iptables 要点总结

本文尽量不涉及诸如iptables规则编写之类的技术细节,那些都是可以通过短暂的学习和实践掌握的。本文主要偏重在整体概念的介绍,和技术细节之外容易忽略却又很重要的点(比如过滤规则设计时需要遵从的一些“原则”),掌握不好这些点,编写一串过滤规则可能还是漏洞百出。

1. 简述

1.1 Netfilter/iptables 介绍


防火墙系统根据其工作方式的不同,主要可以分为 包过滤防火墙(也称“网络层防火墙”) 和 应用层防火墙netfilter/iptables 包过滤系统是包过滤防火墙的代表。

网络流量由 IP 信息包(或,简称 信息包)— 以流的形式从源系统传输到目的地系统的一些小块数据 — 组成。 这些信息包有 ,即在每个包前面所附带的一些数据位,它们包含有关信息包的源、目的地和协议类型的信息。 防火墙根据一组规则检查这些头,以确定接受哪个信息包以及拒绝哪个信息包。该过程即为信息包过滤

netfilter/iptables 信息包过滤系统是一种功能强大的工具, 可用于添加、编辑和除去规则,这些规则是在做信息包过滤决定时,防火墙所遵循和组成的规则。这些规则存储在专用的信息包过滤表中, 而这些表集成在 Linux 内核中。 在信息包过滤表中,规则被分组放在 链(chain)中。

虽然 netfilter/iptables IP 信息包过滤系统被称为单个实体,但它实际上由两个组件 netfilter和 iptables 组成。

netfilter 组件也称为 内核空间(kernelspace),是Linux内核中实现包过滤防火墙的内部结构由一些信息包过滤表组成,不以程序或文件的形式存在, 这些表包含内核用来控制信息包过滤处理的规则集,属于“内核态”(KernelSpace,又称内核空间)的防火墙功能体系。

iptables 组件是一种工具,也称为 用户空间(userspace),指的是用来管理Linux防火墙的命令程序,通常位于/sbin/iptables,属于“用户态”(UserSpace,又称用户空间)的防火墙管理体系,它使插入、修改和除去信息包过滤表中的规则变得容易。

简单来说,Netfilter/iptables 是一套工具,Netfilter是“后台”,在内核空间里执行着防火墙的核心功能;iptables 是“前端”,在用户空间里与用户交互,是用户对Netfilter的管理与配置的“接口”

1.2 iptables 命令简介

iptables 书写规则的命令格式是:

1
iptables [-t table] command [match] [target/jump]

关于上述命令格式中的 commandmatch,可以分别参考下面链接:

  1. https://www.frozentux.net/iptables-tutorial/cn/iptables-tutorial-cn-1.1.19.html#COMMANDS
  2. https://www.frozentux.net/iptables-tutorial/cn/iptables-tutorial-cn-1.1.19.html#MATCHES

2. Netfilter/iptables 组成结构

2.1 概要


Netfilter 由多个表(table)组成,每个表又由多个链(chain)组成(此处可以脑补二维数组的矩阵了),链是存放过滤规则的“容器”,里面可以存放一个或多个iptables命令设置的过滤规则。目前的表有4个:raw table, mangle table, nat table, filter table。Netfilter 默认的链有:INPUT, OUTPUT, FORWARD, PREROUTING, POSTROUTING,根据的不同功能需求,不同的表下面会有不同的链,链与表的关系可用下图直观表示:
Alt text

NOTE:
Netfilter各个表中的链,是可以由用户新建自定义的,命令 iptables -t <table> -N <new_chain> 即是在 table 表中新建一个用户自定义链new_chain

2.2 RAW 表


RAW 表是 Netfilter/iptables 新增的模块,在没打相关补丁的2.4与2.6版本Linux内核的系统上无法使用。

RAW表只用来实现一个功能:在数据包上做一个标记NOTRACK,该标记表明这个数据包不被后面启动的“连接状态跟踪机制”来跟踪这个数据包的状态。(后面会讲“连接状态”及其跟踪机制)。

要做到告诉“链接状态跟踪机制”不追踪某数据包,只能在该机制起作用之前在数据包上做一个标记,而其他的三个表都是工作在“链接状态跟踪机制”之中的,不能脱离该机制控制范围之外,所以唯一容易的做法就是这样额外单拉出一个表,工作在“链接状态跟踪机制”之外。

RAW表只有PREROUTINGOUTPUT 两个链。

2.3 Mangle 表


Mangle 表主要用来mangle数据包,你可以使用mangle匹配来改变包的 TOS/TTL 等属性,具体有:

  • TOS
  • TTL
  • MARK
  • SECMARK
  • CONNSECMARK

关于这几个属性的详细资料,可以参考:https://www.frozentux.net/iptables-tutorial/iptables-tutorial.html#MANGLETABLE

Mange表可以操作5个链中的任何一个。

2.4 NAT 表


顾名思义,这个表的功能主要实现 NAT(Network Address Translation,网络地址转换)的功能,实现的具体操作有以下4个:

  • DNAT
  • SNAT
  • MASQUERADE
  • REDIRECT

NOTE:
NAT 表处理数据包有一个特点:只处理一个数据流的第一个数据包,后续的数据包会被自动匹配并做相同处理。

DNAT 操作主要用在这样一种情况,你有一个合法的IP地址,要把对防火墙的访问 重定向到其他的机子上(比如DMZ)。也就是说,我们改变的是目的地址,以使包能重路由到某台主机。修改目的ip地址的原因一般就是为了改变包发送的目的地,让包走出去,而不是留下来,所以在iptables中,DNAT是在入口,也即 PREROUTING 链中发挥作用,以便让包进入 FORWARD 表。

SNAT 改变包的源地址,这在极大程度上可以隐藏你的本地网络或者DMZ等。一个 很好的例子是我们知道防火墙的外部地址,但必须用这个地址替换本地网络地址。有了这个操作,防火墙就 能自动地对包做SNAT和De-SNAT(就是反向的SNAT),以使LAN能连接到Internet。如果使用类似 192.168.0.0/24这样的地址,是不会从Internet得到任何回应的。因为IANA定义这些网络(还有其他的)为 私有的,只能用于LAN内部。修改源ip地址的目的一般都是为了让这个包能再回到自己这里,所以在iptables中,SNAT是在出口,也即 POSTROUTING 链发挥作用。

MASQUERADE 的作用和 SNAT 完全一样,只是计算机 的负荷稍微多一点。因为对每个匹配的包,MASQUERADE 都要查找可用的 IP 地址,而 不象 SNAT 用的 IP 地址是配置好的。当然,这也有好处,就是我们可以使用通过 PPP、 PPPOE、SLIP 等拨号得到的地址,这些地址可是由 ISP 的 DHCP 随机分配的。

NAT 表只包含 PREROUTINGPOSTROUTINGOUTPUT 3个链。

2.5 Filter 表


Filter 表用来过滤数据包,我们可以在任何时候匹配包并过滤它们,Netfilter/iptables 防火墙的包过滤功能主要由此实现。 我们就是在这里根据包的内容对包做DROP或ACCEPT的。当然,我们也可以预先在其他地方做些过滤,但是这 个表才是设计用来过滤的。几乎所有的target都可以在这儿使用。

Filter 表包含 INPUT, OUTPUTFORWARD 3个链。

3. 经过防火墙的数据流

当数据包到达防火墙时,如果MAC地址符合,就会由内核里相应的驱动程序接收,然后会经过一系列操作,从而决定是发送给本地的程序,还是转发给其他机器,或者其他操作。然而,防火墙对于以本地地址为目标以本地地址为源被转发三种情况的数据包,具体操作有细微的差别,这些差别主要体现在不同的数据包会经过不同的Table,也会被不同Table中的不同的Chain来处理。详情如下:

3.1 以本地地址为目标的数据包


Step(步骤) Table(表) Chain(链) Comment(注释)
1 在线路上传输(比如,Internet)
2 进入接口 (比如, eth0)
3 raw PREROUTING 在链接追踪机制启动前,对当前链接设定不追踪状态的标记
3 mangle PREROUTING 这个链用来mangle数据包,比如改变TOS等
4 nat PREROUTING 这个链主要用来做DNAT。不要在这个链做过虑操作,因为某些情况下包会溜过去
5 路由判断,比如,包是发往本地的,还是要转发的
6 mangle INPUT 在路由之后,被送往本地程序之前,mangle数据包
7 filter INPUT 所有以本地为目的的包都要经过这个链,不管它们从哪儿 来,对这些包的过滤条件就设在这里
8 到达本地程序了(比如,服务程序或客户程序)

3.2 以本地地址为源的数据包


Step(步骤) Table(表) Chain(链) Comment(注释)
1 本地程序(比如,服务程序或客户程序)
2 路由判断,要使用源地址,外出接口,还有其他一些信息
3 raw OUTPUT 在链接追踪机制启动前,对当前链接设定不追踪状态的标记
4 mangle OUTPUT 在这儿可以mangle包。建议不要在这儿做过滤,可能有副作用
5 nat OUTPUT 这个链对从防火墙本身发出的包进行DNAT操作
6 filter OUTPUT 对本地发出的包过滤
7 mangle POSTROUTING 这条链主要在包DNAT之后(译者注:作者把这一次DNAT称作实际的路由,虽然在前面有一次路由。对于本地的包,一旦它被生成,就必须经过路由代码的处理,但这个包具体到哪儿去,要由NAT处理之后才能确定。所以把这称作实际的路由),离开本地之前,对包 mangle。有两种包会经过这里,防火墙所在机子本身产生的包,还有被转发的包
8 nat POSTROUTING 在这里做SNAT。但不要在这里做过滤,因为有副作用,而且有些包是会溜过去的,即使你用了DROP策略
9 离开接口(比如: eth0)
10 在线路上传输(比如,Internet)

3.3 被转发的数据包


Step(步骤) Table(表) Chain(链) Comment(注释)
1 在线路上传输(比如,Internet)
2 进入接口 (比如, eth0)
3 raw PREROUTING 在链接追踪机制启动前,对当前链接设定不追踪状态的标记
4 mangle PREROUTING mangle数据包,比如修改TOS
5 nat PREROUTING 这个链主要用来做DNAT。不要在这个链做过虑操作,因为某些情况下包会溜过去。稍后会做SNAT
6 路由判断,比如,包是发往本地的,还是要转发的
7 mangle FORWARD 包继续被发送至mangle表的FORWARD链,这是非常特殊的情 况才会用到的。在这里,包被mangle。这次mangle发生在最初的路由判断之后, 在最后一次更改包的目的之前(译者注:就是下面的FORWARD链所做的,因其过滤功能,可能会改变一些包 的目的地,如丢弃包)
8 filter FORWARD 包继续被发送至这条FORWARD链。只有需要转发的包才会走 到这里,并且针对这些包的所有过滤也在这里进行。注意,所有要转发的包都要经过这里,不管是外网到内网的还是内网到外网的。在书写规则时,要考虑到这一点
9 mangle POSTROUTING 这个链也是针对一些特殊类型的包(译者注:参考第6步, 我们可以发现,在转发包时,mangle表的两个链都用在特殊的应用上)。这一步mangle是在所有更改包的目 的地址的操作完成之后做的,但这时包还在本地上
10 nat POSTROUTING 这个链就是用来做SNAT的,当然也包括Masquerade(伪 装)。但不要在这儿做过滤,因为某些包即使不满足条件也会通过
10 离开接口(比如: eth0)
12 又在线路上传输了(比如,LAN)

3.4 总结

如上所示,一个数据包要经历很多步骤,而且它们可以被阻拦在任何一条链上,或者是任何有问题的地方。 我们的主要兴趣是 iptables 的概貌。注意,对不同的接口,是没有什么特殊的链和表的。所有要经防火墙/ 路由器转发的包都要经过 FORWARD 链。

NOTE:
在上面的情况里,不要在 INPUT 链上做过滤。INPUT 专门用来操作那些以我们的机子为目的地址的数据包,它们不会被路由到其它地方。

现在总结以上三种情况下,用到了哪些不同的链。图示如下:

Alt text

要弄清楚上面的图,可以这样考虑。在第一个路由判断处,不是发往本地的包,我们会发送它穿过 FORWARD链。若包的目的地是本地监听的IP地址,我们就会发送这个包穿过INPUT链,最后到达本地。

值得注意的是,在做NAT的过程中,发往本机的包的目的地址可能会在PREROUTING链里被改变。这个操作发生在第一次路由之前,所以在地址被改变之后,才能对包进行路由。注意,所有的包都会经过上图中的某一条路径。如果你把一个包DNAT回它原来的网络,这个包会继续走完相应路径上剩下的链,直到它被发送回原来的网络。

NOTE:
上面的流程介绍中,每一次经过 RAW 表中的一个链的处理,防火墙系统就对当前数据流开启了连接状态追踪机制,除非再 RAW 表中设定了不追踪标志。

4. 链接状态

4.1 简述


状态机制是iptables中特殊的一部分,其实它不应该叫状态机制,因为它只是一种连接跟踪机制。但 是,很多人都认可状态机制这个名字。连接跟踪可以让 Netfilter 知道某个特定连接的状态。运行连接跟踪的防火墙称作 带有状态机制的防火墙,以下简称为状态防火墙。状态防火墙比非状态防火墙要安全,因为它允许我们编写更严密的规则。

在 iptables 里,包是和被跟踪连接的五种不同状态有关的。它们是 NEWESTABLISHEDRELATEDINVALIDUNTRACKED。 后面我们会深入地讨论每一个状态。使用 --state 匹配操作,我们能很容易地控制 “谁或什么能发起新的会话”。

所有在内核中由 Netfilter 的特定框架做的连接跟踪称作 conntrack(即 connection tracking 的联合缩写)。conntrack 可以作为模块安装,也可以作为内核的一部分。大部分情况下,我们想要,也 需要更详细的连接跟踪,这是相比于缺省的 conntrack 而言。也因为此,conntrack 中有许多用来处理 TCPUDPICMP 协议的部件。这些模块从数据包中提取详细的、唯一的信息,因此能保持对每一个数据流的跟踪。这些信息也告知 conntrack 流当前的状态。例如,UDP 流一般由他们的目的地址、源地址、目的端口和源端口唯一确定。

在以前的内核里,我们可以打开或关闭重组功能。然而,自从 Netfilter/iptables ,尤其是连接跟踪被引入内核,这个选项就被取消了。因为没有包的重组,连接跟踪就不能正常工作。现在重组已经整合入 conntrack ,并且在 conntrack 启动时自动启动。不要关闭重组功能,除非你要关闭连接跟踪。

除了本地产生的包由 OUTPUT 链处理外,所有连接跟踪都是在 PREROUTING 链里进行处理的,意思就是, iptables 会在 PREROUTING 链里从新计算所有的状态。如果我们发送一个流的初始化包,状态就会在 OUTPUT 链里被设置为 NEW,当我们收到回应的包时,状态就会在 PREROUTING 链里被设置为ESTABLISHED 。如果第一个包不是本地产生的,那就会在 PREROUTING 链里被设置为 NEW 状态。综上,所有状态的改变和计算都是在 nat 表中的 PREROUTING 链和 OUTPUT 链里完成的。

NOTE:
在内和空间中,Netfilter 的 conntrack 机制对数据包的状态标记粒度较细,比较繁琐复杂,包的状态依据其包含的协议不同而不同。详见 《iptables 指南 1.1.19——contrack记录

4.2 数据包在用户空间的状态


上面说过在内核空间中,防火墙核心对数据包的状态追踪比较繁杂,但在用户空间中(即 iptables 可控的状态),网络链接的状态只有5个: NEWESTABLISHEDRELATEDINVALIDUNTRACKED。 ,详情见下表:

State(状态) Explanation(说明)
NEW NEW 说明这个包是我们看到的第一个 包。意思就是,这是 conntrack 模块看到的某个连接第一个包,它即将被匹配了。比如,我们看到一个 SYN 包,是我们所留意的连接的第一个包,就要匹配它。第一个包也可能不是 SYN 包,但它仍会被认为是 NEW 状态。这样做有时会导致一些问题,但对某些情况是有非常大的帮助的。例如,在我们想恢复某条从其他的防火墙丢失的连接时,或者某个连接已经超时,但实际上并未关闭时。
ESTABLISHED ESTABLISHED已经注意到两个方向上 的数据传输,而且会继续匹配这个连接的包。处于ESTABLISHED状态的连接非常容易理解。只要发送并接到应答,连接就是ESTABLISHED的了。一个连接要从NEW变 为ESTABLISHED,只需要接到应答包即可,不管这个包是发往防火墙的,还是要由防火墙转发的。ICMP的错误和重定向等信息包也被看作是ESTABLISHED,只要它们是我 们所发出的信息的应答。
RELATED RELATED是个比较麻烦的状态。当一个连接和某个已处于ESTABLISHED状态的连接有关系时,就被认为是RELATED的了。换句话说,一个连接要想是RELATED的,首先要有一个ESTABLISHED的连接。这个ESTABLISHED连接再产生一个主连接之外的连接,这个新的连接就是RELATED的了,当然前提是conntrack模块要能理解RELATEDftp是个很好的例子,FTP-data连接就是和FTP-controlRELATED的。还有其他的例子,比如,通过IRC的DCC连接。有了这个状态,ICMP应 答、FTP传输、DCC等才能穿过防火墙正常工作。注意,大部分还有一些UDP协议都依赖这个机制。这些协议 是很复杂的,它们把连接信息放在数据包里,并且要求这些信息能被正确理解。
INVALID INVALID说明数据包不能被识别属于 哪个连接或没有任何状态。有几个原因可以产生这种情况,比如,内存溢出,收到不知属于哪个连接的ICMP错误信息。一般地,我们DROP这个状态的任何东西。
UNTRACKED UNTRACKED状态,简单来说就是该链接在经过RAW表时,被做了不追踪标记NOTRACK。同时也意味着与该链接所有相关的链接(具有RELATED标志)也不会被链接追踪机制追踪到,所以在对一个链接设置不追踪标记时,一定要谨慎。比如有的链接可能由于网络问题收到ICMP消息,但被标记为NOTRACK的链接就收不到相应的ICMP消息

5. target/jump

target/jump 决定符合条件的包到何处去,语法是 --jump target-j target。(target 细分为两类,即 targetjump 。它们 唯一的区别是 jump 的目标是一个在同一个表内的链,而 target 的目标是具体的操作。),常用的几个 TARGET 如下表所示:

TARGET Explanation
ACCEPT 这个target没有任何选项和参数,使用也很简单,指定-j ACCEPT即可。一旦包满足了指定的匹配条件,就会被ACCEPT,并且不会再去匹配当前链中的其他规则或同一个表内的其他规则, 但它还要通过其他表中的链,而且在那儿可能会被DROP
DROP 顾名思义,如果包符合条件,这个target就会把它丢掉,也就是说包的生命到此结束,不会再向前走一 步,效果就是包被阻塞了。在某些情况下,这个target会引起意外的结果,因为它不会向发送者返回任何信 息,也不会向路由器返回信息,这就可能会使连接的另一方的sockets因苦等回音而亡。解决这个问题的较好的办法是使用REJECT target,(因为它在丢弃包的同时还会向发送者返回一个错误信息,这样另一方就能正常结束),尤其是在阻止端口扫描工具获得更多的信息时,可以隐蔽被过滤掉的端口等等(因为扫描工具扫描一个端口时,如果没有返回信息,一般会认为端口未打开或被防火墙等设备过滤掉了)。还要注意如果包在子链中被DROP了,那么它在主链里也不会再继续前进,不管是在当前的表还是在其他表里。总之,包死翘翘了。
REJECT REJECTDROP基本一样,区别在于它除了阻塞包之外, 还向发送者返回错误信息。现在,此target还只能用在INPUTFORWARDOUTPUT和它们的子链里,而且包含 REJECT的链也只能被它们调用,否则不能发挥作用。它只有一个选项,用来控制返回的错误信息的种类
REDIRECT 在防火墙所在的主机内部转发包或流到另一个端口。比如,我们可以把所有去往端口HTTP的包REDIRECT到HTTP proxy(例如squid),当然这都发生在我们自己的主机内部。本地生成的包都会被映射到127.0.0.1。换句 话说,这个target把要转发的包的目的地址改写为我们自己主机的IP。我们在做透明代理(LAN内的机子根 本不需要知道代理的存在就可以正常上网)时,这个target起了很大作用
RETURN 它使包返回上一层,顺序是:子链——>父链——>缺省的策略。具体地说,就是若包在子链 中遇到了RETURN,则返回父链的下一条规则继续进行条件的比较,若是在父链(或称主链,比如INPUT)中 遇到了RETURN,就要被缺省的策略(一般是ACCEPT或DROP)操作了。(这很象C语言中函数返回值的情况)。举例说明:假设一个包进入了INPUT链,匹配了某条target为--jump EXAMPLE_CHAIN规则,然后进入了子链EXAMPLE_CHAIN。在子链中又匹配了某条 规则,恰巧target是--jump RETURN,那包就返回INPUT链了。如果在INPUT链里又遇 到了--jump RETURN,那这个包就要交由缺省的策略来处理了。
SNAT 这个target是用来做源网络地址转换的,就是重写包的源IP地址。当我们有几个机子共享一个Internet 连接时,就能用到它了。先在内核里打开ip转发功能,然后再写一个SNAT规则,就 可以把所有从本地网络出去的包的源地址改为Internet连接的地址了。如果我们不这样做而是直接转发本地网的包的话,Internet上的机子就不知道往哪儿发送应答了,因为在本地网里我们一般使用的是IANA组织专门指定的一段地址,它们是不能在Internet上使用的。SNAT target的作用就是让所有从本地网出发的包看起来都是从一台机子发出的,这台机子一般就是防火墙。SNAT只能用在nat表的POSTROUTING链里。只要连接的第一个符合条件的包被SNAT了,那么这个连接的其他所有的包都会自动地被SNAT,而且这个规则还会应用于这个连接所在流的所有数据包
DNAT 这个target是用来做目的网络地址转换的,就是重写包的目的IP地址。如果一个包被匹配了,那么和它属于同一个流的所有的包都会被自动转换,然后就可以被路由到正确的主机或网络。DNAT target是非常有 用的。比如,你的Web服务器在LAN内部,而且没有可在Internet上使用的真实IP地址,那就可以使用这个target让防火墙把所有到它自己HTTP端口的包转发给LAN内部真正的Web服务器。目的地址也可以是一个范 围,这样的话,DNAT会为每一个流随机分配一个地址。因此,我们可以用这个target做某种类型地负载平 衡。注意,DANT target只能用在nat表的PREROUTINGOUTPUT链中,或者是被这两条链调用的链里。但还要 注意的是,包含DANT target的链不能被除此之外的其他链调用,如POSTROUTING

NOTE:
每一个 TARGET 会有一些参数供防火墙在较细粒度下对数据包进行操作,详细信息参考:
https://www.frozentux.net/iptables-tutorial/iptables-tutorial.html#TARGETS

6. 参考资料

  1. netfilter/iptables 简介
  2. Iptables Tutorial 1.2.2
  3. iptables 指南 1.1.19
  4. iptables入门教程
  5. 学习使用 iptables
  6. SNAT和DNAT的区别
看得爽的话,赞助个地铁通勤费?