Netfilter实现机制分析

 Netfilter实现机制分析【原】
                                             By Minit <>

                                                                                                          2008-12  

修改日志：

2009-1-14：重新修改了大部分图片，为了正确体现结构的存储方式，以前未仔细考虑的链表在这次修正了，大部分已改成双向链表。另外，第四节中关于钩子函数存储部分的某些语句做了修改。感谢网友Bigee的提醒。

1.        前言
Netfilter作为目前进行包过滤，连接跟踪，地址转换等的主要实现框架，了解其内部机制对于我们更好的利用Netfilter进行设计至关重要，因此本文通过阅读内核源码2.6.21.2，根据自身的分析总结出Netfilter的大致实现机制，由于自身水平有限，且相关的参考资料较少，因此其中的结论不能保证完全正确，如果在阅读本文的过程中发现了问题欢迎及时与作者联系。
2.        规则的存储与遍历机制
        规则的存储机制
在Netfilter中规则是顺序存储的，一条规则主要包括三个部分：ipt_entry、ipt_entry_matches、ipt_entry_target。ipt_entry_matches由多个ipt_entry_match组成，ipt_entry结构主要保存标准匹配的内容，ipt_entry_match结构主要保存扩展匹配的内容，ipt_entry_target结构主要保存规则的动作。在ipt_entry中还保存有与遍历规则相关的变量target_offset与next_offset，通过target_offset可以找到规则中动作部分ipt_entry_target的位置，通过next_offset可以找到下一条规则的位置。规则的存储如下图2-1所示。

图2-1 规则的存储

     ipt_entry结构如下图2-2所示，其成员ip指向结构ipt_ip，该结构主要保存规则中标准匹配的内容（IP、mask、interface、proto等），target_offset的值等于ipt_entry的长度与ipt_entry_matches的长度之和，next_offset的值等于规则中三个部分的长度之和。通过target_offset与next_offset可以实现规则的遍历。

图2-2 ipt_entry结构

        ipt_entry_match主要保存规则中扩展匹配内容（tos、ttl、time等），其是Netfilter中内核与用户态交互的关键数据结构，在其内核部分由一个函数指针指向一个ipt_match结构，该结构体中包含了对包做匹配的函数，是真正对包做匹配的地方。ipt_entry_target结构与ipt_entry_match结构很类似。
     
图2-3 ipt_entry_match结构
              
 
图2-4 ipt_entry_target结构
        
       规则的遍历机制
在Netfilter中，函数ipt_do_table()实现了规则的遍历，该函数根据传入的参数table和hook找到相应的规则起点，即第一个ipt_entry的位置，主要通过函数get_entry()实现。

private = table->private;
table_base = (void *)private->entries[smp_processor_id()];
e = get_entry(table_base, private->hook_entry[hook]);

        标准匹配是通过函数ip_packet_match()实现的，该函数主要对包的五元组信息进行匹配，扩展匹配则通过宏IPT_MATCH_ITERATE实现，该宏的定义为：

#define IPT_MATCH_ITERATE(e, fn, args...)    \
({                        \
    unsigned int __i;            \
    int __ret = 0;                \
    struct ipt_entry_match *__match;    \
                        \
    for (__i = sizeof(struct ipt_entry);    \
     __i < (e)->target_offset;        \
     __i += __match->u.match_size) {    \
        __match = (void *)(e) + __i;    \
                        \
        __ret = fn(__match , ## args);    \
        if (__ret != 0)            \
            break;            \
    }                    \
    __ret;                    \
})

        宏IPT_MATCH_ITERATE依次调用各个ipt_entry_match所指向的ipt_match中match()处理数据包，在for循环中使用了terget_offset位置变量查找match的位置。
        在对数据包进行了匹配后，接着需要进行相应的动作处理，通过函数ipt_get_target()获取规则动作ipt_entry_target的位置：
         

static __inline__ struct ipt_entry_target *
ipt_get_target(struct ipt_entry *e)
{
    return (void *)e + e->target_offset;
}

        如果还需要继续遍历下一条规则，则继续执行以下语句以找到下一条规则的开始位置：
         

e = (void *)e + e->next_offset;

3.        表、匹配、动作存储及管理机制
       表、匹配、动作的存储机制
规则中所使用到的match、target、table使用全局变量xt_af所指向的相应链表保存，这些链表是在对Netfilter进行初始化或匹配模块扩展时进行更新的，在初始化时，默认的表及动作则添加到相应的链表中。Netfilter实现了很好的扩展性，如需要对数据包的时间进行匹配，则在match的链表中需要首先增加time扩展匹配模块，在相应的规则中则通过指向该time模块所对应的函数match()以进行时间的匹配。xt_af是个一维数组，其按照协议族的不同分别存储，目前我们常用的协议族主要是AF_INET。

图3-1 match,target,table的全局存储
        
match、target、table的全局存储如上图3-1所示，以下为各部分的详细的结构表示。当扩展一个匹配模块时，其会注册一个ipt_match结构到match链表中，该结构的主要变量值如下图所示，name表示扩展模块的名字，match()是该模块最主要的函数，其主要对数据包进行相应的比较，checkentry()主要对包进行相应的完整性检验，destroy()在对模块进行撤销时调用。如果需要自己新加一个扩展模块，则需要构造一个ipt_match结构并注册到相应的链表中。ipt_target的结构与ipt_match相似，其最主要的函数是target()。

 
图3-2 ipt_match结构的存储
   

图3-3 ipt_target结构的存储

table主要是用来对规则进行管理，通过table中的相应参数可以找到相应的规则所处的入口位置。

图3-4 ipt_table结构的存储
   
       表、匹配、动作的管理机制
match、target、table的注册分别调用xt_register_match()、xt_register_target()、xt_register_table()实现，前两个注册函数很相似，xt_register_table()则稍微复杂些。撤销时则分别调用相应的unregister函数实现。xt_register_match()函数的定义如下(xt_match与ipt_match是一样的)：
         

int
xt_register_match(struct xt_match *match)
{
    int ret, af = match->family;

    ret = mutex_lock_interruptible(&xt[af].mutex);
    if (ret != 0)
        return ret;

    list_add(&match->list, &xt[af].match);
    mutex_unlock(&xt[af].mutex);

    return ret;
}

xt_register_table()函数的定义如下(xt_table与ipt_table是一样的)，因为一个xt_table结构中还指向另一结构xt_table_info，该结构主要描述表的相关信息，所以对表注册时需要对这两类结构体进行定义。

int xt_register_table(struct xt_table *table,
         struct xt_table_info *bootstrap,
         struct xt_table_info *newinfo)
{
    int ret;
    struct xt_table_info *private;
    struct xt_table *t;

    ret = mutex_lock_interruptible(&xt[table->af].mutex);
    if (ret != 0)
        return ret;

    /* Don't autoload: we'd eat our tail... */
    list_for_each_entry(t, &xt[table->af].tables, list) {
        if (strcmp(t->name, table->name) == 0) {
            ret = -EEXIST;
            goto unlock;
        }
    }

    /* Simplifies replace_table code. */
    table->private = bootstrap;
    rwlock_init(&table->lock);
    if (!xt_replace_table(table, 0, newinfo, &ret))
        goto unlock;

    private = table->private;
    duprintf("table->private->number = %u\n", private->number);

    /* save number of initial entries */
    private->initial_entries = private->number;

    list_add(&table->list, &xt[table->af].tables);

    ret = 0;
unlock:
    mutex_unlock(&xt[table->af].mutex);
    return ret;
}

4.        钩子函数的存储及管理机制
        钩子函数的存储机制
钩子函数由一个全局二维链表nf_hooks保存，其按照协议族归类存储，在每个协议族中，根据钩子点顺序排列，在钩子点内则根据钩子函数的优先级依次排列。钩子函数的存储图如下图4-1所示，链表中的每个元素都是指向结构体nf_hook_ops中的hook()函数的指针，nf_hook_ops实际存储了钩子函数的内容，其结构如图4-2所示。在相应的钩子点调用钩子函数时，则根据协议族和钩子点找到相应的链表入口，然后依次调用该链中的每一个钩子函数对数据包进行操作。

图4-1 钩子函数的全局存储

图4-2 钩子函数的链表
        钩子函数的管理机制
如果需要在相应的钩子点挂载钩子函数，则需要首先定义一个nf_hook_ops结构，在其中实现实际的钩子函数，再调用函数nf_register_hook()将该钩子函数注册到图4-1所示的二维链表中，nf_register_hook()函数的定义如下：

int nf_register_hook(struct nf_hook_ops *reg)
{
    struct list_head *i;
    int err;

    err = mutex_lock_interruptible(&nf_hook_mutex);
    if (err < 0)
        return err;
    list_for_each(i, &nf_hooks[reg->pf][reg->hooknum]) {
        if (reg->priority < ((struct nf_hook_ops *)i)->priority)
            break;
    }
    list_add_rcu(&reg->list, i->prev);
    mutex_unlock(&nf_hook_mutex);
    return 0;
}

5.        Netfilter的流程框架
      在Netfilter中的不同钩子点调用了不同的钩子函数，这些钩子函数的调用如图4-1所示，其调用的流程框架如下图5-1所示。

图5-1 Netfilter中hook函数的调用流程

        Netfilter中默认表filter在建立时则在NF_IP_LOCAL_IN，NF_IP_FORWARD钩子点注册了钩子函数ipt_hook()，在NF_IP_LOCAL_OUT这个点注册了钩子函数ipt_local_out_hook()，两个钩子函数都会调用ipt_do_table()对相对应的表和钩子点的规则进行遍历。调用的流程如下图5-2所示。

图5-2 Netfilter中规则的调用流程
6.        总结
以上只是简单分析了Netfilter的整体框架，主要描述了其中的实现机制。在这个机制上已经实现了很多功能，除了对基本的功能进行完善和改进外，还出现了很多新的扩展功能。如在此架构上实现的连接跟踪机制和NAT机制，以及结合连接跟踪机制与Netfilter框架实现的Layer7扩展匹配模块等。对此框架的了解，有助于我们更好的利用Netfilter框架实现我们的设计，鉴于自身水平有限，因此以上的分析不能保证全部正确。希望各位批评指正。

由于主要是为了描绘出整个Netfilter的框架，故对其中较细节的的内容有所忽略而未深入分析，如规则的另外一个动作ipt_standard_target，table表注册时的初始化等，但这并不影响对整个框架的了解。至于Netfilter在链路层的实现机制此处也并未分析，因为其实现较简单，且我们大部分是在网络层利用Netfilter架构。分析中也未涉及到用户态规则与内核态规则之间的关系，对于iptables如何操作内核中的规则并未介绍，以后有机会再做详细分析。



PS:因为之前画图自己的不仔细，导致最后两张流程图出现原则性的错误，现在我将主贴与附件都已经更正回来，对于此造成的问题深表歉意。