【转帖LINUX】IP分片重组分析

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1. 前言

对IP碎片的重组是防火墙提高安全性的一个重要手段，通过提前进行碎片重组，可以有效防御各种碎片攻击，Linux内核的防火墙netfilter就自动对IP碎片包进行了重组，本文介绍Linux内核中的IP重组过程，内核代码版本2.4.26。

2. 处理流程
实现IP重组的基本函数为ip_defrag()，在net/ipv4/ip_fragment.c中实现，基本过程是建立碎片处理队列，队列中每个节点是一个链表，这个链表保存同一个连接的碎片，当碎片都到达之后进行数据包重组，或者在一定时间(缺省30秒)内所有碎片包不能到达而释放掉。

2.1 数据结构

在处理分片包时，将skb包的cb字段保存碎片控制信息struct ipfrag_skb_cb。

#define FRAG_CB(skb) ((struct ipfrag_skb_cb*)((skb)->cb))

struct ipfrag_skb_cb
{
struct inet_skb_parm h;
int offset;
};

ipq队列节点结构：

/* Describe an entry in the "incomplete datagrams" queue. */
struct ipq {
// 下一个
struct ipq *next; /* linked list pointers */
// 最新使用链表
struct list_head lru_list; /* lru list member */
// 以下4项用来匹配一组IP分配
u32 saddr;
u32 daddr;
u16 id;
u8 protocol;
// 状态标志
u8 last_in;
#define COMPLETE 4 // 数据已经完整
#define FIRST_IN 2 // 第一个包到达
#define LAST_IN 1 // 最后一个包到达
// 接收到的IP碎片链表
struct sk_buff *fragments; /* linked list of received fragments */
// len是根据最新IP碎片中的偏移信息得出的数据总长
int len; /* total length of original datagram */
// meat是所有碎片实际长度的累加
int meat;
spinlock_t lock;
atomic_t refcnt;
// 超时
struct timer_list timer; /* when will this queue expire? */
// 前一项队列地址
struct ipq **pprev;
// 数据进入网卡的索引号
int iif;
// 最新一个碎片的时间戳
struct timeval stamp;
};

2.2 ip_defrag()函数：

这是进行碎片重组的基本函数，返回重组后的skb包，或者返回NULL。

struct sk_buff *ip_defrag(struct sk_buff *skb)
{
struct iphdr *iph = skb->nh.iph;
struct ipq *qp;
struct net_device *dev;

// 统计信息
IP_INC_STATS_BH(IpReasmReqds);
/* Start by cleaning up the memory. */
// 检查已经分配的碎片内存是否超过所设置的上限
if (atomic_read(&ip_frag_mem) > sysctl_ipfrag_high_thresh)
// ip_evictor()函数释放当前缓冲区中未能重组的数据包,使ip_frag_mem)小于
// sysctl_ipfrag_low_thresh(缓冲低限)
ip_evictor();
dev = skb->dev;

/* Lookup (or create) queue header */
// 根据IP头信息查找队列节点
if ((qp = ip_find(iph)) != NULL) {
struct sk_buff *ret = NULL;
spin_lock(&qp->lock);
// skb数据包进入队列节点链表
ip_frag_queue(qp, skb);
if (qp->last_in == (FIRST_IN|LAST_IN) &&
qp->meat == qp->len)
// 满足重组条件，对数据包进行重组，返回重组后的数据包
ret = ip_frag_reasm(qp, dev);
spin_unlock(&qp->lock);
// 如果队列节点使用数为0，释放队列节点
ipq_put(qp);
return ret;
}

// 找不到相关节点，丢弃该数据包
IP_INC_STATS_BH(IpReasmFails);
kfree_skb(skb);
return NULL;
}

2.3 ip_find()函数

ip_find()函数用于查找符合数据包的源、目的地址、协议和ID的队列节点，找到后返回，如果找不到，则新建一个节点：

static inline struct ipq *ip_find(struct iphdr *iph)
{
__u16 id = iph->id;
__u32 saddr = iph->saddr;
__u32 daddr = iph->daddr;
__u8 protocol = iph->protocol;
// 碎片队列是以HASH表形式实现的
// HASH函数使用源、目的地址、协议和ID四个IP头参数进行
unsigned int hash = ipqhashfn(id, saddr, daddr, protocol);
struct ipq *qp;
read_lock(&ipfrag_lock);
for(qp = ipq_hash[hash]; qp; qp = qp->next) {
if(qp->id == id &&
qp->saddr == saddr &&
qp->daddr == daddr &&
qp->protocol == protocol) {
atomic_inc(&qp->refcnt);
read_unlock(&ipfrag_lock);
return qp;
}
}
read_unlock(&ipfrag_lock);
// 如果不存在，新建队列节点
return ip_frag_create(hash, iph);
}

ip_frag_create()函数，返回一个碎片队列节点

static struct ipq *ip_frag_create(unsigned hash, struct iphdr *iph)
{
struct ipq *qp;
// 分配一个新的碎片队列节点
if ((qp = frag_alloc_queue()) == NULL)
goto out_nomem;
qp->protocol = iph->protocol;
qp->last_in = 0;
qp->id = iph->id;
qp->saddr = iph->saddr;
qp->daddr = iph->daddr;
qp->len = 0;
// meat是当前队列中所有碎片的长度总和
qp->meat = 0;
qp->fragments = NULL;
qp->iif = 0;
/* Initialize a timer for this entry. */
// 队列节点的定时器设置
init_timer(&qp->timer);
qp->timer.data = (unsigned long) qp; /* pointer to queue */
// 超时处理,释放内存,发送ICMP碎片超时错误
qp->timer.function = ip_expire; /* expire function */
qp->lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
// 初始化队列节点的使用数为1，注意不能是0
atomic_set(&qp->refcnt, 1);
// 将碎片节点放入队列HASH表
return ip_frag_intern(hash, qp);

out_nomem:
NETDEBUG(if (net_ratelimit()) printk(KERN_ERR "ip_frag_create: no memory left
!/n"));
return NULL;
}

2.4 ip_frag_queue()函数

ip_frag_queue()函数将新来的skb包插入队列节点中，这个函数是防御各种碎片攻击的关键，要能处理各种异常的重组过程：

// ping of death, teardrop等就是靠异常的碎片偏移来进行攻击,因此需要仔细检查
// 是否碎片偏移是否异常
static void ip_frag_queue(struct ipq *qp, struct sk_buff *skb)
{
struct sk_buff *prev, *next;
int flags, offset;
int ihl, end;

// 对已经有COMPLETE标志的队列节点再来新数据包表示错误
if (qp->last_in & COMPLETE)
goto err;

// 计算当前包的偏移值，IP头中的偏移值只有13位,但表示的是8字节的倍数
offset = ntohs(skb->nh.iph->frag_off);
flags = offset & ~IP_OFFSET;
offset &= IP_OFFSET;
offset <<= 3; /* offset is in 8-byte chunks */
ihl = skb->nh.iph->ihl * 4;

/* Determine the position of this fragment. */
// end是当前包尾在完整包中的位置
end = offset + skb->len - ihl;

/* Is this the final fragment? */
if ((flags & IP_MF) == 0) {
// 已经没有后续分片包了
/* If we already have some bits beyond end
* or have different end, the segment is corrrupted.
*/
if (end < qp->len ||
((qp->last_in & LAST_IN) && end != qp->len))
goto err;
qp->last_in |= LAST_IN;
qp->len = end;
} else {
// 仍然存在后续的分片包,检查数据长度是否是8字节对齐的
if (end&7) {
end &= ~7;
if (skb->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY)
skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
}
if (end > qp->len) {
// 长度超过当前记录的长度
/* Some bits beyond end -> corruption. */
if (qp->last_in & LAST_IN)
goto err;
qp->len = end;
}
}
if (end == offset)
goto err;

// 去掉IP头部分，只保留数据部分
if (pskb_pull(skb, ihl) == NULL)
goto err;
// 将skb包长度调整为end-offset, 该值为该skb包中的实际有效数据长度
if (pskb_trim(skb, end-offset))
goto err;

/* Find out which fragments are in front and at the back of us
* in the chain of fragments so far. We must know where to put
* this fragment, right?
*/
// 确定当前包在完整包中的位置,分片包不一定是顺序到达目的端的,有可能是杂乱顺序的
// 因此需要调整包的顺序
prev = NULL;
for(next = qp->fragments; next != NULL; next = next->next) {
if (FRAG_CB(next)->offset >= offset)
break; /* bingo! */
prev = next;
}

/* We found where to put this one. Check for overlap with
* preceding fragment, and, if needed, align things so that
* any overlaps are eliminated.
*/
// 检查偏移是否有重叠,重叠是允许的,只要是正确的
if (prev) {
int i = (FRAG_CB(prev)->offset + prev->len) - offset;
if (i > 0) {
offset += i;
if (end <= offset)
goto err;
if (!pskb_pull(skb, i))
goto err;
if (skb->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY)
skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
}
}

// 如果重叠,则队列后面的所有包的偏移值都要调整,数据包长度的累加值也要相应减小
while (next && FRAG_CB(next)->offset < end) {
int i = end - FRAG_CB(next)->offset; /* overlap is 'i' bytes */
if (i < next->len) {
/* Eat head of the next overlapped fragment
* and leave the loop. The next ones cannot overlap.
*/
if (!pskb_pull(next, i))
goto err;
FRAG_CB(next)->offset += i;
qp->meat -= i;
if (next->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY)
next->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
break;
} else {
struct sk_buff *free_it = next;
/* Old fragmnet is completely overridden with
* new one drop it.
*/
next = next->next;
if (prev)
prev->next = next;
else
qp->fragments = next;
qp->meat -= free_it->len;
frag_kfree_skb(free_it);
}
}

// skb记录自己的偏移值
FRAG_CB(skb)->offset = offset;
// 将当前的skb插入队列
/* Insert this fragment in the chain of fragments. */
skb->next = next;
if (prev)
prev->next = skb;
else
qp->fragments = skb;
if (skb->dev)
qp->iif = skb->dev->ifindex;
skb->dev = NULL;
// 时间更新
qp->stamp = skb->stamp;
// 当前数据包总长累加
qp->meat += skb->len;
// 将skb大小加到碎片内存中
atomic_add(skb->truesize, &ip_frag_mem);
if (offset == 0)
qp->last_in |= FIRST_IN;
write_lock(&ipfrag_lock);
// 调整碎片节点在最近使用队列中的位置,在存储区超过限值时先释放的是最老的未用的
// 那些碎片
list_move_tail(&qp->lru_list, &ipq_lru_list);
write_unlock(&ipfrag_lock);
return;

err:
// 出错时直接丢弃数据包,但队列中已有的不释放,如果重组失败是等超时或
// 超过碎片内存限值上限时释放
kfree_skb(skb);
}

2.5 ip_frag_reasm()函数

ip_frag_reasm()函数实现最终的数据重组过程,是在所有数据都正确接收后进行

static struct sk_buff *ip_frag_reasm(struct ipq *qp, struct net_device *dev)
{
struct iphdr *iph;
struct sk_buff *fp, *head = qp->fragments;
int len;
int ihlen;

// 将节点从链表中断开,删除定时器
ipq_kill(qp);
BUG_TRAP(head != NULL);
BUG_TRAP(FRAG_CB(head)->offset == 0);
/* Allocate a new buffer for the datagram. */
ihlen = head->nh.iph->ihl*4;
len = ihlen + qp->len;

// IP总长过了限值丢弃
if(len > 65535)
goto out_oversize;
/* Head of list must not be cloned. */
if (skb_cloned(head) && pskb_expand_head(head, 0, 0, GFP_ATOMIC))
goto out_nomem;

/* If the first fragment is fragmented itself, we split
* it to two chunks: the first with data and paged part
* and the second, holding only fragments. */
if (skb_shinfo(head)->frag_list) {
// 队列第一个skb不能是分片的,分片的话重新分配一个skb,自身数据长度为0,
// 最终head的效果是这样一个skb,自身不包括数据,但其end指针,也就是
// struct skb_shared_info结构中的frag_list包含所有碎片skb,这也是skb
// 的一种表现形式,不一定是一个连续的数据块,但最终通过skb_linearize()
// 函数将这些链表节点中的数据都复制到连续数据块中
struct sk_buff *clone;
int i, plen = 0;
if ((clone = alloc_skb(0, GFP_ATOMIC)) == NULL)
goto out_nomem;
clone->next = head->next;
head->next = clone;
skb_shinfo(clone)->frag_list = skb_shinfo(head)->frag_list;
skb_shinfo(head)->frag_list = NULL;
for (i=0; i<skb_shinfo(head)->nr_frags; i++)
plen += skb_shinfo(head)->frags[i].size;
clone->len = clone->data_len = head->data_len - plen;
head->data_len -= clone->len;
head->len -= clone->len;
clone->csum = 0;
clone->ip_summed = head->ip_summed;
atomic_add(clone->truesize, &ip_frag_mem);
}

skb_shinfo(head)->frag_list = head->next;
skb_push(head, head->data - head->nh.raw);
atomic_sub(head->truesize, &ip_frag_mem);

// 依次将所有后续包数据长度累加,并将其长度从分配的内存计数中删除
for (fp=head->next; fp; fp = fp->next) {
head->data_len += fp->len;
head->len += fp->len;
if (head->ip_summed != fp->ip_summed)
head->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
else if (head->ip_summed == CHECKSUM_HW)
head->csum = csum_add(head->csum, fp->csum);
head->truesize += fp->truesize;
atomic_sub(fp->truesize, &ip_frag_mem);
}
head->next = NULL;
head->dev = dev;
head->stamp = qp->stamp;

// 对IP头中的长度和偏移标志进行重置
iph = head->nh.iph;
iph->frag_off = 0;
iph->tot_len = htons(len);
IP_INC_STATS_BH(IpReasmOKs);
// 各碎片skb已经得到处理,在释放qp时将不再重新释放了
qp->fragments = NULL;
return head;
out_nomem:
NETDEBUG(if (net_ratelimit())
printk(KERN_ERR
"IP: queue_glue: no memory for gluing queue %p/n",
qp));
goto out_fail;
out_oversize:
if (net_ratelimit())
printk(KERN_INFO
"Oversized IP packet from %d.%d.%d.%d./n",
NIPQUAD(qp->saddr));
out_fail:
IP_INC_STATS_BH(IpReasmFails);
return NULL;
}

2.6 ipq的释放

重组完成后就要将碎片队列释放掉:

static __inline__ void ipq_put(struct ipq *ipq)
{
if (atomic_dec_and_test(&ipq->refcnt))
ip_frag_destroy(ipq);
}

/* Complete destruction of ipq. */
static void ip_frag_destroy(struct ipq *qp)
{
struct sk_buff *fp;
BUG_TRAP(qp->last_in&COMPLETE);
BUG_TRAP(del_timer(&qp->timer) == 0);
/* Release all fragment data. */
fp = qp->fragments;
while (fp) {
struct sk_buff *xp = fp->next;
// 释放每个碎片skb
frag_kfree_skb(fp);
fp = xp;
}
/* Finally, release the queue descriptor itself. */
// 释放碎片节点本身
frag_free_queue(qp);
}

3. 结论

linux的IP碎片重组过程中考虑了多种可能的异常，具有较大的安全性，因此在数据包进入netfilter架构前进行数据包的重组就可以防御各类碎片攻击。