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解析Linux下Netfilter & iptables：开发一个match模块

来源：互联网 发布：淘宝上的好店铺推荐 编辑：程序博客网 时间：2024/05/22 23:20

http://www.bairimeng.net/2012/11/27/netfilter_iptables_matc/

一、说明
最近的项目需要软件组基于Netfilter和iptables开发Linux内核模块，以完成一系列防火墙功能，说白了防火墙就是过滤规则。
为了熟悉Netfilter和iptables的开发，于是开发过程中写下这篇笔记，以达到温故知新的作用。

（盗图自重=///=）
上图说明了Netfilter模块是如何运行的，它指出我们需要开发两个东西，一个是用户态的共享库so，一个是内核态的内核库ko。
命名规则有讲究，如果模块叫Mymodules，那么内核态源代码一般命名为ipt_Mymodules.c，头文件为ipt_Mymodules.h，用户态源代码为libipt_Mymodules.c。
我的Linux系统内核是2.6.27.41，iptables版本是1.4.3.2，因为Linux网路部分有些许头文件和2.6.24之前有些许差异，而iptables也有些概念和低版本有差异，所以将逐步记录。

二、模块描述
为了练习开发过程，和我看的资料一样，我们来设计一个最简单的模块，这个模块能匹配IP报文中有效荷载字段。用法如下：

iptables -A FORWARD -m pktsize –size XX[:YY] -j DROP

关于iptables的资料请自行百度～上述规则说明，在FORWARD挂载点上对于大小在XX[到YY，可省略]的数据包进行匹配，数据包长度不包括IP头。
从规则可以看到我们的模块名为pktsize，所以我们要建立3个新文件，分别是ipt_pktsize.c，libipt_pktsize.c，ipt_pktsize.h。
因为头文件两边均要用到，所以我们先来定义头文件ipt_pktsize.h。

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ifndef __IPT_PKTSIZE_H
#define __IPT_PKTSIZE_H
 
#define PKTSIZE_VERSION "0.1"
// 我们自己定义的用户保存规则中指定档数据包大小的结构体
structipt_pktsize_info {
    // 数据包的最小和最大字节数，不包括IP头
    u_int32_t min_pktsize, max_pktsize;
};
#endif // __IPT_EXLENGTH_H

我们定义了一个结构体ipt_pktsize_info，内含2个成员，代表什么一目了然。我们还定义了这个模块的版本号。

三、用户态开发
在netfilter/iptables体系中，我们使用struct xtables_match{}结构来表示用户态的match，所以我们要实例化一个这个结构，并赋上必要的初值，这个结构的详细定义在iptables的源码include/xtables.h中。
在我们开发用户态模块中，一般要实现以下几个函数：
1>help()
2>parse()
3>final_check()
4>print()
5>save()
详细解释将在代码中给出，本身已经到了猫叫喵喵的程度了，相信都知道是大致干嘛的。

OK，开始动手，我们先搭框架：

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#include <stdio.h>
#include <netdb.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <getopt.h>
#include <ctype.h>
#include <xtables.h>
#include <linux/netfilter_ipv4/ipt_pktsize.h>
   
staticvoid PKTSIZE_help(void)
{
    // >>>TODO<<<
}
  
staticint PKTSIZE_parse(intc, char** argv, intinvert, 
    unsignedint* flags, constvoid* entry,
    structxt_entry_match** match)
{
    // >>>TODO<<<
    return1;
}
  
staticvoid PKTSIZE_final_check(unsigned intflags)
{
    // >>>TODO<<<
}
   
staticvoid __print(structipt_pktsize_info* info)
{
    // >>>TODO<<<
}
  
staticvoid PKTSIZE_print(constvoid* ip,
    conststruct xt_entry_match* match, intnumeric)
{
    // >>>TODO<<<
}
   
staticvoid PKTSIZE_save(constvoid* ip,
     conststruct xt_entry_match* match)
{
    // >>>TODO<<<
}
  
staticstruct xtables_match pktsize =
{
    .next       = NULL,
    .name       = "pktsize",
    .version    = XTABLES_VERSION,
    .family     = NFPROTO_IPV4,
    .size       = XT_ALIGN(sizeof(structipt_pktsize_info)),
    .userspacesize  = XT_ALIGN(sizeof(structipt_pktsize_info)),
    .help       = PKTSIZE_help,
    .parse      = PKTSIZE_parse,
    .final_check    = PKTSIZE_final_check,
    .print      = PKTSIZE_print,
    .save       = PKTSIZE_save,
    // .extra_opts  = PKTSIZE_opts    这一句以后将被添上
};
  
void_init(void)
{
    xtables_register_match(&pktsize);
}

下面我们来填充所有要实现的函数，并做解释。

help():当我们在命令行输入iptables -m pktsize -h时 用于显示该模块用法的帮助信息。

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staticvoid PKTSIZE_help(void)
{
    printf(
    "pktsize v%s options:\n"
    " --size size[:size]  Match packet size against value or range\n"
    "\nExamples:\n"
    " iptables -A FORWARD -m pktsize --size 65 -j DROP\n"
    " iptables -A FORWARD -m pktsize --size 80:120 -j DROP\n"
    ,PKTSIZE_VERSION
    );
}

print():该函数用于打印用户输入参数的，因为其他人 可能也会需要输出规则参数，所以封装成一个子函数__print() 供其他人调用。

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staticvoid __print(structipt_pktsize_info* info)
{
    if(info->max_pktsize == info->min_pktsize)
        printf("%u", info->min_pktsize);
    else
        printf("%u:%u", info->min_pktsize, info->max_pktsize);
}
  
staticvoid PKTSIZE_print(constvoid* ip,
    conststruct xt_entry_match* match, intnumeric)
{
    printf("size ");
    __print((structipt_pktsize_info *)match->data);
}

可以注意到print()函数传入一个xt_entry_match结构体，事实上我们的ipt_pktsize_info数据存在这个结构体的data成员中。
xt_entry_match的详细定义在iptables源码的include/linux/netfilter/x_tables.h中。

save():该函数跟print类似 。

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staticvoid PKTSIZE_save(constvoid* ip,
     conststruct xt_entry_match* match)
{
    printf("--size ");
    __print((structipt_pktsize_info*)match->data);
}

final_check():如果你的模块有些长参数时必须的， 那么当用户调用了你的模块但又没有进一步制定必须参数时， 一般在这个函数里做校验限制。 如，我的模块带一个必须参数—size，而且后面必须跟数值。

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staticvoid PKTSIZE_final_check(unsigned intflags)
{
    if(!flags)
        xtables_error(PARAMETER_PROBLEM, 
            "\npktsize-parameter problem:for pktsize usage type:iptables -m pktsize --help\n");
}

parse():这是我们的核心，用于解析命令行参数的回调函数，成功则返回true 该函数是核心，参数的解析最终是在该函数中完成的，因为我们 用到长参数格式，所以必须引入一个结构体struct option{}。

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staticstruct option PKTSIZE_opts[] =
{
    {"size", 1, NULL, '1'},
    {0}
};
  
// 并且还要将结构体对象赋值给
// pktsize.extra_opts = opts;
  
// 解析参数的具体函数单独出来，会使parse()函数结构很优美
// 我们的输入参数可能格式如下：
//  xx  指定数据包大小xx
//  <img src="http://www.bairimeng.net/wp-includes/images/smilies/icon_mad.gif" alt=":x" class="wp-smiley"> x   范围是0-xx
//  yy: 范围是yy-65535
//  xx:yy   范围是xx-yy
  
staticvoid parse_pkts(constchar* s,
    structipt_pktsize_info* info)
{
    char* buff,*cp;
    buff = strdup(s);
      
    if(NULL == (cp = strchr(buff,':')))
    {
        info->min_pktsize = info->max_pktsize =
            strtol(buff, NULL, 0);
    }
    else
    {
        *cp = '\0';
        cp++;
          
        info->min_pktsize = strtol(buff, NULL, 0);
        info->max_pktsize = (cp[0]?
            strtol(cp, NULL, 0):0xFFFF);
    }
  
    free(buff);
      
    if(info->min_pktsize > info->max_pktsize)
        xtables_error(PARAMETER_PROBLEM,
            "pktsize min.range value '%u' greater than max.range value '%u'",
            info->min_pktsize,
            info->max_pktsize
            );
}
  
staticint PKTSIZE_parse(intc, char** argv, intinvert, 
    unsignedint* flags, constvoid* entry,
    structxt_entry_match** match)
{
    structipt_pktsize_info* info = (structipt_pktsize_info*)(*match)->data;
    switch(c)
    {
        case'1':
            if(*flags)
                xtables_error(PARAMETER_PROBLEM,
                "size: '--size' may only be specified once"
                );
            parse_pkts(argv[optind-1], info);
            *flags = 1;
            break;
        default:
            return0;
    }
    return1;
}

OK，用户态的所有功能完成，完整代码如下：

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#include <stdio.h>
#include <netdb.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <getopt.h>
#include <ctype.h>
#include <xtables.h>
#include <linux/netfilter_ipv4/ipt_pktsize.h>
  
// help()TODO: 当我们在命令行输入iptables -m pktsize -h时
// 用于显示该模块用法的帮助信息。
staticvoid PKTSIZE_help(void)
{
    printf(
    "pktsize v%s options:\n"
    " --size size[:size]  Match packet size against value or range\n"
    "\nExamples:\n"
    " iptables -A FORWARD -m pktsize --size 65 -j DROP\n"
    " iptables -A FORWARD -m pktsize --size 80:120 -j DROP\n"
    ,PKTSIZE_VERSION
    );
}
  
// parse()TODO:用于解析命令行参数的回调函数，成功则返回true
// 该函数是核心，参数的解析最终是在该函数中完成的，因为我们
// 用到长参数格式，所以必须引入一个结构体struct option{}。 
  
// 这里只有一个扩展参数，所以结构简单，有多个则必须一一处理
staticstruct option PKTSIZE_opts[] =
{
    {"size", 1, NULL, '1'},
    {0}
};
  
// 并且还要将结构体对象赋值给
// pktsize.extra_opts = opts;
  
// 解析参数的具体函数单独出来，会使parse()函数结构很优美
// 我们的输入参数可能格式如下：
//  xx  指定数据包大小xx
//  <img src="http://www.bairimeng.net/wp-includes/images/smilies/icon_mad.gif" alt=":x" class="wp-smiley"> x   范围是0-xx
//  yy: 范围是yy-65535
//  xx:yy   范围是xx-yy
  
staticvoid parse_pkts(constchar* s,
    structipt_pktsize_info* info)
{
    char* buff,*cp;
    buff = strdup(s);
      
    if(NULL == (cp = strchr(buff,':')))
    {
        info->min_pktsize = info->max_pktsize =
            strtol(buff, NULL, 0);
    }
    else
    {
        *cp = '\0';
        cp++;
          
        info->min_pktsize = strtol(buff, NULL, 0);
        info->max_pktsize = (cp[0]?
            strtol(cp, NULL, 0):0xFFFF);
    }
  
    free(buff);
      
    if(info->min_pktsize > info->max_pktsize)
        xtables_error(PARAMETER_PROBLEM,
            "pktsize min.range value '%u' greater than max.range value '%u'",
            info->min_pktsize,
            info->max_pktsize
            );
}
  
  
  
staticint PKTSIZE_parse(intc, char** argv, intinvert, 
    unsignedint* flags, constvoid* entry,
    structxt_entry_match** match)
{
    structipt_pktsize_info* info = (structipt_pktsize_info*)(*match)->data;
    switch(c)
    {
        case'1':
            if(*flags)
                xtables_error(PARAMETER_PROBLEM,
                "size: '--size' may only be specified once"
                );
            parse_pkts(argv[optind-1], info);
            *flags = 1;
            break;
        default:
            return0;
    }
    return1;
}
// final_check()TODO:如果你的模块有些长参数时必须的，
// 那么当用户调用了你的模块但又没有进一步制定必须参数时，
// 一般在这个函数里做校验限制。
// 如，我的模块带一个必须参数--size，而且后面必须跟数值
staticvoid PKTSIZE_final_check(unsigned intflags)
{
    if(!flags)
        xtables_error(PARAMETER_PROBLEM, 
            "\npktsize-parameter problem:for pktsize usage type:iptables -m pktsize --help\n");
}
  
// print()TODO:该函数用于打印用户输入参数的，因为其他人
// 可能也会需要输出规则参数，所以封装成一个子函数__print()
// 供其他人调用
staticvoid __print(structipt_pktsize_info* info)
{
    if(info->max_pktsize == info->min_pktsize)
        printf("%u", info->min_pktsize);
    else
        printf("%u:%u", info->min_pktsize, info->max_pktsize);
}
  
staticvoid PKTSIZE_print(constvoid* ip,
    conststruct xt_entry_match* match, intnumeric)
{
    printf("size ");
    __print((structipt_pktsize_info *)match->data);
}
  
// save()TODO:该函数跟print类似
staticvoid PKTSIZE_save(constvoid* ip,
     conststruct xt_entry_match* match)
{
    printf("--size ");
    __print((structipt_pktsize_info*)match->data);
}
  
staticstruct xtables_match pktsize =
{
    .next       = NULL,
    .name       = "pktsize",
    .version    = XTABLES_VERSION,
    .family     = NFPROTO_IPV4,
    .size       = XT_ALIGN(sizeof(structipt_pktsize_info)),
    .userspacesize  = XT_ALIGN(sizeof(structipt_pktsize_info)),
    .help       = PKTSIZE_help,
    .parse      = PKTSIZE_parse,
    .final_check    = PKTSIZE_final_check,
    .print      = PKTSIZE_print,
    .save       = PKTSIZE_save,
    .extra_opts     = PKTSIZE_opts
};
 
void_init(void)
{
    xtables_register_match(&pktsize);
}

现在我们将要将它编译成so库，现在如果我们使用iptables -m pktsize -h会提示说不能加载名为’pktsize’的match，缺少了/lib/xtables/libipt_pktsize.so，所以我们要把这个so编译出来，并放到那个目录下。

我们可以从Netfilter官网上下载到iptables-1.4.3.2的源码包，然后解压缩，1.4.3.2和1.4.0的Make不一样，所以make过程也有所不同，网上的资料大多是1.4.0的，所以我只说下1.4.3.2的。

我们在iptables的源码目录下能找到一个configure文件，这个文件会进行Makefile配置，这一点跟1.4.0不一样，运行它。
可以看到不停的有东西刷出来，别管他，一般配置过程结束之后，会在源码目录下产生一些Makefile。

我们将我们的libipt_pktsize.c复制到extensions/下，1.4.0需要修改extensions下的Makefile文件，但是1.4.3.2不需要，却多了上面那个配置过程。

然后我们返回iptables源码目录，执行一次make。
同样是一堆东西刷出来，它会编译整个iptables，因为本身比较小，所以我们也不改动Makefile了，干脆等它全部编译完成，然后我们只需要extensions/libipt_pktsize.so这个库文件。将它复制到iptables的库中，比如我的是lib/xtables/。

这时候我们执行iptables -m pktsize -h就应该可以看到help()函数输出的信息了。
在末尾看到了我们的模块的帮助信息，可喜可贺。
到这里我们用户态的模块已经开发完毕，iptables已经成功加载了我们的模块，但是我们还需要开发一个内核态的模块，使得Netfilter能调用它。

四、内核态开发
内核中，我们使用xt_match{}结构体来表示一个match，我们也要实例化一个这玩意儿，然后使用xt_register_match()来将它注册到xt[AF_INET].match链上面就行了，就这么简单。。

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#include <linux/module.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/version.h>
#include <linux/netfilter_ipv4/ip_tables.h>
#include <linux/netfilter/x_tables.h>
#include <linux/netfilter_ipv4/ipt_pktsize.h>
  
MODULE_AUTHOR("Sekai <sekaiamber@lolicon.me>");
MODULE_DESCRIPTION("Iptables pkt size range match module.");
MODULE_LICENSE("GPL");
  
staticbool match(conststruct sk_buff* skb, conststruct net_device* in,
    conststruct net_device* out, conststruct xt_match* match,
    constvoid* matchinfo, intoffset, unsigned intprotoff, bool* hotdrop)
{
    // >>>TODO<<<
    returnfalse;
}
  
staticstruct xt_match pktsize_match __read_mostly = 
{
    .name       = "pktsize",// >>>>TODO<<<<
    .family     = AF_INET,
    .match      = match,
    .matchsize  = sizeof(structipt_pktsize_info),
    .destroy    = NULL,
    .me     = THIS_MODULE
};
  
staticint __init init(void)
{
    returnxt_register_match(&pktsize_match);
}
  
staticvoid __exit fini(void)
{
    xt_unregister_match(&pktsize_match);
}
  
module_init(init);
module_exit(fini);

我们在这里只需实现一个match函数，来告诉Netfilter数据包经过这个match时将要干嘛。

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staticbool match(conststruct sk_buff* skb, conststruct net_device* in,
    conststruct net_device* out, conststruct xt_match* match,
    constvoid* matchinfo, intoffset, unsigned intprotoff, bool* hotdrop)
{
    conststruct ipt_pktsize_info* info = matchinfo;
    conststruct iphdr* iph = ip_hdr(skb);
      
    intpkttruesize = ntohs(iph->tot_len) - (iph->ihl * 4);
      
    if(pkttruesize >= info->min_pktsize && pkttruesize <= info->max_pktsize)
    {
        returntrue;
    }
    else
    {
        returnfalse;
    }
}

这里要注意skb这个结构，是sk_buff，这个结构的完整定义在Linux内核源码的include/linux/skbuff.h中，在Linux内核2.4.23之前，这个结构和后面不太一样。
sk_buff代表了收到的数据包的一系列指针集合，在2.4.23内核之前，它的成员中含有3个共同体union，分别名为h,nh,mac，这三者分别代表传输层(L4)的头，网络层(L3)的头，数据链路层(L2)的头，而在之后版本的内核中，这三个字段被改成了类型为sk_buff_data_t的transport_header,network_header,mac_header，sk_buff_data_t的详细定义也在skbuff.h中，它是一个宏：

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#ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET
typedefunsigned intsk_buff_data_t;  // 使用偏移来表示数据头位置
#else
typedefunsigned char*sk_buff_data_t;  // 使用指针来表示数据头位置
#endif

所以事实上sk_buff_data_t是一个标志而已，所以我们要使用内核提供的函数来获得iphdr，这表示一个数据包的信息，详细定义在内核源码include/linux/ip.h中。

OK，编码完成，完整代码如下：

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#include <linux/module.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/version.h>
#include <linux/netfilter_ipv4/ip_tables.h>
#include <linux/netfilter/x_tables.h>
#include <linux/netfilter_ipv4/ipt_pktsize.h>
  
MODULE_AUTHOR("Sekai <sekaiamber@lolicon.me>");
MODULE_DESCRIPTION("Iptables pkt size range match module.");
MODULE_LICENSE("GPL");
  
  
// TODO
staticbool match(conststruct sk_buff* skb, conststruct net_device* in,
    conststruct net_device* out, conststruct xt_match* match,
    constvoid* matchinfo, intoffset, unsigned intprotoff, bool* hotdrop)
{
    conststruct ipt_pktsize_info* info = matchinfo;
    conststruct iphdr* iph = ip_hdr(skb);
      
    intpkttruesize = ntohs(iph->tot_len) - (iph->ihl * 4);
      
    if(pkttruesize >= info->min_pktsize && pkttruesize <= info->max_pktsize)
    {
        returntrue;
    }
    else
    {
        returnfalse;
    }
}
  
staticstruct xt_match pktsize_match __read_mostly = 
{
    .name       = "pktsize",// >>>>TODO<<<<
    .family     = AF_INET,
    .match      = match,
    .matchsize  = sizeof(structipt_pktsize_info),
    .destroy    = NULL,
    .me     = THIS_MODULE
};
  
staticint __init init(void)
{
    returnxt_register_match(&pktsize_match);
}
  
staticvoid __exit fini(void)
{
    xt_unregister_match(&pktsize_match);
}
  
module_init(init);
module_exit(fini);

内核态的模块已经编码完成，所以我们要对他进行编译成ko库。
我们复制ipt_pktsize.h头文件到系统引用路径中，比如我的是/usr/include/linux/netfilter_ipv4/。当然这个遵循你ipt_pktsize.c中引用头文件的位置，相对位置一般是/usr/include/。
然后复制ipt_pktsize.c源文件到Linux内核源代码中比如我是~/下载/linux-2.6.27.41/net/ipv4/netfilter/中。
然后将目录下的Makefile文件备份，新建一个Makefile，我们只需要编译一个我们的ipt_pktsize.ko就可以了，不需要全部编译。
新建Makefile，输入下列内容：

保存，然后执行make。
编译成功，我们就将ipt_pktsize.ko复制到系统模块目录中去，比如我的是/lib/modules/2.6.27.XXXXXXXXXXXXX(懒得打)/kernel/net/ipv4/netfilter/。然后安装模块即可。


上图第一行，我们将ko文件设置为全部可执行，第二行看一下有没有模块，这时候pktsize还没被安装，第三行复制到系统模块目录，第四个命令安装模块，手滑没打 sudo，权限不够，第五个命令继续，
第六个命令lsmod，发现模块已经成功被识别了。

然后我们来使用我们的模块配置一下iptables。

可以看到Chain Forward链上已经绑上了我们编写的模块了！大功告成！

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