iptables防火墙原理详解,精彩讲座

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3月15日下午,软件学院研会邀请到信息产业部的李云龙老师在主楼205为同学们作了一场精彩的讲座,讲座主题为“关于Linux下的防火墙以及Netfilter架构”。

1. netfilter与iptables

Netfilter是由Rusty Russell提出的Linux
2.4内核防火墙框架,该框架既简洁又灵活,可实现安全策略应用中的许多功能,如数据包过滤、数据包处理、地址伪装、透明代理、动态网络地址转换(Network
Address Translation,NAT),以及基于用户及媒体访问控制(Media Access
Control,MAC)地址的过滤和基于状态的过滤、包速率限制等。Iptables/Netfilter的这些规则可以通过灵活组合,形成非常多的功能、涵盖各个方面,这一切都得益于它的优秀设计思想。

Netfilter是Linux操作系统核心层内部的一个数据包处理模块,它具有如下功能:

  • 网络地址转换(Network Address Translate)
  • 数据包内容修改
  • 以及数据包过滤的防火墙功能

Netfilter 平台中制定了数据包的五个挂载点(Hook
Point,我们可以理解为回调函数点,数据包到达这些位置的时候会主动调用我们的函数,使我们有机会能在数据包路由的时候改变它们的方向、内容),这5个挂载点分别是PRE_ROUTINGINPUTOUTPUTFORWARDPOST_ROUTING

Netfilter 所设置的规则是存放在内核内存中的,而 iptables
是一个应用层的应用程序,它通过 Netfilter
放出的接口来对存放在内核内存中的
XXtables(Netfilter的配置表)进行修改。这个XXtables由表tables、链chains、规则rules组成,iptables在应用层负责修改这个规则文件。类似的应用程序还有
firewalld 。

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Linux之iptables原理详解,linuxiptables详解

目录:

一、netfilter与iptables

二、filter、nat、mangle等规则表

三、INPUT、FORWARD等规则链和规则

四、Linux数据包路由原理

五、iptables编写规则


Netfilter/iptables是Linux下的一个非常优秀的防火墙工具,它完全免费、功能强大、使用灵活、可以对流入和流出的信息进行细化控制,且可以在一台低配置的机器上很好的运行。Netfilter/iptabels应用程序,被认为是Linux中实现包过滤功能的第四代应用程序。可以实现防火墙、NAT和数据包的分割等功能。

1.1 filter、nat、mangle等规则表

filter表

主要用于对数据包进行过滤,根据具体的规则决定是否放行该数据包(如DROP、ACCEPT、REJECT、LOG)。filter
表对应的内核模块为iptable_filter,包含三个规则链:

  • INPUT链:INPUT针对那些目的地是本地的包
  • FORWARD链:FORWARD过滤所有不是本地产生的并且目的地不是本地(即本机只是负责转发)的包
  • OUTPUT链:OUTPUT是用来过滤所有本地生成的包

nat表

主要用于修改数据包的IP地址、端口号等信息(网络地址转换,如SNAT、DNAT、MASQUERADE、REDIRECT)。属于一个流的包(因为包
的大小限制导致数据可能会被分成多个数据包)只会经过这个表一次。如果第一个包被允许做NAT或Masqueraded,那么余下的包都会自动地被做相同的操作,也就是说,余下的包不会再通过这个表。表对应的内核模块为
iptable_nat,包含三个链:

  • PREROUTING链:作用是在包刚刚到达防火墙时改变它的目的地址
  • OUTPUT链:改变本地产生的包的目的地址
  • POSTROUTING链:在包就要离开防火墙之前改变其源地址

mangle表

主要用于修改数据包的TOS(Type Of Service,服务类型)、TTL(Time To
Live,生存周期)指以及为数据包设置Mark标记,以实现Qos(Quality Of
Service,服务质量)调整以及策略路由等应用,由于需要相应的路由设备支持,因此应用并不广泛。包含五个规则链——PREROUTING,POSTROUTING,INPUT,OUTPUT,FORWARD。

raw表

是自1.2.9以后版本的iptables新增的表,主要用于决定数据包是否被状态跟踪机制处理。在匹配数据包时,raw表的规则要优先于其他表。包含两条规则链——OUTPUT、PREROUTING

iptables中数据包和4种被跟踪连接的4种不同状态:

  • NEW:该包想要开始一个连接(重新连接或将连接重定向)
  • RELATED:该包是属于某个已经建立的连接所建立的新连接。例如:FTP的数据传输连接就是控制连接所
    RELATED出来的连接。--icmp-type 0 ( ping 应答)
    就是--icmp-type 8 (ping 请求)所RELATED出来的。
  • ESTABLISHED :只要发送并接到应答,一个数据连接从NEW变为ESTABLISHED,而且该状态会继续匹配这个连接的后续数据包。
  • INVALID:数据包不能被识别属于哪个连接或没有任何状态比如内存溢出,收到不知属于哪个连接的ICMP错误信息,一般应该DROP这个状态的任何数据。

 、netfilter与iptables


  

  (1)Netfilter是由Rusty Russell提出的Linux
2.4内核防火墙框架,该框架既简洁又灵活,可实现安全策略应用中的许多功能,如数据包过滤、数据包处理、地址伪装、透明代理、动态网络地址转换(Network
Address Translation,NAT),以及基于用户及媒体访问控制(Media Access
Control,MAC)地址的过滤和基于状态的过滤、包速率限制等。Iptables/Netfilter的这些规则可以通过灵活组合,形成非常多的功能、涵盖各个方面,这一切都得益于它的优秀设计思想。

  Netfilter是Linux操作系统核心层内部的一个数据包处理模块,它具有如下功能:

  • 网络地址转换(Network Address Translate)
  • 数据包内容修改
  • 数据包过滤防火墙

  (2)Netfilter 平台中制定了数据包的五个挂载点(Hook
Point,我们可以理解为回调函数点,数据包到达这些位置的时候会主动调用我们的函数,使我们有机会能在数据包路由的时候改变它们的方向、内容),这5个挂载点分别是PRE_ROUTINGINPUTOUTPUTFORWARDPOST_ROUTING

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  (3)Netfilter 所设置的规则是存放在内核内存中的,而 iptables
是一个应用层的应用程序,它通过 Netfilter
放出的接口来对存放在内核内存中的
XXtables(Netfilter的配置表)进行修改。这个XXtables由表tables、链chains、规则rules组成,iptables在应用层负责修改这个规则文件。类似的应用程序还有
firewalld 。

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李老师精彩的演讲,获得了同学们的一致好评。李老师的讲座正好与嵌入式同学的开设课程具有紧密的关联,不仅使大家对Linux防火墙的机理有了一定的了解,而且激发了同学们学习的兴趣,使大家对以后的学习充满了热情。讲座期间,李老师不时地提出问题,同学们都积极参与,气氛非常热烈。

1.2 INPUT、FORWARD等规则链和规则

在处理各种数据包时,根据防火墙规则的不同介入时机,iptables供涉及5种默认规则链,从应用时间点的角度理解这些链:

  • INPUT链:当接收到防火墙本机地址的数据包(入站)时,应用此链中的规则。
  • OUTPUT链:当防火墙本机向外发送数据包(出站)时,应用此链中的规则。
  • FORWARD链:当接收到需要通过防火墙发送给其他地址的数据包(转发)时,应用此链中的规则。
  • PREROUTING链:在对数据包作路由选择之前,应用此链中的规则,如DNAT。
  • POSTROUTING链:在对数据包作路由选择之后,应用此链中的规则,如SNAT。
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–>PREROUTING–>[ROUTE]–>FORWARD–>POSTROUTING–>
mangle | mangle ^ mangle
nat | filter | nat
| |
| |
v |
INPUT OUTPUT
| mangle ^ mangle
| filter | nat
v ——>local——->| filter

其中中INPUT、OUTPUT链更多的应用在“主机防火墙”中,即主要针对服务器本机进出数据的安全控制;而FORWARD、PREROUTING、POSTROUTING链更多的应用在“网络防火墙”中,特别是防火墙服务器作为网关使用时的情况。

防火墙处理数据包的方式(规则):

  • ACCEPT:允许数据包通过
  • DROP:直接丢弃数据包,不给任何回应信息
  • REJECT:拒绝数据包通过,必要时会给数据发送端一个响应的信息。

  • SNAT:源地址转换。在进入路由层面的route之前,重新改写源地址,目标地址不变,并在本机建立NAT表项,当数据返回时,根据NAT表将目的地址数据改写为数据发送出去时候的源地址,并发送给主机。解决内网用户用同一个公网地址上网的问题。
    MASQUERADE,是SNAT的一种特殊形式,适用于像adsl这种临时会变的ip上

  • DNAT:目标地址转换。和SNAT相反,IP包经过route之后、出本地的网络栈之前,重新修改目标地址,源地址不变,在本机建立NAT表项,当数据返回时,根据NAT表将源地址修改为数据发送过来时的目标地址,并发给远程主机。可以隐藏后端服务器的真实地址。
    REDIRECT:是DNAT的一种特殊形式,将网络包转发到本地host上(不管IP头部指定的目标地址是啥),方便在本机做端口转发。

  • LOG:在/var/log/messages文件中记录日志信息,然后将数据包传递给下一条规则

除去最后一个LOG,前3条规则匹配数据包后,该数据包不会再往下继续匹配了,所以编写的规则顺序极其关键。

 二、filter、nat、mangle等规则四表


 (1)table有 filter、nat、mangle等规则表;

  filter表

    主要用于对数据包进行过滤,根据具体的规则决定是否放行该数据包(如DROP、ACCEPT、REJECT、LOG)。filter
表对应的内核模块为iptable_filter,包含三个规则链:

  • INPUT链:INPUT针对那些目的地是本地的包
  • FORWARD链:FORWARD过滤所有不是本地产生的并且目的地不是本地(即本机只是负责转发)的
  • OUTPUT链:OUTPUT是用来过滤所有本地生成的包    

  nat表

    主要用于修改数据包的IP地址、端口号等信息(网络地址转换,如SNAT、DNAT、MASQUERADE、REDIRECT)。属于一个流的包(因为包的大小限制导致数据可能会被分成多个数据包)只会经过

  这个表一次。如果第一个包被允许做NAT或Masqueraded,那么余下的包都会自动地被做相同的操作,也就是说,余下的包不会再通过这个表。表对应的内核模块为
iptable_nat,包含三个链

  • PREROUTING链:作用是在包刚刚到达防火墙时改变它的目的地址
  • OUTPUT链:改变本地产生的包的目的地址
  • POSTROUTING链:在包就要离开防火墙之前改变其源地址

  mangle表

    主要用于修改数据包的TOS(Type Of Service,服务类型)、TTL(Time
To Live,生存周期)指以及为数据包设置Mark标记,以实现Qos(Quality Of
Service,服务质量)调整以及策略路由等

  应用,由于需要相应的路由设备支持,因此应用并不广泛。包含五个规则链——PREROUTING,POSTROUTING,INPUT,OUTPUT,FORWARD。

  raw表

    是自1.2.9以后版本的iptables新增的表,主要用于决定数据包是否被状态跟踪机制处理。在匹配数据包时,raw表的规则要优先于其他表。包含两条规则链——OUTPUT、PREROUTING

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(2)iptables中数据包和4种被跟踪连接的4种不同状态:

  • NEW该包想要开始一个连接(重新连接或将连接重定向)
  • RELATED该包是属于某个已经建立的连接所建立的新连接。例如:FTP的数据传输连接就是控制连接所
    RELATED出来的连接。--icmp-type 0 ( ping 应答)
    就是--icmp-type 8 (ping 请求)所RELATED出来的。
  • ESTABLISHED :只要发送并接到应答,一个数据连接从NEW变为ESTABLISHED,而且该状态会继续匹配这个连接的后续数据包。
  • INVALID数据包不能被识别属于哪个连接或没有任何状态比如内存溢出,收到不知属于哪个连接的ICMP错误信息,一般应该DROP这个状态的任何数据。

 


编辑 存磊

2. Linux数据包路由原理

我们已经知道了Netfilter和Iptables的架构和作用,并且学习了控制Netfilter行为的Xtables表的结构,那么这个Xtables表是怎么在内核协议栈的数据包路由中起作用的呢?

网口数据包由底层的网卡NIC接收,通过数据链路层的解包之后(去除数据链路帧头),就进入了TCP/IP协议栈(本质就是一个处理网络数据包的内核驱动)和Netfilter混合的数据包处理流程中了。数据包的接收、处理、转发流程构成一个有限状态向量机,经过一些列的内核处理函数、以及Netfilter
Hook点,最后被转发、或者本次上层的应用程序消化掉。是时候看这张图了:
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从上图中,我们可以总结出以下规律:

  • 当一个数据包进入网卡时,数据包首先进入PREROUTING链,在PREROUTING链中我们有机会修改数据包的DestIP(目的IP),然后内核的”路由模块”根据”数据包目的IP”以及”内核中的路由表”判断是否需要转送出去(注意,这个时候数据包的DestIP有可能已经被我们修改过了)
  • 如果数据包就是进入本机的(即数据包的目的IP是本机的网口IP),数据包就会沿着图向下移动,到达INPUT链。数据包到达INPUT链后,任何进程都会-收到它
  • 本机上运行的程序也可以发送数据包,这些数据包经过OUTPUT链,然后到达POSTROTING链输出(注意,这个时候数据包的SrcIP有可能已经被我们修改过了)
  • 如果数据包是要转发出去的(即目的IP地址不再当前子网中),且内核允许转发,数据包就会向右移动,经过FORWARD链,然后到达POSTROUTING链输出(选择对应子网的网口发送出去)

我们在写Iptables规则的时候,要时刻牢记这张路由次序图,根据所在Hook点的不同,灵活配置规则。

三、INPUT、FORWARD等规则五链和规则 


 

(1)在处理各种数据包时,根据防火墙规则的不同介入时机,iptables供涉及5种默认规则链,从应用时间点的角度理解这些链:

  • INPUT链:当接收到防火墙本机地址的数据包(入站)时,应用此链中的规则。

  • OUTPUT链:当防火墙本机向外发送数据包(出站)时,应用此链中的规则。

  • FORWARD链:当接收到需要通过防火墙发送给其他地址的数据包(转发)时,应用此链中的规则。

  • PREROUTING链:在对数据包作路由选择之前,应用此链中的规则,如DNAT。

  • POSTROUTING链:在对数据包作路由选择之后,应用此链中的规则,如SNAT。

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(2)其中中INPUT、OUTPUT链更多的应用在“主机防火墙”中,即主要针对服务器本机进出数据的安全控制;而FORWARD、PREROUTING、POSTROUTING链更多的应用在“网络防火 墙”中,特别是防火墙服务器作为网关使用时的情况。

  


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3. iptables编写规则

命令格式:
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  • [-t 表名]:该规则所操作的哪个表,可以使用filter、nat等,如果没有指定则默认为filter
  • -A:新增一条规则,到该规则链列表的最后一行
  • -I:插入一条规则,原本该位置上的规则会往后顺序移动,没有指定编号则为1
  • -D:从规则链中删除一条规则,要么输入完整的规则,或者指定规则编号加以删除
  • -R:替换某条规则,规则替换不会改变顺序,而且必须指定编号。
  • -P:设置某条规则链的默认动作
  • -nL-L-n,查看当前运行的防火墙规则列表
  • chain名:指定规则表的哪个链,如INPUT、OUPUT、FORWARD、PREROUTING等
  • [规则编号]:插入、删除、替换规则时用,--line-numbers显示号码
  • [-i|o 网卡名称]:i是指定数据包从哪块网卡进入,o是指定数据包从哪块网卡输出
  • [-p 协议类型]:可以指定规则应用的协议,包含tcp、udp和icmp等
  • [-s 源IP地址]:源主机的IP地址或子网地址
  • [--sport 源端口号]:数据包的IP的源端口号
  • [-d目标IP地址]:目标主机的IP地址或子网地址
  • [--dport目标端口号]:数据包的IP的目标端口号
  • -m:extend matches,这个选项用于提供更多的匹配参数,如:
    • -m state —state ESTABLISHED,RELATED
    • -m tcp —dport 22
    • -m multiport —dports 80,8080
    • -m icmp —icmp-type 8
  • <-j 动作>:处理数据包的动作,包括ACCEPT、DROP、REJECT等

具体实例请参考 iptables常用实例备查。

参考

  • wikipedia
    iptables (里面有张原理图片值得收藏)
  • 2小时玩转iptables企业版.ppt (网上可下)
  • netfilter/iptables
    documentation

 四、Linux数据包路由原理


 

   (1)理解了Netfilter和Iptables的架构和作用,并且学习了控制Netfilter行为的Xtables表的结构,那么这个Xtables表是怎么在内核协议栈的数据包路由中起作用的呢?

  工作流程:网口数据包由底层的网卡NIC接收,通过数据链路层的解包之后(去除数据链路帧头),就进入了TCP/IP协议栈(本质就是一个处理网络数据包的内核驱动)和Netfilter混合的数据包处理流程中了。数据包的接收、处理、转发流程构成一个有限状态向量机,经过一些列的内核处理函数、以及Netfilter
Hook点,最后被转发、或者本次上层的应用程序消化掉。

如图:

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 从上图中,我们可以总结出以下规律:

  • 当一个数据包进入网卡时,数据包首先进入PREROUTING链,在PREROUTING链中我们有机会修改数据包的DestIP(目的IP),然后内核的”路由模块”根据”数据包目的IP”以及”内核中的路由表”判断是否需要转送出去(注意,这个时候数据包的DestIP有可能已经被我们修改过了)
  • 如果数据包就是进入本机的(即数据包的目的IP是本机的网口IP),数据包就会沿着图向下移动,到达INPUT链。数据包到达INPUT链后,任何进程都会-收到它
  • 本机上运行的程序也可以发送数据包,这些数据包经过OUTPUT链,然后到达POSTROTING链输出(注意,这个时候数据包的SrcIP有可能已经被我们修改过了)
  • 如果数据包是要转发出去的(即目的IP地址不再当前子网中),且内核允许转发,数据包就会向右移动,经过FORWARD链,然后到达POSTROUTING链输出(选择对应子网的网口发送出去)

  在写iptables规则的时候,要时刻牢记这张路由次序图,根据所在Hook点的不同,灵活配置规则

 


 五、iptables编写规则


 

        命令格式:

                   
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  示例:

     1 iptables -I INPUT -s 0/0 -d
192.168.42.153 -p tcp -m multiport –dports 22,80,3306 -j ACCEPT 

     1 iptables -t filter -I INPUT -d
192.168.42.153 -p tcp –dport 80 -j ACCEPT 

1.[-t 表名]:该规则所操作的哪个表,可以使用filter、nat等,如果没有指定则默认为filter

  • -A:新增一条规则,到该规则链列表的最后一行
  • -I:插入一条规则,原本该位置上的规则会往后顺序移动,没有指定编号则为1
  • -D:从规则链中删除一条规则,要么输入完整的规则,或者指定规则编号加以删除
  • -R:替换某条规则,规则替换不会改变顺序,而且必须指定编号。
  • -P:设置某条规则链的默认动作
  • -nL-L-n,查看当前运行的防火墙规则列表

  2.chain名:指定规则表的哪个链,如INPUT、OUPUT、FORWARD、PREROUTING等

  • [规则编号]:插入、删除、替换规则时用,--line-numbers显示号码
  • [-i|o 网卡名称]:i是指定数据包从哪块网卡进入,o是指定数据包从哪块网卡输出
  • [-p 协议类型]:可以指定规则应用的协议,包含tcp、udp和icmp等
  • [-s 源IP地址]:源主机的IP地址或子网地址
  • [--sport 源端口号]:数据包的IP的源端口号
  • [-d目标IP地址]:目标主机的IP地址或子网地址
  • [--dport目标端口号]:数据包的IP的目标端口号

3.-m:extend matches,这个选项用于提供更多的匹配参数,如:

    • -m state –state ESTABLISHED,RELATED
    • -m tcp –dport 22
    • -m multiport –dports 80,8080
    • -m icmp –icmp-type 8

4.<-j 动作>:处理数据包的动作,包括ACCEPT、DROP、REJECT等

    • ACCEPT允许数据包通过
    • DROP直接丢弃数据包,不给任何回应信息
    • REJECT拒绝数据包通过,必要时会给数据发送端一个响应的信息。

    • SNAT源地址转换。在进入路由层面的route之后,出本地的网络栈之前,改写源地址,目标地址不变,并在本机建立NAT表项,当数据返回时,根据NAT表将目的地址数据改写为数据发送出去时候的源地址,并发送给主机。解决内网用户用同一个公网地址上网的问题。
      MASQUERADE,是SNAT的一种特殊形式,适用于像adsl这种临时会变的ip上

    • DNAT:目标地址转换。和SNAT相反,IP包经过route之前,重新修改目标地址,源地址不变,在本机建立NAT表项,当数据返回时,根据NAT表将源地址修改为数据发送过来时的目标地址,并发给远程主机。可以隐藏后端服务器的真实地址。(感谢网友提出之前这个地方与SNAT写反了)
      REDIRECT:是DNAT的一种特殊形式,将网络包转发到本地host上(不管IP头部指定的目标地址是啥),方便在本机做端口转发。

    • LOG在/var/log/messages文件中记录日志信息,然后将数据包传递给下一条规则

     除去最后一个LOG,前3条规则匹配数据包后,该数据包不会再往下继续匹配了,所以编写的规则顺序极其关键。

 

目录:
一、netfilter与iptables 二、filter、nat、mangle等规则表
三、INPUT、FORWARD等规则链和规则 四、Lin…

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