内核防火墙netfilter入门

作者：yawl (mailto:[e-mail])
主页：http://www.nsfocus.com
日期：2000-10-07

目录：

－. 前言
二. 分析
三. 例子代码
四. 附录：与2.2在应用方面的区别简介
五. 后记


－.前言

  在linux2.2内核中的防火墙ipchains已经被用户广泛认可,它提供了完整的防火墙功
能（包过滤，地址伪装，透明代理），又避免了商业防火墙那高的惊人的价格。如果
你用的是某款国产防火墙，那么十有八九你实际在受到ipchains（有些甚至是2.0系列
中ipfwadm）的保护:-).在未来的2.4内核中，被称为netfilter（
kernelnotes.org/）的防火墙以更好的结构重新构造，并实现了许多新功能，如完整的
动态NAT(2.2内核实际是多对一的"地址伪装")，基于MAC及用户的过滤，真正的基于状
态的过滤（不再是简单的查看tcp的标志位等），包速率限制等。

  在原有的网络部分的LKM中，如果对网络部分进行处理，一般是先生成struct packet
_type结构，在用dev_add_pack将其插入网络层（注意此时的packet_type实际相当于一
个的三层的协议，如ip_packet_type，ipx_8023_packet_type等），具体的例子可参见
phrack 55期和本月小四写的月刊文章<利用
LLKM处理网络通信----对抗IDS、Firewall>。

  而netfilter本身在IP层内提供了另外的5个插入点（其文档中称为HOOK）：
NF_IP_PRE_ROUTING，NF_IP_LOCAL_IN，NF_IP_FORWARD，NF_IP_LOCAL_OUT，NF_IP_POST
_ROUTING，分别对应IP层的五个不同位置，这样理论上在写lkm时便可以选择更适合的切
入点，再辅以netfilter内置的新功能（如connect tracking）,应该会帮助写出功能更
强的lkm。

  本来准备写出一个完整的例子（限制IP连接数），但计划总赶不上变化:-(，只好先贴
出个简单的例子来，权且自我安慰成抛砖引玉了。

  本文的参考配置是linux2.4.0-test4和iptable-1.1.1，好，开始抛砖，闪人喽！  
  

二.分析

  通俗的说，netfilter的架构就是在整个网络流程的若干位置放置了一些检测点（HOOK
），而在每个检测点上上登记了一些处理函数进行处理（如包过滤，NAT等，甚至可以是
用户自定义的功能）。    

  IP层的五个HOOK点的位置如下图所示（copy from ） ：
                       
          --->[1]--->[ROUTE]--->[3]--->[4]--->
                        |            ^
                        |            |
                        |         [ROUTE]
                        v            |
                       [2]          [5]
                        |            ^
                        |            |
                        v            |
               [local process]                 
                      
[1]:NF_IP_PRE_ROUTING：刚刚进入网络层的数据包通过此点（刚刚进行完版本号，校验
    和等检测）， 源地址转换在此点进行；
[2]:NF_IP_LOCAL_IN：经路由查找后，送往本机的通过此检查点,INPUT包过滤在此点进行；
[3]:NF_IP_FORWARD：要转发的包通过此检测点,FORWORD包过滤在此点进行；
[4]:NF_IP_POST_ROUTING：所有马上便要通过网络设备出去的包通过此检测点，内置的目
    的地址转换功能（包括地址伪装）在此点进行；
[5]:NF_IP_LOCAL_OUT：本机进程发出的包通过此检测点，OUTPUT包过滤在此点进行。
                   

  在IP层代码中，有一些带有NF_HOOK宏的语句，如IP的转发函数中有：

<-ipforward.c ip_forward()->               
NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_FORWARD, skb, skb->dev, dev2,
               ip_forward_finish);

  其中NF_HOOK宏的定义提炼如下：

<-/include/linux/netfilter.h->               
#ifdef CONFIG_NETFILTER
#define NF_HOOK(pf, hook, skb, indev, outdev, okfn)            
(list_empty(&nf_hooks[(pf)][(hook)])                    
? (okfn)(skb)                                
: nf_hook_slow((pf), (hook), (skb), (indev), (outdev), (okfn)))
#else /* !CONFIG_NETFILTER */
#define NF_HOOK(pf, hook, skb, indev, outdev, okfn) (okfn)(skb)
#endif /*CONFIG_NETFILTER*/
                              
  如果在编译内核时没有配置netfilter时，就相当于调用最后一个参数，此例中即执行
ip_forward_finish函数；否则进入HOOK点，执行通过nf_register_hook（）登记的功能
（这句话表达的可能比较含糊，实际是进入nf_hook_slow（）函数，再由它执行登记的
函数）。

  NF_HOOK宏的参数分别为：
1.pf：协议族名，netfilter架构同样可以用于IP层之外，因此这个变量还可以有诸如
  PF_INET6，PF_DECnet等名字。
2.hook：HOOK点的名字，对于IP层，就是取上面的五个值；
3.skb：不用多解释了吧；
4.indev：进来的设备，以struct net_device结构表示；
5.outdev：出去的设备，以struct net_device结构表示；
(后面可以看到，以上五个参数将传到用nf_register_hook登记的处理函数中。)
6.okfn:是个函数指针，当所有的该HOOK点的所有登记函数调用完后，转而走此流程。

  这些点是已经在内核中定义好的，除非你是这部分内核代码的维护者，否则无权增加
或修改，而在此检测点进行的处理，则可由用户指定。像packet filter,NAT,connection
track这些功能，也是以这种方式提供的。正如netfilter的当初的设计目标－－提供一
个完善灵活的框架，为扩展功能提供方便。

  如果我们想加入自己的代码,便要用nf_register_hook函数，其函数原型为：
  int nf_register_hook(struct nf_hook_ops *reg)
  我们考察一下struct nf_hook_ops结构：
  
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;
};

  我们的工作便是生成一个struct nf_hook_ops结构的实例，并用nf_register_hook将
其HOOK上。其中list项我们总要初始化为{NULL,NULL}；由于一般在IP层工作，pf总是
PF_INET；hooknum就是我们选择的HOOK点;一个HOOK点可能挂多个处理函数，谁先谁后
，便要看优先级，即priority的指定了。netfilter_ipv4.h中用一个枚举类型指定了内
置的处理函数的优先级：

enum nf_ip_hook_priorities {
    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,
};

  hook是提供的处理函数，也就是我们的主要工作，其原型为：

unsigned int nf_hookfn(unsigned int hooknum,
                   struct sk_buff **skb,
                   const struct net_device *in,
                   const struct net_device *out,
                   int (*okfn)(struct sk_buff *));

  它的五个参数将由NFHOOK宏传进去。                         
  了解了这些，基本上便可以可以写一个lkm出来了。

三.例子代码

这段代码是一个例子，其功能实现了一个IDS,检测几个简单攻击(land,winnuke)和特殊
扫描(nmap)，当然，不会有人真把它当严肃的IDS使用吧:-)。可以利用类似结构干点别
的。。。

<-example.c begin->

/*
*  netfilter module example: it`s a kernel IDS(be quie,donot laugh, my friend)
*  [e-mail]
*  Compile:gcc -O -c -Wall sample.c ，under linux2.4 kernel,netfilter is needed.
*/

#define __KERNEL__
#define MODULE

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define ALERT(fmt,args...) printk("nsfocus: " fmt, ##args)
/*message will be print to screen(too many~),and logged to /var/log/message*/

static unsigned int sample(unsigned int hooknum,struct sk_buff **skb,
                const struct net_device *in,
                const struct net_device *out,int (*okfn)(struct sk_buff *))
{
    struct iphdr *iph;
    struct tcphdr *tcph;
    struct udphdr *udph;
    
    __u32    sip;
    __u32    dip;
    __u16    sport;
    __u16    dport;
    
    iph=(*skb)->nh.iph;
    sip=iph->saddr;
    dip=iph->daddr;

    /*play ip packet here
    (note:checksum has been checked,if connection track is enabled,defrag have been done )*/
    if(iph->ihl!=5){
        ALERT("IP packet with packet from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
    }
    
    if(iph->protocol==6){
        tcph=(struct tcphdr*)((__u32 *)iph+iph->ihl);
        sport=tcph->source;
        dport=tcph->dest;
        /*play tcp packet here*/
        if((tcph->syn)&&(sport==dport)&&(sip==dip)){
            ALERT("maybe land attack ");    
        }
        if(ntohs(tcph->dest)==139&&tcph->urg){
            ALERT("maybe winnuke a from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
        }
        if(tcph->ece&&tcph->cwr){
                ALERT("queso from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
            }
           if((tcph->fin)&&(tcph->syn)&&(!tcph->rst)&&(!tcph->psh)&&(!tcph->ack)&&(!tcph->urg)){
                ALERT("SF_scan from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
            }
           if((!tcph->fin)&&(!tcph->syn)&&(!tcph->rst)&&(!tcph->psh)&&(!tcph->ack)&&(!tcph->urg)){
                ALERT("NULL_scan from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
            }
           if(tcph->fin&&tcph->syn&&tcph->rst&&tcph->psh&&tcph->ack&&tcph->urg){
                ALERT("FULL_Xmas_scan from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
            }
           if((tcph->fin)&&(!tcph->syn)&&(!tcph->rst)&&(tcph->psh)&&(!tcph->ack)&&(tcph->urg)){
                ALERT("XMAS_Scan(FPU)from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
            }
    }    

    else if(iph->protocol==17){
        udph=(struct udphdr *)((__u32 *)iph+iph->ihl);
        sport=udph->source;
        dport=udph->dest;
        /*play udp packet here*/
    }
    
    else if(iph->protocol==1){
        /*play icmp packet here*/
    }    

    else if(iph->protocol==2){
        ALERT("igmp packet from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
        /*play igmp packet here*/
    }    

    else{
        ALERT("unknown protocol%d packet from %d.%d.%d.%d to %d.%d.%d.%d ",iph->protocol,NIPQUAD(sip),NIPQUAD(dip));
    }
    return NF_ACCEPT;
    /*for it is IDS,we just accept all packet,
    if you really want to drop this skb,just return NF_DROP*/
    
}

static struct nf_hook_ops iplimitfilter
={ {NULL,NULL} ,sample,PF_INET,NF_IP_PRE_ROUTING,NF_IP_PRI_FILTER-1};

int init_module(void)
{
    return nf_register_hook(&iplimitfilter);
}

void cleanup_module(void)
{
    nf_unregister_hook(&iplimitfilter);
}

<-example.c end->

四.附录：与2.2在应用方面的区别简介

  本来还想详细介绍一下iptables的用法，但如果说的太详细的话，还不如索性将HOWTO
翻译一下，于是干脆了却了这个念头，只顺便简介一下与以前版本的变化（而且是我认
为最重要的）。如果ipchains本来便没有在你的脑子中扎根，其实便没有必要看这部分。
  
  netfilter，又可称为iptables.开发初期准备将packet filter和NAT的配置工具完全
  分开，一个称为iptables,另一个称为ipnatctl，而将整个项目成为netfilter.但后
  来可能是还是习惯2.2内核中用ipchians一个工具干两件事的用法,又
改为全部用iptables配置了。

  理论上还可以用2.2系列的ipchains和2.0系列的ipfwadm作配置工具，但只是做兼容
或过渡的考虑了。通过源码看到他们也是通过现有的结构HOOK上去的（主要是net/ipv
4/netfilter目录下的ip_fw_compat.c,ip_fw_compat_masq.c,ip_fw_compat_redir.c,
ipchains_core.c,ipfwadm_core.c这几个文件）。  

  一个重要的变化是原有的INPUT,OUTPUT（原来是小写的input,ouput）链（现在应称
为表?）的位置变了,原来的input,output的位置相当于现在的NF_IP_PRE_ROUTING，
NF_IP_POST_ROUTING 。原有的结构确实不太合理，转发的包要经过三条链，现在INPUT
专指去往本机的，OUPUT专指从本机发出的，而FOWARD仍旧是转发的包。

  举两个简单的例子：
  1.作地址伪装(场景:对外通过拨号连接internet)注意原来的MASQ变成好长的
  MASQUERATE,而伪装相当于SNAT,因此位置是在POSTROUTING：
  
  iptables -t nat -A POSTROUTING －o ppp0 -j MASQUERATE
  
  2.还有一个限制包速率的功能比较好玩，例如如下规则：
  
  iptables -A FORWARD -p tcp --syn -m limit --limit 1/s -j ACCEPT
  
  简单的说就是在转发时（-A FORWARD：因为是防火墙嘛），如果是tcp协议，且有syn
标记（-p tcp --syn），可以限制为每秒一个（-m limit --limit 1/s ），行动项是
ACCEPT。最后连起来意义就是每秒只允许转发一个tcp连接请求。
    
  
五.后记  

  netfilter还提供了许多新功能，如可以将包转发到应用层，由应用程序进行处理等
，可目前我还没有分析多少，慢慢抽出点时间看吧。唉，尽管以前看过ipchains的代码
，但netfilter实在变动太大了，一切都要从头看起:-(  

  最后，当然要感谢Rusty Russell，netfilter项目的负责人，不仅为我们提供了这个
强大好用的工具，还写了大量非常优秀的文档。      


参考文献：

[1.] Linux 2.4 Packet Filtering HOWTO
    Rusty Russell, mailing list [e-mail]
      v1.0.1 Mon May  1 18:09:31 CST 2000
[2.] Linux IPCHAINS-HOWTO
      Paul Russell, [e-mail]
      v1.0.7, Fri Mar 12 13:46:20 CST 1999
[3.] Linux 2.4 NAT HOWTO
      Rusty Russell, mailing list [e-mail]
      v1.0.1 Mon May  1 18:38:22 CST 2000
[4.] Linux netfilter Hacking HOWTO
      Rusty Russell, mailing list [e-mail]
      v1.0.1 Sat Jul  1 18:24:41 EST 2000   
[5.] Writing a Module for netfilter
    by Paul "Rusty" Russell  
    Linux Magazine June 2000
[6.] Salvatore Sanfilippo写的一份netfilter sample,但可惜
    我找不到出处了，只剩下手头的一份打印稿，But anyway,thanks to Salvatore.