iptables 防火墙原理详解

Question

1. netfilter 与 iptables

Netfilter 是由 Rusty Russell 提出的 Linux 2.4 内核防火墙框架，该框架既简洁又灵活，可实现安全策略应用中的许多功能，如数据包过滤、数据包处理、地址伪装、透明代理、动态网络地址转换（Network Address Translation，NAT），以及基于用户及媒体访问控制（Media Access Control，MAC）地址的过滤和基于状态的过滤、包速率限制等。Iptables/Netfilter 的这些规则可以通过灵活组合，形成非常多的功能、涵盖各个方面，这一切都得益于它的优秀设计思想。

Netfilter 是 Linux 操作系统核心层内部的一个数据包处理模块，它具有如下功能：

• 网络地址转换（Network Address Translate）
• 数据包内容修改
• 以及数据包过滤的防火墙功能

Netfilter 平台中制定了数据包的五个挂载点（Hook Point，我们可以理解为回调函数点，数据包到达这些位置的时候会主动调用我们的函数，使我们有机会能在数据包路由的时候改变它们的方向、内容），这5个挂载点分别是 PRE_ROUTING、INPUT、OUTPUT、FORWARD、POST_ROUTING。

Netfilter 所设置的规则是存放在内核内存中的，而 iptables 是一个应用层的应用程序，它通过 Netfilter 放出的接口来对存放在内核内存中的 XXtables（Netfilter 的配置表）进行修改。这个 XXtables 由表 tables、链chains、规则 rules 组成，iptables 在应用层负责修改这个规则文件。类似的应用程序还有 firewalld 。

1.1 filter、nat、mangle等规则表

filter 表

主要用于对数据包进行过滤，根据具体的规则决定是否放行该数据包（如DROP、ACCEPT、REJECT、LOG）。filter 表对应的内核模块为iptable_filter，包含三个规则链：

• INPUT链：INPUT针对那些目的地是本地的包
• FORWARD链：FORWARD过滤所有不是本地产生的并且目的地不是本地(即本机只是负责转发)的包
• OUTPUT链：OUTPUT是用来过滤所有本地生成的包

nat 表

主要用于修改数据包的IP地址、端口号等信息（网络地址转换，如SNAT、DNAT、MASQUERADE、REDIRECT）。属于一个流的包(因为包
的大小限制导致数据可能会被分成多个数据包)只会经过这个表一次。如果第一个包被允许做NAT或Masqueraded，那么余下的包都会自动地被做相同的操作，也就是说，余下的包不会再通过这个表。表对应的内核模块为 iptable_nat，包含三个链：

• PREROUTING链：作用是在包刚刚到达防火墙时改变它的目的地址
• OUTPUT链：改变本地产生的包的目的地址
• POSTROUTING链：在包就要离开防火墙之前改变其源地址

mangle 表

主要用于修改数据包的TOS（Type Of Service，服务类型）、TTL（Time To Live，生存周期）指以及为数据包设置Mark标记，以实现Qos(Quality Of Service，服务质量)调整以及策略路由等应用，由于需要相应的路由设备支持，因此应用并不广泛。包含五个规则链——PREROUTING，POSTROUTING，INPUT，OUTPUT，FORWARD。

raw 表

是自1.2.9以后版本的iptables新增的表，主要用于决定数据包是否被状态跟踪机制处理。在匹配数据包时，raw表的规则要优先于其他表。包含两条规则链——OUTPUT、PREROUTING

iptables中数据包和4种被跟踪连接的4种不同状态：

• NEW：该包想要开始一个连接（重新连接或将连接重定向）
• RELATED：该包是属于某个已经建立的连接所建立的新连接。例如：FTP的数据传输连接就是控制连接所 RELATED出来的连接。--icmp-type 0 ( ping 应答) 就是--icmp-type 8 (ping 请求)所RELATED出来的。
• ESTABLISHED ：只要发送并接到应答，一个数据连接从NEW变为ESTABLISHED,而且该状态会继续匹配这个连接的后续数据包。
• INVALID：数据包不能被识别属于哪个连接或没有任何状态比如内存溢出，收到不知属于哪个连接的ICMP错误信息，一般应该DROP这个状态的任何数据。

1.2 INPUT、FORWARD 等规则链和规则

在处理各种数据包时，根据防火墙规则的不同介入时机，iptables供涉及5种默认规则链，从应用时间点的角度理解这些链：

• INPUT链：当接收到防火墙本机地址的数据包（入站）时，应用此链中的规则。
• OUTPUT链：当防火墙本机向外发送数据包（出站）时，应用此链中的规则。
• FORWARD链：当接收到需要通过防火墙发送给其他地址的数据包（转发）时，应用此链中的规则。
• PREROUTING链：在对数据包作路由选择之前，应用此链中的规则，如 DNAT。
• POSTROUTING链：在对数据包作路由选择之后，应用此链中的规则，如 SNAT。

-->PREROUTING-->[ROUTE]-->FORWARD-->POSTROUTING-->
mangle | mangle ^ mangle
nat | filter | nat
| |
| |
v |
INPUT OUTPUT
| mangle ^ mangle
| filter | nat
v ------>local------->| filter

其中中 INPUT、OUTPUT 链更多的应用在 主机防火墙 中，即主要针对服务器本机进出数据的安全控制；而 FORWARD、PREROUTING、POSTROUTING 链更多的应用在 网络防火墙 中，特别是防火墙服务器作为网关使用时的情况。

防火墙处理数据包的方式（规则）：

• ACCEPT：允许数据包通过
• DROP：直接丢弃数据包，不给任何回应信息
• REJECT：拒绝数据包通过，必要时会给数据发送端一个响应的信息。
• SNAT：源地址转换。在进入路由层面的 route 之前，重新改写源地址，目标地址不变，并在本机建立NAT表项，当数据返回时，根据 NAT 表将目的地址数据改写为数据发送出去时候的源地址，并发送给主机。解决内网用户用同一个公网地址上网的问题。
  MASQUERADE，是SNAT的一种特殊形式，适用于像 adsl 这种临时会变的 ip 上
• DNAT:目标地址转换。和SNAT相反，IP 包经过 route 之后、出本地的网络栈之前，重新修改目标地址，源地址不变，在本机建立 NAT 表项，当数据返回时，根据NAT表将源地址修改为数据发送过来时的目标地址，并发给远程主机。可以隐藏后端服务器的真实地址。
  REDIRECT：是DNAT的一种特殊形式，将网络包转发到本地host上（不管IP头部指定的目标地址是啥），方便在本机做端口转发。
• LOG：在/var/log/messages文件中记录日志信息，然后将数据包传递给下一条规则

除去最后一个LOG，前3条规则匹配数据包后，该数据包不会再往下继续匹配了，所以编写的规则顺序极其关键。

2. Linux 数据包路由原理

我们已经知道了 Netfilter 和 Iptables 的架构和作用，并且学习了控制Netfilter行为的Xtables表的结构，那么这个Xtables表是怎么在内核协议栈的数据包路由中起作用的呢？

网口数据包由底层的网卡NIC接收，通过数据链路层的解包之后(去除数据链路帧头)，就进入了TCP/IP协议栈(本质就是一个处理网络数据包的内核驱动)和 Netfilter 混合的数据包处理流程中了。数据包的接收、处理、转发流程构成一个有限状态向量机，经过一些列的内核处理函数、以及 Netfilter Hook 点，最后被转发、或者本次上层的应用程序消化掉。是时候看这张图了：

从上图中，我们可以总结出以下规律：

• 当一个数据包进入网卡时，数据包首先进入PREROUTING链，在PREROUTING链中我们有机会修改数据包的DestIP(目的IP)，然后内核的"路由模块"根据"数据包目的IP"以及"内核中的路由表"判断是否需要转送出去(注意，这个时候数据包的DestIP有可能已经被我们修改过了)
• 如果数据包就是进入本机的(即数据包的目的IP是本机的网口IP)，数据包就会沿着图向下移动，到达INPUT链。数据包到达INPUT链后，任何进程都会-收到它
• 本机上运行的程序也可以发送数据包，这些数据包经过OUTPUT链，然后到达POSTROTING链输出(注意，这个时候数据包的SrcIP有可能已经被我们修改过了)
• 如果数据包是要转发出去的(即目的IP地址不再当前子网中)，且内核允许转发，数据包就会向右移动，经过FORWARD链，然后到达POSTROUTING链输出(选择对应子网的网口发送出去)

我们在写 Iptables 规则的时候，要时刻牢记这张路由次序图，根据所在 Hook 点的不同，灵活配置规则。

3. iptables 编写规则

命令格式：

• [-t 表名]：该规则所操作的哪个表，可以使用 filter、nat 等，如果没有指定则默认为 filter
• -A：新增一条规则，到该规则链列表的最后一行
• -I：插入一条规则，原本该位置上的规则会往后顺序移动，没有指定编号则为1
• -D：从规则链中删除一条规则，要么输入完整的规则，或者指定规则编号加以删除
• -R：替换某条规则，规则替换不会改变顺序，而且必须指定编号。
• -P：设置某条规则链的默认动作
• -nL：-L、-n，查看当前运行的防火墙规则列表
• chain名：指定规则表的哪个链，如 INPUT、OUPUT、FORWARD、PREROUTING等
• [规则编号]：插入、删除、替换规则时用，--line-numbers显示号码
• [-i|o 网卡名称]：i是指定数据包从哪块网卡进入，o 是指定数据包从哪块网卡输出
• [-p 协议类型]：可以指定规则应用的协议，包含 tcp、udp 和 icmp 等
• [-s 源IP地址]：源主机的IP地址或子网地址
• [--sport 源端口号]：数据包的IP的源端口号
• [-d目标IP地址]：目标主机的IP地址或子网地址
• [--dport目标端口号]：数据包的IP的目标端口号
• -m：extend matches，这个选项用于提供更多的匹配参数，如：
  • -m state --state ESTABLISHED,RELATED
  • -m tcp --dport 22
  • -m multiport --dports 80,8080
  • -m icmp --icmp-type 8
• <-j 动作>：处理数据包的动作，包括 ACCEPT、DROP、REJECT 等