iptables的状态检测机制

1.什么是状态检测

  每个网络连接包括以下信息：源地址、目的地址、源端口和目的端口，叫作套接字对(socket pairs)；协议类型、连接状态(TCP协议)和超时时间等。防火墙把这些信息叫作状态(stateful)，能够检测每个连接状态的防火墙叫作状态包过滤防火墙。它除了能够完成简单包过滤防火墙的包过滤工作外，还在自己的内存中维护一个跟踪连接状态的表，比简单包过滤防火墙具有更大的安全性。

  iptables中的状态检测功能是由state选项来实现的。对这个选项，在iptables的手册页中有以下描述：
state

  这个模块能够跟踪分组的连接状态(即状态检测)。

   --state state

  这里，state是一个用逗号分割的列表，表示要匹配的连接状态。有效的状态选项包括：INVAILD，表示分组对应的连接是未知的；ESTABLISHED，表示分组对应的连接已经进行了双向的分组传输，也就是说连接已经建立；NEW，表示这个分组需要发起一个连接，或者说，分组对应的连接在两个方向上都没有进行过分组传输；RELATED，表示分组要发起一个新的连接，但是这个连接和一个现有的连接有关，例如：FTP的数据传输连接和控制连接之间就是RELATED关系。

对于本地产生分组，在PREROUTING或者OUTPUT链中都可以对连接的状态进行跟踪。在进行状态检测之前，需要重组分组的分片。这就是为什么在iptables中不再使用ipchains的ip_always_defrag开关。

UDP和TCP连接的状态表由/proc/net/ip_conntrack进行维护。稍后我们再介绍它的内容。

状态表能够保存的最大连接数保存在/proc/sys/net/ipv4/ip_conntrack_max中。它取决于硬件的物理内存。

2.iptables的状态检测是如何工作的？

  2.1.iptables概述

  在讨论iptables状态检测之前，我们先大体看一下整个netfilter框架。如果要在两个网络接口之间转发一个分组，这个分组将以以下的顺序接收规则链的检查：

  PREROUTING链

  如果必要对这个分组进行目的网络地址转换(DNAT)和mangle处理。同时，iptables的状态检测机制将重组分组，并且以以下某种方式跟踪其状态：

  分组是否匹配状态表中的一个已经实现(ESTABLISHED)的连接。

  它是否是和状态表中某个UDP/TCP连接相关(RELATED)的一个ICMP分组。

  这个分组是否要发起一个新(NEW)的连接。

  如果分组和任何连接无关，就被认为是无效(INVALID)的。

  FORWARD链

  把分组的状态和过滤表中的规则进行匹配，如果分组与所有的规则都无法匹配，就使用默认的策略进行处理。

  POSTROUTING链

  如果有必要，就对分组进行源网络地址转换(SNAT)，

  注意：所有的分组都必须和过滤表的规则进行比较。如果你修改了规则，要拒绝所有的网络流量，那么即使分组的状态匹配状态表中的一个ESTABLISHED条目，也将被拒绝。

下面，我们对UDP、TCP和ICMP三个协议分别进行分析。

  2.2.UDP连接

  UDP(用户数据包协议)是一种无状态协议，以为这个协议没有序列号。不过，这并不意味着我们不能跟踪UDP连接。虽然没有序列号，但是我们还可以使用其它的一些信息跟踪UDP连接的状态。下面是状态表中关于UDP连接的条目：

   udp 17 19 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.50 sport=1032 dport=53 [UNREPLIED] src=192.168.1.50 dst=192.168.1.2 sport=53 dport=1032 use=1

  这个状态表项只有在iptables过滤规则允许建立新的连接时，才能建立。以下的规则可以产生这类状态表项，这两条规则只允许向外的  UDP连接：

  iptables -A INPUT -p udp -m state --state ESTABLISHED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -P udp -m state --state NEW,ESTABLISHED -j ACCEPT

  上面的状态表项包含如下信息：

  连接的协议是UDP(IP协议号17)。

  这个状态表项还有19秒中就超时。

发起连接方向上的源、目的地址和源、目的端口。

应答方向上的源、目的地址和源、目的端口。这个连接使用UNREPLIED标记，表示还没有收到应答。

  UDP连接的超时时间在/usr/src/linux/net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_proto_udp.c文件中设置，如果改变了这个值，需要重新编译Linux内核源代码才能生效。下面是UDP连接超时时间的相关的源代码：

  #define UDP_TIMEOUT (30*HZ)
   #define UDP_STREAM_TIMEOUT (180*HZ)

  一个UDP请求等待应答的时间是30*HZ(这个值一般是30秒)。在上面的例子中，等待的时间已经消耗了11秒，还剩余19秒，如果在这段时间之内没有收到应答分组，这个表项就会被删除。一旦收到了应答，这个值就被重置为30，UNREPLIED标志也被删除。这个表项编程如下形式：

udp 17 28 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.50 sport=1032 dport=53 src=192.168.1.50 dst=192.168.1.2 sport=53 dport=1032 use=1

  如果在这一对源、目的地址和源、目的端口上，发生了多个请求和应答，这个表项就作为一个数据流表项，它的超时时间是180秒。这种情况下，这个表项就变成如下形式：

udp 17 177 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.50 sport=1032 dport=53 src=192.168.1.50 dst=192.168.1.2 sport=53 dport=1032 [ASSURED] use=1

这时我们看到这个表项使用ASSURED标志。一旦连接表项使用ASSURED标志，那么即使在网络负沉重的情况下，也不会被丢弃。如果状态表已经饱和，当新的连接到达时，使用UNREPLIED标志的表项会受被丢弃。

  2.3.TCP连接

  一个TCP连接是通过三次握手的方式完成的。首先，客户程序发出一个同步请求(发出一个SYN分组)；接着，服务器端回应一个SYN|ACK分组；最后返回一个ACK分组，连接完成。整个过程如下所示：

   Client Server

   SYN --->
   <--- SYN+ACK
   ACK --->
   <--- ACK
   ACK --->
   .........
   .........

SYN和ACK是由TCP分组头的标志决定的。在每个TCP分组头还有32位的序列号和应答号用于跟踪会话。

为了跟踪一个TCP连接的状态，你需要使用下面这样的规则：

  iptables -A INPUT -p tcp -m state --state ESTABLISHED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp -m state --state NEW,ESTABLISHED -j ACCEPT

  2.3.1.连接建立过程中状态表的变化

  下面，我们详细讨论在连接建立的每个阶段中，状态表发生的变化：

一旦一个初始SYN分组进入OUTPUT链，并且输出规则允许这个分组建立一个新的连接，状态表的相关表项将如下所示：

cp 6 119 SYN_SENT src=140.208.5.62 dst=207.46.230.218 sport=1311 dport=80 [UNREPLIED] src=207.46.230.218 dst=140.208.5.62 sport=80 dport=1311 use=1

其中，TCP连接状态是SYN_SENT，连接被标记为UNREPLIED。

现在，我们等待SYN+ACK分组的响应。一旦得到响应，这个TCP连接表项就变为：

tcp 6 57 SYN_RECV src=140.208.5.62 dst=207.46.230.218 sport=1311 dport=80 src=207.46.230.218 dst=140.208.5.62 sport=80 dport=1311 use=1

连接的状态变为SYN_RECV，UNREPLIED标志被清除。

现在我们需要等待完成握手的ACK分组。ACK分组到达后，我们首先对其序列号进行一些检查，如果正确，就把这个连接的状态变为ESTABLISHED，并且使用ASSURED标记这个连接。这时，这个连接的状态如下所示：

cp 6 431995 ESTABLISHED src=140.208.5.62 dst=207.46.230.218 sport=1311 dport=80 src=207.46.230.218 dst=140.208.5.62 sport=80 dport=1311 [ASSURED] use=1

  2.3.2.透视状态表

  上面，我们涉及了很多CP连接的状态。现在，我们分析一下TCP连接的状态检测。实际上，状态表只知道NEW、ESTABLISHED、RELATED和INVALID。

  要注意：状态检测的状态不等于TCP状态。当一个SYN分组的响应SYN+ACK分组到达，Netfilter的状态检测模块就会认为连接已经建立。但是，这时还没有完成三次握手，因此TCP连接还没有建立。

  另外，包过滤规则不能删除状态表中的表项，只有连接超时，对应的状态表项才会被删除。ACK分组能够建立一个NEW状态表项。向防火墙之后一台并不存在主机发送ACK分组，并不会返回RST分组，可以证明这个结论。因此，你需要使用以下的规则明确新的TCP连接应该是SYN分组建立的：

  iptables -A INPUT -p tcp !--syn -m state --state NEW -j DROP

这样可以阻止空会话的继续进行。

  2.3.3.超时

  所谓状态表项的超时值是指每个表项存在的最大时间，这些超时值的大小在/usr/src/linux/net/ipv4 /netfilter/ip_conntrack_proto_tcp.c文件中设置。以下是相关的代码：

static unsigned long tcp_timeouts[]
= { 30 MINS, /* TCP_CONNTRACK_NONE, */
5 DAYS, /* TCP_CONNTRACK_ESTABLISHED, */
2 MINS, /* TCP_CONNTRACK_SYN_SENT, */
60 SECS, /* TCP_CONNTRACK_SYN_RECV, */
2 MINS, /* TCP_CONNTRACK_FIN_WAIT, */
2 MINS, /* TCP_CONNTRACK_TIME_WAIT, */
10 SECS, /* TCP_CONNTRACK_CLOSE, */
60 SECS, /* TCP_CONNTRACK_CLOSE_WAIT, */
30 SECS, /* TCP_CONNTRACK_LAST_ACK, */
2 MINS, /* TCP_CONNTRACK_LISTEN, */
};

  2.3.4.连接的中断

关闭一个TCP连接可以有两种方式。第一种类似于建立TCP连接的三次握手。一旦一个TCP会话完成，要终止会话的一方首先发出一个FIN为1的分组。接收方TCP确认这个FIN分组，并同志自己这边的应用程序不要在接收数据了。这个过程可以如下所示：

    Client Server
   .........
   .........
   FIN+ACK --->
   <--- ACK
   <--- FIN+ACK
   ACK --->

在这个过程之中或者之后，状态表的连接状态变为TIME_WAIT。在默认情况下，2分钟之后从状态表删除。

除此之外，还有其它关闭中断的方式。TCP会话的任何一方发出一个RST标志为1的分组，可以快速断开一个TCP连接。而且，RST分组不需要应答。在这种情况下，状态表项的状态变为CLOSE，10秒之后被删除。和http连接经常通过这种方式中断，如果一个连接很长时间没有请求了，服务器端就会发出一个RST分组中断连接。

  2.4.ICMP

  在iptables看来，只有四种ICMP分组，这些分组类型可以被归为NEW、ESTABLISHED两类：

ECHO请求(ping,8)和ECHO应答(pong,0)。

时间戳请求(13)和应答(14)。

信息请求(15)和应答(16)。

地址掩码请求(17)和应答(18)。

这些ICMP分组类型中，请求分组属于NEW，应答分组属于ESTABLISHED。而其它类型的ICMP分组不基于请求/应答方式，一律被归入RELATED。

我们先看一个简单的例子：

   iptables -A OUTPUT -p icmp -m state --state NEW,ESTABLISHED, RELATED -j ACCEPT
   iptables -A INPUT -p icmp -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT

这链条规则进行如下的过滤：

一个ICMP echo请求是一个NEW连接。因此，允许ICMP echo请求通过OUTPUT链。

当对应的应答返回，此时连接的状态是ESTABLISED，因此允许通过INPUT链。而INPUT链没有NEW状态，因此不允许echo请求通过INPUT链。也就是说，这两条规则允许内部主机ping外部主机，而不允许外部主机ping内部主机。

一个重定向ICMP(5)分组不是基于请求/应答方式的，因此属于RELATED。INPUT和OUTPUT链都允许RELATED状态的连接，因此重定向(5)分组可以通过INPUT和OUTPUT链。

3.FTP协议的状态检测

  上面，我们比较详细地介绍了iptables的态检测机制。现在，我们以FTP状态检测为例介绍如何使用iptables进行连接状态检测。

首先，你需要加载ip_conntrack_ftp模块。使用如下规则就可以允许建立FTP控制连接(这里没有考虑IMCP问题):

   iptables -A INPUT -p tcp --sport 21 -m state --state ESTABLESED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 21 -m state --state NEW,ESTABLISED -j ACCEPT

除了控制连接之外，FTP协议还需要一个数据通道，不过，数据连接可以通过主动和被动两种模式建立，我们需要分别讨论。

  3.1.主动模式

  在主动模式下，客户程序在控制通道上，使用PORT命令告诉FTP服务器自己这边的数据传输端口，然后FTP从20端口向这个端口发起一个连接。连接建立后，服务器端和客户端就可以使用这个连接传输数据了，例如：传诵的文件、ls等命令的结果等。因此，在主动模式下FTP数据传输通道是反向建立的，它从FTP服务器端向客户端发起。

  在主动模式下，客户端使用的数据传输端口是不固定的，因此我们需要在规则中使用端口范围。由于客户端使用的端口都是大于1024的，这并不会降低系统的安全性。

  在iptables中，有一个专门跟踪FTP状态的模块--ip_conntrack_ftp。这个模块能够识别出PORT命令，并从中提取端口号。这样，FTP数据传输连接就被归入RELATED状态，它和向外的FTP控制连接相关，因此我们不需要在INPUT链中使用NEW状态。下面的规则可以实现我们的意图：

   iptables -A INPUT -p tcp --sport 20 -m state --state ESTABLISED,RELATED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 20 -m state --state ESTABLISED -j ACCEPT

  3.2.被动模式

  和主动模式相反，在被动模式下，指定连接端口的PORT命令是服务器端发出的。FTP服务器通过PORT命令告诉客户端自己使用的FTP数据传输端口，然后等待客户端建立数据传输连接。在被动模式下，建立数据传输连接的方向和建立控制连接的方向是相同的。因此，被动模式具有比主动模式更好的安全性。

  由于ip_conntrack_ftp模块能够从PORT命令提取端口，因此我们在OUTPUT链中也不必使用NEW状态，下面的规则可以实现对被动模式下的FTP状态检测：

  iptables -A INPUT -p tcp --sport 1024: --dport 1024: -m state --state ESTABLISHED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp --sport 1024: --dport 1024: -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT

综合以上的分析，我们可以得到FTP连接的状态检测规则，对于主动模式的FTP，需要下面的iptables规则：

  iptables -A INPUT -p tcp --sport 21 -m state --state ESTABLESED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 21 -m state --state NEW,ESTABLISED -j ACCEPT
   iptables -A INPUT -p tcp --sport 20 -m state --state ESTABLISED,RELATED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 20 -m state --state ESTABLISED -j ACCEPT

对于被动模式的FTP连接，需要使用如下iptables规则

  iptables -A INPUT -p tcp --sport 21 -m state --state ESTABLESED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 21 -m state --state NEW,ESTABLISED -j ACCEPT
   iptables -A INPUT -p tcp --sport 1024: --dport 1024: -m state --state ESTABLISHED -j ACCEPT
   iptables -A OUTPUT -p tcp --sport 1024: --dport 1024: -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT