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Linux内核分析 - 网络[七]:NetFilter

2011-07-14 14:45 260 查看
内核版本:2.6.34

NetFilter在2.4.x内核中引入,成为linux平台下进行网络应用的主要扩展,不仅包括防火墙的实现,还包括报文的处理(如报文加密、报文分类统计等)等。
NetFilter数据结构 勾子struct nf_hook_ops[net\filter\core.c]

struct nf_hook_ops {
	struct list_head list;
	/* User fills in from here down. */
	nf_hookfn *hook;
	struct module *owner;
	u_int8_t pf;
	unsigned int hooknum;
	/* Hooks are ordered in ascending priority. */
	int priority;
};
成员list用于链入全局勾子数组nf_hooks中,它一定在第一位,保证&nf_hook_ops->list的值与&nf_hook_ops相同,稍后在使用时会用到这一技巧;

成员hook即用户定义的勾子函数;owner表示注册这个勾子函数的模块,因为netfilter是内核空间的,所以一般为模块来完成勾子函数注册;pf与hooknum一起索引到特定协议特定编号的勾子函数队列,用于索引nf_hooks;priority决定在同一队列(pf与hooknum相同)的顺序,priority越小则排列越靠前。

struct nf_hook_ops只是存储勾子的数据结构,而真正存储这些勾子供协议栈调用的是nf_hooks,从定义可以看出,它其实就是二维数组的链表。

struct list_head nf_hooks[NFPROTO_NUMPROTO][NF_MAX_HOOKS]; [net\filter\core.c]

其中NFPROTO_NUMPROTO表示勾子关联的协议,可取值:

enum {
	NFPROTO_UNSPEC =  0,
	NFPROTO_IPV4   =  2,
	NFPROTO_ARP    =  3,
	NFPROTO_BRIDGE =  7,
	NFPROTO_IPV6   = 10,
	NFPROTO_DECNET = 12,
	NFPROTO_NUMPROTO,
};
NF_MAX_HOOKS表示勾子应用的位置,可选值在每个协议模块内部定义,这些值代表了勾子函数在协议流程中应用的位置(稍后会以bridge为例详细说明),大致上都有以下值:

NF_XXX_PRE_ROUTING,
	NF_XXX_LOCAL_IN,
	NF_XXX_FORWARD,
	NF_XXX_LOCAL_OUT,
	NF_XXX_POST_ROUTING,
	NF_XXX_NUMHOOKS


NetFilter注册

在了解了nf_hook_ops和nf_hooks后,来看下如何操作nf_hooks中的元素。

nf_register_hook()将nf_hook_ops注册到nf_hooks中:

int nf_register_hook(struct nf_hook_ops *reg)
{
	struct nf_hook_ops *elem;
	int err;

	err = mutex_lock_interruptible(&nf_hook_mutex);
	if (err < 0)
		return err;
	list_for_each_entry(elem, &nf_hooks[reg->pf][reg->hooknum], list) {
		if (reg->priority < elem->priority)
			break;
	}
	list_add_rcu(®->list, elem->list.prev);
	mutex_unlock(&nf_hook_mutex);
	return 0;
}
这个函数很简单,从指定pf&hooknum的nf_hooks队列遍历,按priority从小到大顺序,将reg插入相应位置,完成勾子函数的注册。

nf_unregister_hook()将nf_hook_ops从nf_hooks中注销掉:

void nf_unregister_hook(struct nf_hook_ops *reg)
{
	mutex_lock(&nf_hook_mutex);
	list_del_rcu(®->list);
	mutex_unlock(&nf_hook_mutex);
	synchronize_net();
}
这个函数更简单,从nf_hooks中删除reg。

内核同时还提供了nf_register_hooks()和nf_unregister_hooks(),将reg重复注册n次或将reg从nf_hooks中注销n次。当勾子函数注册完成后,nf_hooks的结构如图所示:




NetFilter调用
在报文在内核协议栈传递时,会调用NetFilter模块对报文进行特定的进滤,这样的过滤在代码中随处可见。

以上一篇讲过的网桥为例,对于要进行网桥处理的报文,handle_bridge()->br_handle_frame(),如果端口处理于LEARNING或FORWARDING状态,且报文目的地址正确,则会调用br_handle_frame()进行后续处理,而这个函数调用就是:

NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,

br_handle_frame_finish);

NF_HOOK()->NF_HOOK_THRESH()->nf_hook_thresh()->nf_hook_slow():

int nf_hook_slow(u_int8_t pf, unsigned int hook, struct sk_buff *skb,
		 struct net_device *indev,
		 struct net_device *outdev,
		 int (*okfn)(struct sk_buff *),
		 int hook_thresh)
{
	struct list_head *elem;
	unsigned int verdict;
	int ret = 0;

	/* We may already have this, but read-locks nest anyway */
	rcu_read_lock();

	elem = &nf_hooks[pf][hook];
next_hook:
	verdict = nf_iterate(&nf_hooks[pf][hook], skb, hook, indev,
			     outdev, &elem, okfn, hook_thresh);
	if (verdict == NF_ACCEPT || verdict == NF_STOP) {
		ret = 1;
	} else if (verdict == NF_DROP) {
		kfree_skb(skb);
		ret = -EPERM;
	} else if ((verdict & NF_VERDICT_MASK) == NF_QUEUE) {
		if (!nf_queue(skb, elem, pf, hook, indev, outdev, okfn,
			      verdict >> NF_VERDICT_BITS))
			goto next_hook;
	}
	rcu_read_unlock();
	return ret;
}
nf_hook_slow()从nf_hooks中找出到执行的勾子队列,依次执行,然后根据返回值决定是否继续(由nf_iterate()完成)。参数中的pf和hook代表了注册勾子函数时给的参数PF和HOOKNUM,它们共同决定勾子函数要插入的nf_hook的哪个队列中。

作为过滤报文的勾子函数的返回值是值得注意的地方,可取值如下:

#define NF_DROP 0
#define NF_ACCEPT 1
#define NF_STOLEN 2
#define NF_QUEUE 3
#define NF_REPEAT 4
#define NF_STOP 5
先以nf_iterate()函数为例,elem->hook()表示执行勾子函数,执行结构为verdict;

unsigned int nf_iterate(……)
{
	unsigned int verdict;

	list_for_each_continue_rcu(*i, head) {
		struct nf_hook_ops *elem = (struct nf_hook_ops *)*i;
		if (hook_thresh > elem->priority)
			continue;
		verdict = elem->hook(hook, skb, indev, outdev, okfn);
		if (verdict != NF_ACCEPT) {
			if (verdict != NF_REPEAT)
				return verdict;
			*i = (*i)->prev;
		}
	}
	return NF_ACCEPT;
}
根据nf_iterate()返回,会有以下情况:

1.
如果结果为NF_ACCEPT,表示勾子函数允许报文继续向下处理,此时应该继续执行队列上的下一个勾子函数,因为这些勾子函数都是对同一类报文在相同位置的过滤,前一个通后,并不能返回,而要所有函数都执行完,结果仍为NF_ACCEPT时,则可返回它;

2.
如果结果为NF_REPEAT,表示要重复执行勾子函数一次;所以勾子函数要编写得当,否则报文会一直执行一个返回NF_REPEAET的勾子函数,当返回值为NF_REPEAT时,不会返回;

3.
如果为其它结果,则不必再执行队列上的其它函数,直接返回它;如NF_STOP表示停止执行队列上的勾子函数,直接返回;NF_DROP表示丢弃掉报文;NF_STOLEN表示报文不再往上传递,与NF_DROP不同的是,它没有调用kfree_skb()释放掉skb;NF_QUEUE检查给定协议(pf)是否有队列处理函数,有则进行处理,否则丢掉。

了解了这些值再来看nf_hook_slow()中对于nf_iterate()返回值的处理就明了了:

if (verdict == NF_ACCEPT || verdict == NF_STOP) {
	ret = 1;
} else if (verdict == NF_DROP) {
	kfree_skb(skb);
	ret = -EPERM;
} else if ((verdict & NF_VERDICT_MASK) == NF_QUEUE) {
	if (!nf_queue(skb, elem, pf, hook, indev, outdev, okfn,
			 verdict >> NF_VERDICT_BITS))
		goto next_hook;
}
最后还是以bridge来说明下hooks参数的意义,上面已经讲过,它决定了在协议流程的何处调用勾子函数;因为使用NetFilter的目的是在内核态处理报文,而哪些地方可以处理报文只能是内核已经定义好的。一般来说,内核会在报文发送和接收的关键位置添加勾子函数处理,查找代码中NF_HOOK即可知。下面以bridge,为例,来看下在哪些地方用到了,以及这些值的含义:






NetFilter的存在使得在内核空间对报文进行用户定义的要求处理变得可能、简单。一般来说,编写好struct nf_hook_ops,其中hook/pf/ hook是必给的参数,然后使用nf_register_hook进行注册就可以了。整个过滤文件可以写了一个内核模块,用insmod进行动态加载。
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