Linux Netfilter实现机制和扩展技术-Netfilter Frame（2）

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2.5        iptables核心数据结构2.5.1 表
在Linux内核里，iptables用struct ipt_table表示，定义如下（include/linux/netfilter_ipv4/ip_tables.h）：

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struct ipt_table {     struct list_head list;       /* 表链 */     char name[IPT_TABLE_MAXNAMELEN];       /* 表名，如"filter"、"nat"等，为了满足自动模块加载的设计，      /* 包含该表的模块应命名为iptable_'name'.o */     struct ipt_replace *table;       /* 表模子，初始为initial_table.repl */     unsigned int valid_hooks;       /* 位向量，标示本表所影响的HOOK */     rwlock_t lock;       /* 读写锁，初始为打开状态 */     struct ipt_table_info *private;       /* iptable的数据区，见下 */     struct module *me;       /* 是否在模块中定义 */ }; struct ipt_table_info是实际描述表的数据结构（net/ipv4/netfilter/ip_tables.c）： struct ipt_table_info {     unsigned int size;       /* 表大小 */     unsigned int number;       /* 表中的规则数 */     unsigned int initial_entries;       /* 初始的规则数，用于模块计数 */     unsigned int hook_entry[NF_IP_NUMHOOKS];       /* 记录所影响的HOOK的规则入口相对于下面的entries变量的偏移量 */     unsigned int underflow[NF_IP_NUMHOOKS];       /* 与hook_entry相对应的规则表上限偏移量，当无规则录入时， /* 相应的hook_entry和underflow均为0 */     char entries[0] ____cacheline_aligned;       /* 规则表入口 */ };

例如内建的filter表初始定义如下（net/ipv4/netfilter/iptable_filter.c）：

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static struct ipt_table packet_filter = { { NULL, NULL },    // 链表 "filter",        // 表名    &initial_table.repl,    // 初始的表模板     FILTER_VALID_HOOKS,// 定义为((1 << NF_IP6_LOCAL_IN) |        (1 << NF_IP6_FORWARD) | (1 << NF_IP6_LOCAL_OUT))，       即关心INPUT、FORWARD、OUTPUT三点    RW_LOCK_UNLOCKED,// 锁 NULL,        // 初始的表数据为空      THIS_MODULE     // 模块标示 };

经过调用ipt_register_table(&packet_filter)后，filter表的private数据区即参照模板填好了。
2.5.2 规则
规则用struct ipt_entry结构表示，包含匹配用的IP头部分、一个Target和0个或多个Match。由于Match数不定，所以一条规则实际的占用空间是可变的。结构定义如下（include/linux/netfilter_ipv4）：

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struct ipt_entry {         struct ipt_ip ip;             /* 所要匹配的报文的IP头信息 */         unsigned int nfcache;             /* 位向量，标示本规则关心报文的什么部分，暂未使用 */         u_int16_t target_offset;             /* target区的偏移，通常target区位于match区之后，而match区则在ipt_entry的末尾；             初始化为sizeof(struct ipt_entry)，即假定没有match */         u_int16_t next_offset;             /* 下一条规则相对于本规则的偏移，也即本规则所用空间的总和，             初始化为sizeof(struct ipt_entry)+sizeof(struct ipt_target)，即没有match */     unsigned int comefrom;             /* 位向量，标记调用本规则的HOOK号，可用于检查规则的有效性 */     struct ipt_counters counters;             /* 记录该规则处理过的报文数和报文总字节数 */     unsigned char elems[0];             /*target或者是match的起始位置 */ }

规则按照所关注的HOOK点，被放置在struct ipt_table::private->entries之后的区域，比邻排列。
2.5.3        规则填写过程
在了解了iptables在核心中的数据结构之后，我们再通过遍历一次用户通过iptables配置程序填写规则的过程，来了解这些数据结构是如何工作的了。
一个最简单的规则可以描述为拒绝所有转发报文，用iptables命令表示就是：

1	iptables -A FORWARD -j DROP;

iptables应用程序将命令行输入转换为程序可读的格式（iptables-standalone.c::main()::do_command()，然后再调用libiptc库提供的iptc_commit()函数向核心提交该操作请求。在libiptc/libiptc.c中定义了iptc_commit()（即TC_COMMIT()），它根据请求设置了一个struct ipt_replace结构，用来描述规则所涉及的表（filter）和HOOK点（FORWARD）等信息，并在其后附接当前这条规则--一个struct ipt_entry结构(实际上也可以是多个规则entry)。组织好这些数据后，iptc_commit()调用setsockopt()系统调用来启动核心处理这一请求：

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setsockopt( sockfd,         //通过socket(TC_AF, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)创建的套接字， //其中TC_AF即AF_INET    TC_IPPROTO,    //即IPPROTO_IP    SO_SET_REPLACE,   //即IPT_SO_SET_REPLACE repl,          //struct ipt_replace结构 sizeof(*repl) + (*handle)->entries.size)    //ipt_replace加上后面的ipt_entry

核心对于setsockopt()的处理是从协议栈中一层层传递上来的，调用过程如下图所示：
图6 规则填写过程nf_sockopts是在iptables进行初始化时通过nf_register_sockopt()函数生成的一个struct nf_sockopt_ops结构，对于ipv4来说，在net/ipv4/netfilter/ip_tables.c中定义了一个ipt_sockopts变量（struct nf_sockopt_ops），其中的set操作指定为do_ipt_set_ctl()，因此，当nf_sockopt()调用对应的set操作时，控制将转入net/ipv4/netfilter/ip_tables.c::do_ipt_set_ctl()中。
对于IPT_SO_SET_REPLACE命令，do_ipt_set_ctl()调用do_replace()来处理，该函数将用户层传入的struct ipt_replace和struct ipt_entry组织到filter（根据struct ipt_replace::name项）表的hook_entry[NF_IP_FORWARD]所指向的区域，如果是添加规则，结果将是filter表的private（struct ipt_table_info）项的hook_entry[NF_IP_FORWARD]和underflow[NF_IP_FORWARD]的差值扩大（用于容纳该规则），private->number加1。
2.5.4        规则应用过程
以上描述了规则注入核内iptables的过程，这些规则都挂接在各自的表的相应HOOK入口处，当报文流经该HOOK时进行匹配，对于与规则匹配成功的报文，调用规则对应的Target来处理。仍以转发的报文为例，假定filter表中添加了如上所述的规则：拒绝所有转发报文。
如1.2节所示，经由本地转发的报文经过路由以后将调用ip_forward()来处理，在ip_forward()返回前，将调用如下代码：

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NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_FORWARD, skb, skb->dev, dev2, ip_forward_finish) NF_HOOK是这样一个宏（include/linux/netfilter.h）： #define NF_HOOK(pf, hook, skb, indev, outdev, okfn)         \ (list_empty(&nf_hooks[(pf)][(hook)])                    \ ? (okfn)(skb)                              \ : nf_hook_slow((pf), (hook), (skb), (indev), (outdev), (okfn)))

也就是说，如果nf_hooks[PF_INET][NF_IP_FORWARD]所指向的链表为空（即该钩子上没有挂处理函数），则直接调用ip_forward_finish(skb)完成ip_forward()的操作；否则，则调用net/core/netfilter.c::nf_hook_slow()转入Netfilter的处理。
这里引入了一个nf_hooks链表二维数组：

1	struct list_head nf_hooks[NPROTO][NF_MAX_HOOKS];

每一个希望使用Netfilter挂钩的表都需要将表处理函数在nf_hooks数组的相应链表上进行注册。对于filter表来说，在其初始化（net/ipv4/netfilter/iptable_filter.c::init()）时，调用了net/core/netfilter.c::nf_register_hook()，将预定义的三个struct nf_hook_ops结构（分别对应INPUT、FORWARD、OUTPUT链）连入链表中：

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struct nf_hook_ops {         struct list_head list;             //链表         nf_hookfn *hook;             //处理函数指针         int pf;             //协议号         int hooknum;             //HOOK号         int priority;             //优先级，在nf_hooks链表中各处理函数按优先级排序 };

对于filter表来说，FORWARD点的hook设置成ipt_hook()，它将直接调用ipt_do_table()。几乎所有处理函数最终都将调用ipt_do_table()来查询表中的规则，以调用对应的target。下图所示即为在FORWARD点上调用nf_hook_slow()的过程：
图7 规则应用流程2.5.5 Netfilter的结构特点
由上可见，nf_hooks链表数组是联系报文处理流程和iptables的纽带，在iptables初始化（各自的init()函数）时，一方面调用nf_register_table()建立规则容器，另一方面还要调用nf_register_hook()将自己的挂钩愿望表达给Netfilter框架。初始化完成之后，用户只需要通过用户级的iptables命令操作规则容器（添加规则、删除规则、修改规则等），而对规则的使用则完全不用操心。如果一个容器内没有规则，或者nf_hooks上没有需要表达的愿望，则报文处理照常进行，丝毫不受Netfilter-iptables的影响；即使报文经过了过滤规则的处理，它也会如同平时一样重新回到报文处理流程上来，因此从宏观上看，就像在行车过程中去了一趟加油站。
Netfilter不仅仅有此高效的设计，同时还具备很大的灵活性，这主要表现在Netfilter-iptables中的很多部分都是可扩充的，包括Table、Match、Target以及Connection Track Protocol Helper，下面一节将介绍这方面的内容。