Netfilter连接跟踪状态解析

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背景介绍

Netfilter是Linux防火墙内核部分的实现，其对应的用户空间工具即大名鼎鼎的iptables。 由于Netfilter代码及框架具有非常好的扩展性，所以很多中小公司都是基于Netfilter进行二次开发，即使其性能不是特别理想——这是由 Netfilter自身的设计决定的。
连接跟踪是状态防火墙或者七层网关的基础。这就要求对Netfilter连接跟踪模块要比较熟悉，才能做好二次开发。本文主要解析了Netfilter连接跟踪状态，更准确的说是skb数据包的连接状态。

本文是基于Linux 3.3.8内核代码进行解析的。

连接跟踪状态

下面代码是Netfilter定义的各种连接状态：

enum ip_conntrack_info {
    /* Part of an established connection (either direction). */
    IP_CT_ESTABLISHED,

    /* Like NEW, but related to an existing connection, or ICMP error
       (in either direction). */
    IP_CT_RELATED,

    /* Started a new connection to track (only
           IP_CT_DIR_ORIGINAL); may be a retransmission. */
    IP_CT_NEW,

    /* >= this indicates reply direction */
    IP_CT_IS_REPLY,

    IP_CT_ESTABLISHED_REPLY = IP_CT_ESTABLISHED + IP_CT_IS_REPLY,
    IP_CT_RELATED_REPLY = IP_CT_RELATED + IP_CT_IS_REPLY,
    IP_CT_NEW_REPLY = IP_CT_NEW + IP_CT_IS_REPLY,
    /* Number of distinct IP_CT types (no NEW in reply dirn). */
    IP_CT_NUMBER = IP_CT_IS_REPLY * 2 - 1
}; 

接下来将对每一种具体状态进行解析。

IP_CT_ESTABLISHED

毫无疑问，表示连接建立。请注意不要与TCP连接搞混，这里的连接是广义的连接。 什么时候内核判定为连接已经建立了呢？在连接匹配函数resolve_normal_ct中：

/* It exists; we have (non-exclusive) reference. */
if (NF_CT_DIRECTION(h) == IP_CT_DIR_REPLY) {
    *ctinfo = IP_CT_ESTABLISHED_REPLY;
    *set_reply = 1;
} else {
    /* Once we've had two way comms, always ESTABLISHED. */
    if (test_bit(IPS_SEEN_REPLY_BIT, &ct->status)) {
        pr_debug("nf_conntrack_in: normal packet for %p\n", ct);
        *ctinfo = IP_CT_ESTABLISHED;
    }
    ...... ......
} 

从上面的代码中，可以看成，在内核收到ORIGINAL方向的数据包，并且设置了IPS_SEEN_REPLY_BIT（看到过REPLY方向的数据包）时，就将连接状态设置为IP_CT_ESTABLISHED。也就是说，在内核收到双方向数据包后，并再次收到ORIGINAL方向数据包时，即视连接已经建立。

那么IPS_SEEN_REPLY_BIT什么时候被设置上的呢？上面的代码中可以看到*set_reply被设置为1。在nf_conntrack_in中，

 if (set_reply && !test_and_set_bit(IPS_SEEN_REPLY_BIT, &ct->status))
        nf_conntrack_event_cache(IPCT_REPLY, ct); 

如果发现set_reply被赋值为1，则设置IPS_SEEN_REPLY_BIT标志位。

IP_CT_RELATED

表示一个与其它连接关联的新建连接。
1）在icmp_error_message中，如果收到的是ICMP报文，并且根据其payload找到了已有连接，则将连接状态设置为IP_CT_RELATED。
2）在init_conntrack中新建连接时，发现其匹配一个expect连接，则将其设置上IPS_EXPECTED_BIT标志。在resolve_normal_ct中发现数据包是ORIGINAL方向并且没有收到过REPLY方向的数据包，并且连接设置了IPS_EXPECTED_BIT标志，则该数据包的连接状态则设置为IP_CT_RELATED。

 if (test_bit(IPS_SEEN_REPLY_BIT, &ct->status)) {
        ...... ......
    } else if (test_bit(IPS_EXPECTED_BIT, &ct->status)) {
        pr_debug("nf_conntrack_in: related packet for %p\n",
             ct);
        *ctinfo = IP_CT_RELATED;
    } else {
        pr_debug("nf_conntrack_in: new packet for %p\n", ct);
        *ctinfo = IP_CT_NEW;
    } 

IP_CT_NEW

表示一个新建连接. 与IP_CT_RELATED相似，只不过在新建连接时没有匹配中expect连接，从而没有设置上EXPECTED标志。这样当收到ORIGINAL方向的数据包，并且没有收到过REPLY方向数据包，连接又没有EXPECTED标志，则数据包的连接状态为IP_CT_NEW。

IP_CT_IS_REPLY

这并不是一个单一状态，更像一个标志位作用。目前只有在icmp_error_message中使用：

if (NF_CT_DIRECTION(h) == IP_CT_DIR_REPLY)
    *ctinfo += IP_CT_IS_REPLY; 

当发现关联的tuple是REPLY方向，则给数据包的连接状态设置上IP_CT_IS_REPLY状态。

IP_CT_ESTABLISHED_REPLY

在resolve_normal_ct中，只要收到REPLY方向的数据包就设置为IP_CT_ESTABLISHED_REPLY。

IP_CT_NEW_REPLY

从字面上看是一个REPLY方向的新建连接状态。本身这就是一个矛盾，或者说不可能存在的状态。对于Netfilter来说，发起连接的方向，被认为是ORIGINAL方向。那么就不可能存在REPLY方向上的新建连接。目前在内核代码中也没有使用这个状态。