詳解LINUX 2.4.x 內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)安全框架
1.概述
在分析LINUX2.4.x網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)現(xiàn)之前先簡單介紹一下它里面包含的幾個重要概念：netfilter、iptables、match、target、nf_sockopt_ops、網(wǎng)絡(luò)安全功能點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)解釋會在后面的分析中講到。
首先是netfilter，它定義了協(xié)議棧中的檢查點(diǎn)和在檢查點(diǎn)上引用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及在檢查點(diǎn)上對這些結(jié)構(gòu)引用的過程。iptables定義了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全功能的規(guī)則的組織以及對規(guī)則的操作。一個規(guī)則中包含零個或多個match和一個target，規(guī)則組織沿用了LINUX2.2.x中的chain，rule的概念，但是增加了table的概念，這三者的關(guān)系是：table是實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能所有規(guī)則的總和，chain是在某個檢查點(diǎn)上所引用規(guī)則的集合，rule是一個單獨(dú)的規(guī)則。match在規(guī)則中用于匹配數(shù)據(jù)包中的各項(xiàng)參數(shù)，每個match匹配特定的參數(shù)，所以一個規(guī)則中可以有多個match，這包括系統(tǒng)已定義的match，也包括通過內(nèi)核模塊另外添加的match。target在規(guī)則中決定如何處理匹配到的數(shù)據(jù)包，因此在target中實(shí)現(xiàn)了具體的網(wǎng)絡(luò)安全功能。nf_sockopt_ops是在系統(tǒng)調(diào)用get/setssockopt中引用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶空間對規(guī)則的添加、刪除、修改、查詢等動作。以上的結(jié)構(gòu)在使用之前必須先注冊到系統(tǒng)中才能被引用。
LINUX2.4.x網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)現(xiàn)了包過濾，地址轉(zhuǎn)換(包含了LINUX2.2.x中的地址偽裝和透明代理功能并有其他擴(kuò)展功能)，連接跟蹤(這是實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，在它里面實(shí)現(xiàn)了對連接狀態(tài)的記錄和監(jiān)控，與狀態(tài)檢測類似)，Mangle(這是LINUX2.4.x新增的一個功能，它對數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查但不做禁止、丟棄或允許的判斷)。實(shí)現(xiàn)這些功能點(diǎn)需要分別注冊netfilter，iptables，match，target，nf_sockopt_ops的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果實(shí)現(xiàn)其他新的功能，只需定義相應(yīng)的結(jié)構(gòu)并將它注冊到系統(tǒng)中，并且通過用戶空間的配置工具(這個配置工具也須支持新的結(jié)構(gòu))把它加入到規(guī)則中就可以了。這些結(jié)構(gòu)在規(guī)則中自動被引用。
2.netfilter
netfilter定義了協(xié)議棧中的檢查點(diǎn)和檢查點(diǎn)上引用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及對這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)引用的過程。首先看看在檢查點(diǎn)上引用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖所示：
圖中ns_hook_ops就是在檢查點(diǎn)上引用的結(jié)構(gòu)。每個協(xié)議棧預(yù)先定義的8個鏈表數(shù)組用于保存這些結(jié)構(gòu)，這些鏈表與協(xié)議棧中的檢查點(diǎn)一一對應(yīng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，這8個鏈表并不一定都被使用，比如在IPV4中，只定義了5個檢查點(diǎn)，分別對應(yīng)前5個鏈表。nf_hook_ops結(jié)構(gòu)如下：
struct nf_hook_ops
{
struct list_head list;
nf_hookfn hook; /* 函數(shù)指針 */
int pf; /* 結(jié)構(gòu)對應(yīng)的協(xié)議棧號 */
int hooknum; /* 結(jié)構(gòu)對應(yīng)的檢查點(diǎn)號*/
int priority; /* 結(jié)構(gòu)的優(yōu)先值 */
};
nf_register_hook函數(shù)將ns_hook_ops結(jié)構(gòu)注冊到這些鏈表上，鏈表的索引由結(jié)構(gòu)中hooknum指定。同一鏈表上的結(jié)構(gòu)按優(yōu)先值由小到大排列。在檢查點(diǎn)上引用這些結(jié)構(gòu)時，以它們在鏈表上的先后順序引用。
檢查點(diǎn)由宏NF_HOOK定義。在檢查點(diǎn)上，函數(shù)nf_hook_slow調(diào)用函數(shù)nf_iterate遍歷對應(yīng)鏈表并調(diào)用鏈表上的結(jié)構(gòu)ns_hook_ops中定義的函數(shù)。如果結(jié)構(gòu)中的函數(shù)返回NF_ACCEPT，則繼續(xù)調(diào)用下一個結(jié)構(gòu)中的函數(shù);如果結(jié)構(gòu)中的函數(shù)返回NF_DROP或NF_STOLEN或NF_QUEUE，則將這個值返回給nf_hook_slow;如果結(jié)構(gòu)中的函數(shù)返回NF_REPEAT,則重復(fù)調(diào)用此結(jié)構(gòu)上的函數(shù);如果到了鏈表上的最后一個結(jié)構(gòu)，則把這個結(jié)構(gòu)中函數(shù)的返回值返回給ns_hook_slow。在ns_hook_slow中判斷nf_iterate的返回值，如果是NF_ACCEPT，則允許數(shù)據(jù)包通過，并將數(shù)據(jù)包傳遞給協(xié)議棧中的下一個函數(shù);如果是NF_DROP，則釋放數(shù)據(jù)包，協(xié)議棧流程中斷;如果是NF_STOLEN，同樣中斷協(xié)議棧的流程，但是沒有釋放這個數(shù)據(jù)包;如果是NF_QUEUE，則將這個包發(fā)送到用戶空間處理，同時中斷協(xié)議棧的流程。
檢查點(diǎn)分布在協(xié)議棧的流程中，下圖是IPV4中的檢查點(diǎn)：
圖中檢查點(diǎn)的名稱如下：
檢查點(diǎn)編號 檢查點(diǎn)名稱 檢查點(diǎn)所在文件名
1 NF_IP_PRE_ROUTING ip_input.c
2 NF_IP_LOCAL_IN ip_input.c
3 NF_IP_FORWARD ip_forward.c
4 NF_IP_POST_ROUTING ip_output.c
5 NF_IP_LOCAL_OUT ip_output.c
表2.1 IPV4中檢查點(diǎn)的名稱
圖中，ROUTE(1)處對收到的包做路由查找并判斷這個包是需要轉(zhuǎn)發(fā)的包還是發(fā)往本機(jī)上層的包，ROUTE(2)處查找發(fā)出包的路由。NF_IP_PRE_ROUTING處對所有傳入IP層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查，在這之前，有關(guān)數(shù)據(jù)包的版本、長度、校驗(yàn)和等正確性檢查已經(jīng)完成。NF_IP_LOCAL_IN對發(fā)往本機(jī)上層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查。請注意這兩個檢查點(diǎn)與LINUX2.2.x中檢查點(diǎn)的區(qū)別，在LINUX2.2.x沒有區(qū)分發(fā)往本機(jī)上層包和需要轉(zhuǎn)發(fā)的包，所以在做完地址解偽裝之后又調(diào)用了一次路由查找函數(shù)，為解偽裝之后的包查找路由。NF_IP_FORWARD處檢查需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包。NF_IP_POST_ROUTING處對所有向鏈路層傳遞的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查，注意在此處數(shù)據(jù)包的路由已經(jīng)確定。NF_IP_LOCAL_OUT對本機(jī)發(fā)出的包進(jìn)行檢查，此處的路由還沒有確定，所以可以做目的地址轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)某個網(wǎng)絡(luò)安全功能可能需要在多個檢查點(diǎn)上注冊相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，在后面的分析中我們可以看到具體的例子。
#p#3. iptables
iptables實(shí)現(xiàn)對規(guī)則的管理和訪問。它里面有幾個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ipt_entry，ipt_match，ipt_target，ipt_table，用于構(gòu)造規(guī)則表。還有一個重要的函數(shù)ipt_do_table，用于遍歷規(guī)則表并處理規(guī)則表上的結(jié)構(gòu)。
ipt_entry是規(guī)則的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下：
struct ipt_entry
{
struct ipt_ip ip;
unsigned int nfcache;
u_int16_t target_offset;/* target在規(guī)則中的偏移 */
u_int16_t next_offset; /* 下一條規(guī)則的偏移 */
unsigned int comefrom;
struct ipt_counters counters;/* 匹配規(guī)則的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計計數(shù) */
unsigned char elems[0];
};
在ipt_entry中ipt_ip是一個基本的match，它是固定的，用于匹配數(shù)據(jù)包的源地址/源端口、目的地址/目的端口、協(xié)議等。其他的match按需要添加，個數(shù)并不固定，所以在ipt_entry有一個變長的字符數(shù)組保存規(guī)則中match的指針，這些指針指向系統(tǒng)中注冊的match。每個規(guī)則有一個target，決定數(shù)據(jù)包完全匹配規(guī)則后怎樣處理這個數(shù)據(jù)包，它也是一個指向系統(tǒng)注冊的target的指針，并且也放在前面提到的變長字符數(shù)組中。ipt_entry中的target_offset是target在規(guī)則中的偏移，偏移是從規(guī)則的起始地址到target所在位置的長度，還有一個變量next_offset指示下一條規(guī)則偏移，它其實(shí)就是本條規(guī)則的長度。
前面提到在iptables中沿用了LINUX2.2.x中的chain和rule的概念，那么在ipt_entry中如何區(qū)分chain和rule的哪?
我們知道chain是某個檢查點(diǎn)上檢查的規(guī)則的集合。除了默認(rèn)的chain外，還可以創(chuàng)建新的chain。在iptables中，同一個chain里的規(guī)則是連續(xù)存放的。默認(rèn)的chain的最后一條規(guī)則的target是chain的policy。用戶創(chuàng)建的chain的最后一條規(guī)則的target的調(diào)用返回值是NF_RETURN，遍歷過程將返回原來的chain。規(guī)則中的target也可以指定跳轉(zhuǎn)到某個用戶創(chuàng)建的chain上，這時它的target是ipt_stardard_target，并且這個target的verdict值大于0。如果在用戶創(chuàng)建的chain上沒有找到匹配的規(guī)則，遍歷過程將返回到原來chain的下一條規(guī)則上。
ipt_match用于匹配數(shù)據(jù)包的參數(shù)，如TCP數(shù)據(jù)包中的標(biāo)志位，ICMP協(xié)議中的類型等，每個match所感興趣的參數(shù)都不一樣，所以一條規(guī)則可能有多個match。ipt_target決定在數(shù)據(jù)包完全匹配規(guī)則后應(yīng)做什么樣的處理。這兩個在使用之間都必須先注冊到系統(tǒng)的鏈表中才能被規(guī)則引用。對這兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不做過多分析，讀者可以自行參考源代碼。
ipt_table是規(guī)則表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下：
struct ipt_table
{
struct list_head list;
char name[IPT_TABLE_MAXNAMELEN];
struct ipt_replace table;/* 用戶空間傳遞的規(guī)則表 */
unsigned int valid_hooks; /* 有效的檢查點(diǎn)置位*/
rwlock_t lock;
struct ipt_table_info private; /* 規(guī)則表在內(nèi)核中的存儲結(jié)構(gòu) */
struct module *me;
};
在ipt_table中，ipt_replace是用戶空間配置程序傳遞給內(nèi)核的規(guī)則表，這個規(guī)則表不能直接使用，必須先根據(jù)它里面包含的match和target的名稱將match和target轉(zhuǎn)換成在內(nèi)核注冊的match和target的指針，還有一項(xiàng)重要的工作是檢查規(guī)則表中是否有循環(huán)，如果有循環(huán)，要給用戶空間的配置程序報告錯誤。轉(zhuǎn)換之后的規(guī)則表存儲在ipt_table_info中。valid_hooks指示與這個表相關(guān)的檢查點(diǎn)，并把相應(yīng)的位置為1。一個table中可以有多個chain，chain分為系統(tǒng)默認(rèn)的chain(與table注冊的檢查點(diǎn)對應(yīng))和用戶創(chuàng)建的chain。所有的table都注冊放在一個鏈表中，而chain和rule則用偏移值next_offset連接成一個單向鏈表。
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