Linux内核Netfilter框架分析

源远流长jerry2025-03-20 15:23

一、Netfilter框架以及挂接点

1.Netfilter子系统的主要功能

数据包选择（iptables）

数据包过滤

网络地址转换（NAT）

数据包操控

连接跟踪

网络统计信息

1. 数据包选择（iptables 规则匹配）

  • 功能：根据预设规则（如源 / 目标 IP、端口、协议等）精准识别和选择特定数据包，为后续操作（如过滤、NAT 等）提供条件。

  • 例子 ：
    使用 iptables 规则选择来自 192.168.1.100 且目标端口为 80 的 HTTP 数据包：

    复制代码 
    iptables -A INPUT -s 192.168.1.100 -p tcp --dport 80 -j ACCEPT

    该规则仅匹配符合条件的数据包，并执行允许（ACCEPT）操作。

2. 数据包过滤

  • 功能：基于数据包选择结果，决定允许或拒绝数据包通过，实现网络访问控制。
  • 例子 ：
    禁止来自 203.0.113.5 的所有流量：
复制代码 
  iptables -A INPUT -s 203.0.113.5 -j DROP

该规则会直接丢弃来自该 IP 的数据包，阻止其访问本地系统。

3. 网络地址转换（NAT）

  • 功能：修改数据包的源或目标 IP 和端口，实现多设备共享公网 IP（SNAT）或将公网流量转发到内网（DNAT）。

  • 例子 ：

    • SNAT（源地址转换） ：
      局域网内设备通过路由器访问互联网时，路由器将数据包的源 IP 转换为自己的公网 IP：
    复制代码 
      iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE

    • DNAT（目标地址转换） ：
      将公网对路由器 8080 端口的访问转发到内网服务器 192.168.1.200 的 80 端口：

      bash

      复制代码 
      iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 8080 -j DNAT --to-destination 192.168.1.200:80

4. 数据包操控

  • 功能：修改数据包的字段（如 TTL、TOS、DSCP 等），以实现流量标记、QoS 优先级调整等高级功能。
  • 例子 ：
    使用 mangle 表为特定数据包设置 DSCP 值（用于 QoS）：
复制代码 
  iptables -t mangle -A PREROUTING -p tcp --dport 80 -j DSCP --set-dscp 0x20

该规则将目标端口为 80 的 HTTP 数据包的 DSCP 值设置为 0x20，以便网络设备优先处理。

5. 连接跟踪

  • 功能：跟踪网络连接的状态（如新建、已建立、相关），确保返回流量能正确匹配原有连接，简化规则配置。

  • 例子 ：
    允许已建立的连接返回流量：

    复制代码 
    iptables -A INPUT -m conntrack --ctstate ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT

    该规则自动允许与现有连接相关的响应数据包通过，无需为每个响应单独设置规则。

6. 网络统计信息

  • 功能：统计匹配特定规则的数据包数量和流量大小，用于监控和分析网络行为。
  • 例子 ：
    统计访问 22 端口（SSH）的数据包数量：
复制代码 
  iptables -A INPUT -p tcp --dport 22 -m statistic --mode count --probability 1 -j LOG --log-prefix "SSH Access: "
  • 该规则会记录所有匹配的 SSH 连接尝试次数，并写入系统日志，便于后续分析。

2.Linux内核子系统常用框架

1. IPVS（IP Virtual Server，IP 虚拟服务器）

  • 功能与原理 ：
    IPVS 是 Linux 内核实现的传输层负载均衡框架，工作在网络层（L4），支持多种负载均衡模式（如 NAT 模式、DR 模式、TUN 模式），通过调度算法将客户端请求分发到后端多个真实服务器，实现高可用、高性能的服务集群。内核 2.6.28 起支持 IPv6。
  • 示例（DR 模式配置） ：

    • 安装工具 ：

      复制代码 
      yum install ipvsadm  # 或 apt install ipvsadm

    • 配置负载均衡规则 （假设后端服务器 IP 为 192.168.1.10 和 192.168.1.11，服务端口 80，调度算法为轮询）：

    • 说明：客户端访问虚拟 IP（VIP_IP）的 80 端口时，IPVS 会通过轮询算法将请求分发到后端真实服务器。

2. ip sets

  • 功能与原理 ：
    ip sets 是用户空间工具 ipset 和内核模块组成的框架，用于管理 IP 集合（如 IP 地址、端口范围、MAC 地址等）。通过预定义集合，可在 iptables 规则中快速匹配大量 IP，提升规则效率，避免逐条编写规则。
  • 示例（封禁多个恶意 IP） ：

    • 创建 IP 集合 ：

      复制代码 
      ipset create bad_ips hash:ip  # 创建名为 bad_ips 的 IP 集合

    • 添加恶意 IP 到集合 ：

      复制代码 
      ipset add bad_ips 203.0.113.10  
ipset add bad_ips 203.0.113.11

    • 结合 iptables 过滤 ：

      复制代码 
      iptables -A INPUT -m set --match-set bad_ips src -j DROP  # 丢弃来自集合中 IP 的流量

    • 说明 ：通过 ipset 管理恶意 IP，iptables 规则直接匹配集合，简化大量 IP 过滤场景。

3. iptables

  • 功能与原理 ：
    iptables 是 Netfilter 的前端管理工具，通过定义规则链（如 INPUT、OUTPUT、FORWARD）和规则，实现数据包过滤、NAT、流量操控等功能。规则基于匹配条件（如协议、端口、IP）执行动作（ACCEPT、DROP、MASQUERADE 等）。
  • 示例（基础防火墙规则） ：

    • 允许本地回环流量 ：

      复制代码 
      iptables -A INPUT -i lo -j ACCEPT

    • 允许已建立的连接返回流量 ：

      复制代码 
      iptables -A INPUT -m conntrack --ctstate ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT

    • 禁止外部访问本地 22 端口（SSH） ：

      复制代码 
      iptables -A INPUT -p tcp --dport 22 -j DROP

    • 说明：通过 iptables 逐条定义规则，控制不同场景下的网络流量，是构建 Linux 防火墙的核心工具。

3.Netfilter挂接点

在网络栈有5个地方设置Netfilter挂接点，但要注意ipv4和ipv6中挂接点名称相同。

1. NF_INET_PRE_ROUTING

  • 位置与作用 ：
    所有入站数据包（无论是发往本地还是需转发的）进入内核后遇到的第一个挂接点，位于路由选择（判断数据包是本地接收还是转发）之前。主要用于修改数据包的目标地址（如 DNAT）、过滤非法入站流量等。
  • 典型场景 ：
    • 实现网络地址转换（NAT）中的目标地址转换。例如，将公网用户对路由器 8080 端口的访问，通过该挂接点修改目标地址，转发到内网 Web 服务器的 80 端口。
    • 临时地址修改：在测试场景中，可临时修改数据包的目标地址（类似简易 DNAT），将外部对特定端口的访问重定向到本地其他服务端口，用于调试网络服务映射逻辑。
    • 流量过滤：例如，在数据包进入路由判断前，通过规则丢弃来源不可信的数据包（如恶意 IP 扫描流量）。

2. NF_INET_LOCAL_IN

  • 位置与作用 ：
    处理发往本地主机的数据包（经路由选择判定为本地接收）。数据包到达此挂接点后，会进入上层协议（如 TCP、UDP）进一步处理，最终交付给本地应用程序（如 Web 服务器、SSH 服务）。
  • 典型场景 ：
    本地防火墙规则在此挂接点过滤非法访问本地服务的流量。例如，禁止外部主机访问本地的 SSH 服务（端口 22），可在此挂接点添加规则丢弃相关数据包。

3. NF_INET_FORWARD

  • 位置与作用 ：
    处理需转发的数据包（经路由选择判定不发往本地，需转发到其他网络）。只有开启内核转发功能（net.ipv4.ip_forward=1），且数据包符合转发规则时，才会经过此挂接点。
  • 典型场景 ：
    在路由器或网关设备中，对转发的流量进行过滤或策略控制。例如，限制转发的数据包带宽，或丢弃恶意 IP 的转发流量。

4. NF_INET_LOCAL_OUT

  • 位置与作用 ：
    处理本地主机生成的出站数据包（如本地发起的 HTTP 请求、SSH 连接）。数据包在此挂接点完成本地协议栈处理（如封装 IP 头），随后进入 NF_INET_POST_ROUTING 挂接点。
  • 典型场景 ：
    对本地生成的数据包进行标记或策略调整。例如，为本地发送的视频流数据包设置 QoS 优先级，确保实时传输质量。

5. NF_INET_POST_ROUTING

  • 位置与作用 ：
    所有出站数据包（包括本地生成的数据包和转发的数据包）离开内核前的最后一个挂接点。常用于修改数据包的源地址（如 SNAT），确保出站流量的源 IP 符合网络规划。
  • 典型场景 ：
    局域网共享公网 IP 上网时，路由器通过此挂接点将内网设备的源 IP 转换为公网 IP（SNAT），使内网设备能访问互联网。

总结：挂接点处理流程

  1. 入站数据包先经过 NF_INET_PRE_ROUTING ，路由选择后：
    • 若发往本地，进入 NF_INET_LOCAL_IN，交付本地应用；
    • 若需转发，进入 NF_INET_FORWARD ，再经 NF_INET_POST_ROUTING 发送。
  2. 本地生成的出站数据包先经过 NF_INET_LOCAL_OUT ，再通过 NF_INET_POST_ROUTING 发送。
    这些挂接点为 Netfilter 实现数据包过滤、NAT、流量控制等功能提供了核心支撑。

NF_HOOK

数据包在内核网络栈中传输时，会在某些地方调用NF_HOOK宏使用挂接函数。

  • pf ：协议簇，对于 IPv4 用 NFPROTO_IPV4；对于 IPv6 用 NFPROTO_IPV6。
  • hook ：表示 5 个 Netfilter 挂接点之一，如 NF_INET_PRE_ROUTING。
  • skb：要处理的数据包的 SKB（Socket Buffer，套接字缓冲区）对象。
  • indev：输入网络设备（接收数据包的接口）。
  • outdev：输出网络设备（发送数据包的接口）。
  • okfn ：函数指针，指向钩子回调函数执行完毕后需调用的默认处理函数，该函数接收 skb 作为参数。

4.注册Netfilter钩子回调函数结构体

要在前面5个挂接点注册Netfilter钩子回调函数，首先需要定义一个nf_hook_ops对象，然后进行注册：

netfilter回调函数返回值如下：

1. #define NF_DROP 0

  • 含义：表示直接丢弃当前数据包，阻止其继续在网络协议栈中传输。

  • 示例 ：
    在内核模块中，若检测到数据包源 IP 属于恶意攻击源（如扫描本地端口的 IP），可通过返回 NF_DROP 丢弃该数据包。

    cpp 复制代码 
    static unsigned int drop_malicious_pkt(void *priv, struct sk_buff *skb, const struct nf_hook_state *state) {  
    struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);  
    if (is_malicious_ip(iph->saddr)) {  // 假设存在检测恶意 IP 的函数  
        printk(KERN_INFO "Dropping malicious packet\n");  
        return NF_DROP;  
    }  
    return NF_ACCEPT;  
}

2. #define NF_ACCEPT 1

  • 含义：允许数据包像正常流程一样继续在内核网络协议栈中传输，不进行阻断。

  • 示例 ：
    对合法的 Web 访问流量，钩子函数不做干预，返回 NF_ACCEPT 让数据包继续到达传输层。

    cpp 复制代码 
    static unsigned int allow_web_traffic(void *priv, struct sk_buff *skb, const struct nf_hook_state *state) {  
    struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);  
    if (iph->dport == htons(80)) {  // 目标端口为 80（HTTP）  
        return NF_ACCEPT;  // 允许访问 Web 服务的数据包通过  
    }  
    return NF_DROP;  
}

3. #define NF_STOLEN 2

  • 含义：表示数据包不再继续沿协议栈传输，由钩子函数完全接管处理（如复制、保存数据包用于其他用途）。

  • 示例 ：
    网络监控场景中，钩子函数复制数据包到自定义缓冲区分析，不再让原数据包继续传输。

    cpp 复制代码 
    static unsigned int steal_pkt_for_monitor(void *priv, struct sk_buff *skb, const struct nf_hook_state *state) {  
    struct sk_buff *new_skb;  
    new_skb = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);  // 克隆数据包  
    if (new_skb) {  
        // 对 new_skb 进行分析（如解析协议内容）  
        monitor_packet(new_skb);  
        return NF_STOLEN;  // 原数据包不再继续传输  
    }  
    return NF_ACCEPT;  
}

4. #define NF_QUEUE 3

  • 含义 ：将数据包送入用户空间队列，由用户空间程序（如 iptables 配合 libnetfilter_queue 库）进一步处理。

  • 示例 ：
    用户空间程序需定义回调函数处理入队数据包，实现灵活的策略（如动态过滤）。

    cpp 复制代码 
    // 内核模块钩子函数  
static unsigned int queue_pkt(void *priv, struct sk_buff *skb, const struct nf_hook_state *state) {  
    return NF_QUEUE;  // 数据包入队，交用户空间处理  
}  

// 用户空间程序（简化逻辑）  
int main() {  
    struct nfq_handle *h;  
    struct nfq_q_handle *qh;  
    // 初始化队列连接...  
    nfq_callback *cb = &process_packet;  
    nfq_set_callback(qh, cb);  
    // 循环处理入队数据包...  
    return 0;  
}  
static int process_packet(struct nfq_q_handle *qh, struct nfgenmsg *msg, struct nfq_data *data, void *user) {  
    // 分析数据包，决定放行或丢弃（如用户空间判断后返回 ACCEPT 或 DROP）  
    return nfq_verdict(qh, NF_ACCEPT, 0, NULL);  
}

5. #define NF_REPEAT 4

  • 含义：要求内核重新调用当前挂接点的钩子函数链，通常用于特殊场景（如钩子函数修改了数据包关键信息，需重新检查）。

  • 示例 ：
    钩子函数修改了数据包的目标 IP 后，希望重新执行路由判断，可返回 NF_REPEAT。

    cpp 复制代码 
    static unsigned int modify_dst_ip_and_repeat(void *priv, struct sk_buff *skb, const struct nf_hook_state *state) {  
    struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);  
    iph->daddr = new_dst_ip;  // 修改目标 IP  
    return NF_REPEAT;  // 重新执行当前挂接点的钩子函数链（如重新路由判断）  
}

具体案例参考：Linux内核Netfilter使用实战案例分析-CSDN博客

二、连接跟踪

链接跟踪能够让内核跟踪会话，主要目标为NAT打基础。

1.连接跟踪的初始化

名为ipv4_conntrack_ops的nf_hook_ops对象数组如下：

在 Linux 内核的网络子系统中，ipv4_conntrack_ops 结构体数组是用于配置 IPv4 连接跟踪功能的 Netfilter 钩子操作的。下面详细讲解相关内容。

1. Netfilter 框架与钩子机制概述

Netfilter 是 Linux 内核中一个强大的网络数据包处理框架，它允许内核在网络数据包处理的不同阶段（钩子点）插入自定义的处理函数（钩子函数），以实现诸如数据包过滤、地址转换、连接跟踪等功能。

2. nf_hook_ops 结构体

ipv4_conntrack_ops 数组中的元素类型是 nf_hook_ops，这是一个用于描述 Netfilter 钩子操作的结构体，其定义大致如下（不同内核版本可能略有差异）：

cpp 复制代码 
struct nf_hook_ops {
    struct list_head list;
    nf_hookfn *hook;
    struct module *owner;
    int pf;
    int hooknum;
    int priority;
};

下面详细解释其主要成员：

  • nf_hookfn *hook：指向实际的钩子函数的指针。当数据包到达对应的钩子点时，内核会调用这个函数来处理数据包。
  • int pf ：指定该钩子操作适用的协议族，例如 NFPROTO_IPV4 表示 IPv4 协议族。
  • int hooknum ：指定钩子点的编号，例如 NF_INET_PRE_ROUTING、NF_INET_LOCAL_IN 等。不同的编号代表不同的网络数据包处理阶段。
  • int priority：指定钩子函数的优先级。当多个钩子函数注册到同一个钩子点时，内核会按照优先级顺序依次调用这些函数。

3. ipv4_conntrack_ops 数组示例

以下是一个简化的 ipv4_conntrack_ops 数组示例：

cpp 复制代码 
static struct nf_hook_ops ipv4_conntrack_ops[] __read_mostly = {
    {
        .hook       = ipv4_conntrack_in,
        .pf         = NFPROTO_IPV4,
        .hooknum    = NF_INET_PRE_ROUTING,
        .priority   = NF_IP_PRI_CONNTRACK,
    },
    {
        .hook       = ipv4_conntrack_local,
        .pf         = NFPROTO_IPV4,
        .hooknum    = NF_INET_LOCAL_OUT,
        .priority   = NF_IP_PRI_CONNTRACK,
    },
};

4. 数组元素详细解释

第一个元素
  • .hook = ipv4_conntrack_in ：指定了钩子函数为 ipv4_conntrack_in。这个函数的主要作用是在数据包进入内核且还未进行路由决策之前，对 IPv4 数据包进行连接跟踪处理。它会检查数据包是否属于一个已经存在的连接，如果是，则更新连接状态；如果不是，则尝试创建一个新的连接记录。
  • .pf = NFPROTO_IPV4：明确该钩子操作只处理 IPv4 协议的数据包。
  • .hooknum = NF_INET_PRE_ROUTING ：指定钩子点为 NF_INET_PRE_ROUTING，即路由前阶段。这意味着该钩子函数会在数据包进入内核后，在进行路由决策之前被调用。
  • .priority = NF_IP_PRI_CONNTRACK ：设置钩子函数的优先级为 NF_IP_PRI_CONNTRACK。这个优先级确保连接跟踪操作在其他可能依赖连接状态的操作（如防火墙规则匹配）之前执行。
第二个元素
  • .hook = ipv4_conntrack_local ：指定钩子函数为 ipv4_conntrack_local。该函数用于处理从本地系统发出的 IPv4 数据包的连接跟踪。
  • .pf = NFPROTO_IPV4：同样表示只处理 IPv4 协议的数据包。
  • .hooknum = NF_INET_LOCAL_OUT ：指定钩子点为 NF_INET_LOCAL_OUT，即本地输出阶段。这意味着该钩子函数会在本地系统发出数据包时被调用。
  • .priority = NF_IP_PRI_CONNTRACK ：设置优先级为 NF_IP_PRI_CONNTRACK，确保连接跟踪操作优先执行。

5. 作用总结

ipv4_conntrack_ops 数组的主要作用是初始化 IPv4 连接跟踪的 Netfilter 钩子，使得内核能够在网络数据包处理的关键阶段（如路由前和本地输出阶段）对 IPv4 数据包进行连接状态的跟踪和管理。通过这种方式，内核可以为后续的网络功能（如防火墙规则匹配、NAT 转换等）提供准确的连接状态信息。

2.连接跟踪的基本元素是nf_conntrack_tuple结构

一个 nf_conntrack_tuple 是 Linux 内核中用于唯一标识一个网络连接的元组结构体，它包含了连接的源和目的地址、端口、协议等关键信息，为网络连接跟踪、防火墙规则匹配和 NAT 转换等操作提供基础依据。

它是一个相对轻量级的结构体，主要用来描述网络连接的基本元组信息。这些信息包含源地址、目的地址、源端口、目的端口以及所使用的协议（如 TCP、UDP、ICMP 等），就像是网络连接的一个 "标识标签"，能唯一确定一条网络连接。

nf_conntrack_tuple 是 Linux 内核中用于 连接跟踪（Connection Tracking） 的核心结构体，用于描述网络连接的 "流" 特征（如地址、端口、协议等），帮助内核识别网络连接的属性，为防火墙、NAT 等功能提供连接状态匹配依据。以下是关键字段解析：

核心字段讲解

  1. struct nf_conntrack_man src

    • 用于标识连接的 源端信息，包含源地址、端口等核心标识数据。在连接跟踪中，通过解析该字段可确定数据包的源端特征，是识别网络流的重要依据。

  2. 联合体内的 u3 和 all

    • u3：存储 IPv4/IPv6 地址相关信息，适配不同协议的地址格式。
    • all：以 __be16 类型存储通用地址数据，支持扩展其他协议的地址处理，确保结构体兼容多网络协议（如 IPv4、IPv6）的地址解析需求。

  3. struct { __be16 port; } tcp

    • 专门用于 TCP 协议，存储 TCP 连接的端口号。在 TCP 连接跟踪中，端口是识别连接的关键要素之一，结合源 / 目的地址，可唯一标识一条 TCP 连接。

  4. union nf_conntrack_proto proto

    • 存放 不同协议的特定数据（如端口、ICMP 类型 / 代码等）。例如，处理 TCP/UDP 时存储端口，处理 ICMP 时存储类型和代码，使结构体能够适配多种协议的连接跟踪需求，是协议无关性设计的核心体现。

使用场景

  • 连接跟踪 ：内核运用 nf_conntrack_tuple 来跟踪网络连接的状态，记录连接的建立、传输和关闭过程。
  • 防火墙规则匹配 ：防火墙规则可以依据 nf_conntrack_tuple 里的信息进行匹配，从而决定是否允许数据包通过。
  • NAT（网络地址转换） ：NAT 设备在进行地址转换时，会根据 nf_conntrack_tuple 来修改数据包的源或目的地址。

3.连接跟踪的条目结构

一个 nf_conn 是 Linux 内核连接跟踪系统中，代表一条网络连接的综合管理结构体，它整合了连接的标识信息、状态、生命周期管理等关键内容，是实现防火墙、NAT 等网络功能的底层连接状态数据载体。

该结构体则更为复杂和全面，它代表了一个完整的网络连接对象。nf_conn 会包含 nf_conntrack_tuple 类型的成员，借助 nf_conntrack_tuple 来记录连接的基本标识信息。同时，nf_conn 还会记录连接的其他状态信息，像连接的当前状态（新建、已建立、关闭等）、超时时间、引用计数等。可以把 nf_conn 看作是对 nf_conntrack_tuple 的进一步扩展和封装，它不仅包含了连接的标识，还涵盖了连接的整个生命周期管理和状态信息。

重要字段

  • struct nf_conntrack ct_general ：

    作为 nf_conn 的核心成员，ct_general 整合了连接跟踪的通用信息，包括：

    • 连接元组信息 ：通过 nf_conntrack_tuple 描述连接的源 / 目的地址、端口、协议等标识信息，用于唯一识别网络连接。
    • 连接状态 ：记录连接当前所处状态（如新建 CT_NEW、已建立 CT_ESTABLISHED、断开 CT_CLOSE 等）。
    • 超时管理：维护连接的超时时间，用于自动清理长时间无活动的连接，释放系统资源。

  • 引用计数机制 ：

    虽然代码片段未完全展示，但 nf_conn 依赖引用计数（如通过 nf_conntrack_get() 和 nf_conntrack_put() 接口）管理结构体的生命周期。例如，哈希表引用、数据包关联引用等场景都会增减计数，确保连接资源在无引用时正确释放。

4.函数nf_contrack_in

函数概述

nf_conntrack_in 是 Linux 内核中用于 IPv4 连接跟踪的关键函数，它作为 Netfilter 钩子函数，在数据包进入内核网络栈且尚未进行路由决策时被调用。其主要功能是对输入的数据包进行连接跟踪处理，判断数据包是否属于已存在的连接，若不属于则尝试创建新的连接记录，同时更新连接状态，为后续的防火墙规则匹配、NAT 转换等网络功能提供基础。

参数说明

  • struct sk_buff *skb：指向 sk_buff 结构体的指针，sk_buff 是 Linux 内核中用于表示网络数据包的结构体，包含了数据包的所有信息，如网络层头部、传输层头部、数据部分等。
  • const struct nf_hook_state *state：指向 nf_hook_state 结构体的指针，该结构体包含了当前钩子点的状态信息，如协议族、钩子点编号等。

内部重要流程讲解

1. 检查数据包是否已被跟踪
cpp 复制代码 
tmpl = nf_ct_get(skb, &ctinfo);
if (tmpl || ctinfo == IP_CT_UNTRACKED) {
    /* Previously seen (loopback or untracked)?  Ignore. */
    if ((tmpl && !nf_ct_is_template(tmpl)) ||
         ctinfo == IP_CT_UNTRACKED) {
        NF_CT_STAT_INC_ATOMIC(state->net, ignore);
        return NF_ACCEPT;
    }
    skb->_nfct = 0;
}
  • 功能 ：通过 nf_ct_get 函数尝试获取数据包对应的连接跟踪信息。如果已经存在连接跟踪信息（tmpl 不为空）或者该数据包被标记为无需跟踪（ctinfo == IP_CT_UNTRACKED），则根据情况进行处理。若满足特定条件，则增加 ignore 统计计数器，并直接接受该数据包（返回 NF_ACCEPT）。若不满足条件，则将 skb 中的连接跟踪指针置为 0。
  • 意义：避免对已经处理过或者无需跟踪的数据包进行重复处理，提高处理效率。
2. 获取传输层协议信息
cpp 复制代码 
dataoff = get_l4proto(skb, skb_network_offset(skb), state->pf, &protonum);
if (dataoff <= 0) {
    pr_debug("not prepared to track yet or error occurred\n");
    NF_CT_STAT_INC_ATOMIC(state->net, error);
    NF_CT_STAT_INC_ATOMIC(state->net, invalid);
    ret = NF_ACCEPT;
    goto out;
}
  • 功能 ：调用 get_l4proto 函数从数据包中提取传输层协议信息，包括协议号（存储在 protonum 中）和传输层头部相对于数据包起始位置的偏移量（存储在 dataoff 中）。如果获取失败（dataoff <= 0），则记录错误信息，增加 error 和 invalid 统计计数器，将返回值设为 NF_ACCEPT 并跳转到 out 标签处结束处理。
  • 意义：为后续根据不同的传输层协议进行相应的连接跟踪处理做准备。
3. 处理 ICMP 数据包
cpp 复制代码 
if (protonum == IPPROTO_ICMP || protonum == IPPROTO_ICMPV6) {
    ret = nf_conntrack_handle_icmp(tmpl, skb, dataoff,
                                   protonum, state);
    if (ret <= 0) {
        ret = -ret;
        goto out;
    }
    /* ICMP[v6] protocol trackers may assign one conntrack. */
    if (skb->_nfct)
        goto out;
}
  • 功能 ：如果数据包的协议号是 ICMP（IPPROTO_ICMP）或 ICMPv6（IPPROTO_ICMPV6），则调用 nf_conntrack_handle_icmp 函数对 ICMP 数据包进行特殊处理。根据该函数的返回值进行相应操作，如果返回值小于等于 0，则取其相反数作为最终返回值并跳转到 out 标签处；如果 skb 中已经有连接跟踪信息，则直接跳转到 out 标签处。
  • 意义：ICMP 协议有其特殊的工作机制，需要专门的处理函数来进行连接跟踪，确保 ICMP 数据包的连接状态能被正确跟踪。
4. 解析并处理正常连接
cpp 复制代码 
repeat:
ret = resolve_normal_ct(tmpl, skb, dataoff,
                        protonum, state);
if (ret < 0) {
    /* Too stressed to deal. */
    NF_CT_STAT_INC_ATOMIC(state->net, drop);
    ret = NF_DROP;
    goto out;
}

ct = nf_ct_get(skb, &ctinfo);
if (!ct) {
    /* Not valid part of a connection */
    NF_CT_STAT_INC_ATOMIC(state->net, invalid);
    ret = NF_ACCEPT;
    goto out;
}

ret = nf_conntrack_handle_packet(ct, skb, dataoff, ctinfo, state);
if (ret <= 0) {
    /* Invalid: inverse of the return code tells
     * the netfilter core what to do */
    pr_debug("nf_conntrack_in: Can't track with proto module\n");
    nf_conntrack_put(&ct->ct_general);
    skb->_nfct = 0;
    NF_CT_STAT_INC_ATOMIC(state->net, invalid);
    if (ret == -NF_DROP)
        NF_CT_STAT_INC_ATOMIC(state->net, drop);
    /* Special case: TCP tracker reports an attempt to reopen a
     * closed/aborted connection. We have to go back and create a
     * fresh conntrack.
     */
    if (ret == -NF_REPEAT)
        goto repeat;
    ret = -ret;
    goto out;
}
  • 功能 ：
    • 调用 resolve_normal_ct 函数尝试解析并创建正常的连接跟踪信息。如果返回值小于 0，表示系统压力过大无法处理，增加 drop 统计计数器，将返回值设为 NF_DROP 并跳转到 out 标签处。
    • 通过 nf_ct_get 函数获取数据包对应的连接跟踪结构体 ct。如果获取失败，说明该数据包不属于一个有效的连接，增加 invalid 统计计数器，将返回值设为 NF_ACCEPT 并跳转到 out 标签处。
    • 调用 nf_conntrack_handle_packet 函数对数据包进行进一步处理。如果返回值小于等于 0，表示处理失败，记录错误信息，释放连接跟踪资源，增加 invalid 和 drop 统计计数器。如果返回值为 -NF_REPEAT，则跳转到 repeat 标签处重新尝试创建连接跟踪信息。
  • 意义：这是处理非 ICMP 数据包的核心流程，负责解析、创建和处理正常的连接跟踪信息，确保数据包所属的连接能被正确跟踪和管理。

5.网络地址转换NAT

网络地址转换（NAT）模块主要要用于处理IP地址转换或端口操纵。NAT最常见的用途之一是：让局域网中的一组使用私有ip地址的主机能够通过内部网关访问Internet，为此可以设置NAT规则。

一、NAT 基础概念讲解

1. NAT 类型
  • 静态 NAT：建立私有 IP 与公共 IP 的固定映射关系，一对一永久绑定。常用于需要外部主动访问内部固定服务的场景（如内部服务器对外提供服务）。
  • 动态地址 NAT：维护一个公共 IP 地址池，当内部主机访问外部网络时，从地址池中动态分配公共 IP 进行转换，释放后可重新分配给其他主机。
  • 网络地址端口转换（NAPT） ：将内部多个私有 IP 映射到外部网络的 同一个公共 IP 的不同端口，通过端口区分不同连接，解决公共 IP 稀缺问题，是家庭路由器最常用的 NAT 方式。
2. NAT 主要功能
  • 数据伪装：修改 IP 包的源 / 目的地址，隐藏内部网络结构，实现私有网络与公共网络的通信。
  • 负载均衡：通过 NAT 网关将流量分配到多个内部服务器，提升服务处理能力。
  • 端口转发：将外部对网关某端口的访问转发到内部特定主机的指定端口，实现内部服务对外暴露。
  • 透明代理：对用户透明，自动处理地址转换，无需终端用户配置。
3. NAT 工作原理

当私有网络主机与公共网络主机通信时，IP 包经过 NAT 网关，网关修改 IP 包的源 IP（出网时，私有 IP → 公共 IP）或目的 IP（入网时，公共 IP → 私有 IP），使内部网络借助少量公共 IP 实现与外部通信，同时隐藏内部网络拓扑。

二、nf_nat_ipv4_ops 结构体数组解析

nf_nat_ipv4_ops 是 Linux 内核中用于 IPv4 NAT 功能的 Netfilter 钩子操作数组，通过在不同网络处理阶段挂载钩子函数，实现 NAT 地址转换。以下是数组元素详解：

1. 过滤数据包前修改目标地址（NF_INET_PRE_ROUTING）
cpp 复制代码 
{
   .hook       = iptable_nat_ipv4_in,
   .pf         = NFPROTO_IPV4,
   .hooknum    = NF_INET_PRE_ROUTING,
   .priority   = NF_IP_PRI_NAT_DST,
},
  • 作用 ：在数据包进入内核且未路由前，处理 目的地址转换（DNAT）。例如，外部访问网关某端口时，通过此钩子将目的 IP 转换为内部服务器 IP。
  • 关键字段 ：
    • hook：绑定钩子函数 iptable_nat_ipv4_in，执行 DNAT 逻辑。
    • hooknum：NF_INET_PRE_ROUTING 钩子点，确保在路由决策前修改目的地址。
2. 过滤数据包后修改源地址（NF_INET_POST_ROUTING）
复制代码 
{
   .hook       = iptable_nat_ipv4_out,
   .pf         = NFPROTO_IPV4,
   .hooknum    = NF_INET_POST_ROUTING,
   .priority   = NF_IP_PRI_NAT_SRC,
},
  • 作用 ：在数据包即将离开内核网络栈时，处理 源地址转换（SNAT）。例如，内部主机访问外部网络，通过此钩子将源 IP 替换为网关公共 IP。
  • 关键字段 ：
    • hook：钩子函数 iptable_nat_ipv4_out 负责 SNAT 操作。
    • hooknum：NF_INET_POST_ROUTING 钩子点，保证在数据包路由后、发送前修改源地址。
3. 本地输出前修改目标地址（NF_INET_LOCAL_OUT）
复制代码 
{
   .hook       = iptable_nat_ipv4_local_fn,
   .pf         = NFPROTO_IPV4,
   .hooknum    = NF_INET_LOCAL_OUT,
   .priority   = NF_IP_PRI_NAT_DST,
},
  • 作用：处理本地生成的数据包（如本地程序发起的网络请求）的目的地址转换，确保本地流量按 NAT 规则正确转换目标地址。
4. 本地输入后修改源地址（NF_INET_LOCAL_IN）
复制代码 
{
   .hook       = iptable_nat_ipv4_fn,
   .pf         = NFPROTO_IPV4,
   .hooknum    = NF_INET_LOCAL_IN,
   .priority   = NF_IP_PRI_NAT_SRC,
},
  • 作用：对进入本地的数据包（如外部响应本地请求的数据包）进行源地址转换，确保 NAT 转换的双向一致性。

注册数组nf_nat_ipv4_ops的工作有iptable_nat_init()来完成。

NAT钩子回调函数。

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