议本身还没有被用过proto_used=0，最后我们试图去加载so库之后再去执行find_proto。当第三执行find_proto函数时，会运行如下的代码部分，因为我们这次是以TRY_LOAD方式执行的：
| #ifndef NO_SHARED_LIBS if (!ptr && tryload != DONT_LOAD && tryload != DURING_LOAD) { char path[strlen(lib_dir) + sizeof("/.so") + strlen(afinfo.libprefix) + strlen(name)]; sprintf(path, "%s/libxt_%s.so", lib_dir, name); if (dlopen(path, RTLD_NOW) != NULL) /* Found library. If it didn't register itself, maybe they specified target as match. */ ptr = find_match(name, DONT_LOAD, NULL); |
以上代码会将我们的…/libxt_tcp.so库加载到当前进程的运行空间中，并导出相关环境变量，此时tcp的模块在执行dlopen时就已经被挂到xtables_matches链表中了。最后再在find_match()函数(find_proto()函数的内部其实就是调的find_match()而已)里递归的调用一次自己。
第二次递归调用自己时，首先会申请一块大小为struct xtables_match{}的内存空间由变量clone来指向，并将tcp.so模块中的信息保存其中，并设置clone->mflags = 0。然后再申请一块大小为struct xtables_rule_match{}大小的内存空间，由变量newentry来保存，将tcp的so模块的信息赋给结构体的相关成员变量。
| for (i = matches; *i; i = &(*i)->next) { #不会执行这个for循环 printf("i=%sn",(i==NULL?"NULL":i)); if (strcmp(name, (*i)->match->name) == 0) (*i)->completed = 1; } newentry->match = ptr; //就是前面的clone所指向的地址空间。 newentry->completed = 0; newentry->next = NULL; *i = newentry; #因为matches是个二级指针，因此这里的*i即*matches=newentry return ptr; #ptr目前就保存了和tcp模块所有相关的内容，ptr最后返回去会赋给 下面的变量m |
然后回到do_command()中继续执行：
| /* Try loading protocol */ size_t size;
proto_used = 1;
printf("Ready to load %s's matchn",protocol);
size = IPT_ALIGN(sizeof(struct ipt_entry_match))+ m->size;
m->m = fw_calloc(1, size); #为内核态的xt_entry_match结构分配存储空间 m->m->u.match_size = size; #整个tcp_match的大小 strcpy(m->m->u.user.name, m->name); set_revision(m->m->u.user.name,m->revision); if (m->init != NULL) m->init(m->m);#调用tcp_init函数初始化内核中的match结构，主要是将xt_entry_match尾部的data数组进行初始化。对TCP来说就是将源、目的端口置为0xFFFF。这并不是重点。
opts = merge_options(opts,m->extra_opts, &m->option_offset); #重点是merge_options操作，将tcp_opts中的数据合并到全局变量opts中去 optind--; continue; #前面说过optind指向当前参数下一个紧挨着的参数的下标。目前只是完成了解析--syn的初始化工作，还并没有对--syn进行解析，因此需要optind--，然后开始解析--syn |
然后程序继续执行while循环，这次依然进入default段进行处理，并进入if (!target||…
只不过这次matches已经不为NULL，因此matchp就可以取到值，matchep即指向了tcp模块。将解析的结果赋给fw结构体的相应成员，并将代表tcp模块的iptables_match赋给m。
| if (!target|| !(target->parse(c - target->option_offset,argv, invert,&target->tflags,&fw, &target->t))) { for (matchp = matches; matchp; matchp = matchp->next) { if (matchp->completed) continue; #调用tcp模块的parse函数，即tcp_parse if (matchp->match->parse(c - matchp->match->option_offset,argv, invert, &matchp->match->mflags,&fw, &matchp->match->m)) break; }
m = matchp ? matchp->match : NULL;
if(m==NULL &&…) #就不会再执行这里了 … … |
至此，对--syn的解析就已经完成了。
(5)、解析源、目的地址：-s 10.0.0.0/8 -d 10.1.28.184
iptables –A INPUT –i eth0 –p tcp --syn –s 10.0.0.0/8 –d 10.1.28.184 –j ACCEPT
| 解析源地址： check_inverse(optarg, &invert, &optind, argc); set_option(&options, OPT_SOURCE, &fw.ip.invflags,invert); shostnetworkmask = argv[optind-1]; #暂存源地址，后面要做进一步分析x.x.x.x/xx
解析目的地址： check_inverse(optarg, &invert, &optind, argc); set_option(&options, OPT_DESTINATION, &fw.ip.invflags,invert); dhostnetworkmask = argv[optind-1]; #暂存目的地址，后面要做进一步分析x.x.x.x/xx |
(6)、解析target：-j ACCEPT
iptables –A INPUT –i eth0 –p tcp --syn –s 10.0.0.0/8 –d 10.1.28.184 –j ACCEPT
首先判断target字串是否合法，jumpto = parse_target(optarg);
然后在xtables_targets全局链表里查找相应的target。因为目前只有标准target，因此最后加载libxt_standard.so库，对应的文件为libxt_standard.c。
| static struct xtables_target standard_target = { .family = AF_INET, .name = "standard", .version = IPTABLES_VERSION, .size = XT_ALIGN(sizeof(int)), .userspacesize = XT_ALIGN(sizeof(int)), .help = standard_help, .parse = standard_parse, }; |
我们可以看到标准target(诸如ACCEPT、DROP、RETURN、QUEUE等)是没有init函数和extra_opts变量的。因此，要做的操作只有下面几个：
| if (target) { size_t size;
size = IPT_ALIGN(sizeof(struct ipt_entry_target))+ target->size;
target->t = fw_calloc(1, size); #为内核中的xt_entry_target分配存储空间 target->t->u.target_size = size; strcpy(target->t->u.user.name, jumpto); set_revision(target->t->u.user.name,target->revision);
#以下操作均不执行。因为target->init和target->extra_ops都为NULL if (target->init != NULL) target->init(target->t); opts = merge_options(opts, target->extra_opts, &target->option_offset); } |
至此，对用户的命令行输入的参数就算全部解析完成了，其中：
- 控制参数的解析结果保存在位图变量command中；
- 规则参数的解析结果保存在位图变量options中；
- 源地址保存在临时变量shostnetworkmask中；
- 目的地址保存在临时变量dhostnetworkmask中；
并完成了对struct ipt_entry{}中struct ipt_ip{}结构体成员的初始化，即对fw.ip的初始化。
(7)、参数和合法性检查
如果是“ADRI”操作但是没有指定源目的地址，默认将其置为全网段0.0.0.0/0。然后，设置源目的掩码fw.ip.smsk和fw.ip.dmsk。
检查command和options的匹配性generic_opt_check(command, options)。它们的相关性由一个二维数组commands_v_options[][]来限定：
至此，所有的解析、校验工作都已完成。接下来我们将要探究，iptables如何与内核交互的问题。
未完，待续…