一 前言
此文是在aka(www.aka.org.cn)的一次讲座稿【12】基础之上修改而成（催稿，没办法），着重阐述linux下
的防火墙的不同实现之间的区别，以ipchains, iptables, checkpoint FW1为例。
二 基本概念
2.0
在进入正题之前，我将花少许篇幅阐述一些基本概念。尽管防火墙的术语这些年基本上没有太大的变化，但是如果你以前只看过90年代初的一些文献的话，有些概念仍然会让你混淆。此处只列出一些最实用的，它们不是准确的定义，我只是尽可能的让它们便于理解而已。
2.1 包过滤：
防火墙的一类。80年代便有论文来描述这种系统。传统的包过滤功能在路由器上常可看到，而专门的防火墙系统一般在此之上加了功能的扩展，如状态检测等。它通过检查单个包的地址，协议，端口等信息来决定是否允许此数据包
通过。
2.2 代理：
防火墙的一类。工作在应用层，特点是两次连接（browser与proxy之间,proxy与web server之间）。如果对原理尚有疑惑，建议用sniffer抓一下包。代理不在此文的讨论范围之内。
2.3 状态检测：
又称动态包过滤，是在传统包过滤上的功能扩展，最早由checkpoint提出。传统的包过滤在遇到利用动态端口的协议时会发生困难，如ftp。你事先无法知道哪些端口需要打开，而如果采用原始的静态包过滤，又希望用到的此服务的话，就需要实现将所有可能用到的端口打开，而这往往是个非常大的范围，会给安全带来不必要的隐患。 而状态检测通过检查应用程序信息（如ftp的PORT和PASS命令），来判断此端口是否允许需要临时打开，而当传输结束时，端口又马上恢复为关闭状态。
2.4 DMZ非军事化区：
为了配置管理方便，内部网中需要向外提供服务的服务器往往放在一个单独的网段，这个网段便是非军事化区。防火墙一般配备三块网卡，在配置时一般分别分别连接内部网，internet和DMZ。
2.5
由于防火墙地理位置的优越（往往处于网络的关键出口上），防火墙一般附加了NAT，地址伪装和VPN等功能，这些不在本文的讨论范围。
三 检测点
3.0 综述
包过滤需要检查IP包，因此它工作在网络层，截获IP包，并与用户定义的规则做比较。
3.1 ipchains
摘自【3】
----------------------------------------------------------------
| ACCEPT/ lo interface |
v REDIRECT _______ |
--> C --> S --> ______ --> D --> ~~~~~~~~ -->|forward|----> _______ -->
h a |input | e {Routing } |Chain | |output |ACCEPT
e n |Chain | m {Decision} |_______| --->|Chain |
c i |______| a ~~~~~~~~ | | ->|_______|
k t | s | | | | |
s y | q | v | | |
u | v e v DENY/ | | v
m | DENY/ r Local Process REJECT | | DENY/
| v REJECT a | | | REJECT
| DENY d --------------------- |
v e -----------------------------
DENY
总体来说，分为输入检测，输出检测和转发检测。但具体到代码的时候，输出检测实际分散到了几处（不同的上层协议走IP层的不同的流程）：
UDP/RAW/ICMP报文:ip_build_xmit
TCP报文:ip_queue_xmit
转发的包：ip_forward
其它：ip_build_and_send_pkt
正如ipchains项目的负责人Rusty Russell所说，在开始ipchians不久，便发现选择的检测点位置错了，最终只能暂时将错就错。一个明显的问题是转发的包在此结构中必须经过三条链的匹配。地址伪装功能与防火墙模块牵扯过于紧密，如果不详细了解其原理的话，配置规则很容易出错。
此部分详细的分析可参见我早期的一份文章【9】。
3.2 iptables
A Packet Traversing the Netfilter System:
--->PRE------>[ROUTE]--->FWD---------->POST------>
Conntrack | Filter ^ NAT (Src)
Mangle | | Conntrack
NAT (Dst) | [ROUTE]
(QDisc) v |
IN Filter OUT Conntrack
| Conntrack ^ Mangle
| | NAT (Dst)
v | Filter
2.4内核中的防火墙系统不是2.2的简单增强，而是一次完全的重写，在结构上发生了非常大的变化。相比2.2的内核，2.4的检测点变为了五个。
在每个检测点上登记了需要处理的函数（通过nf_register_hook（）保存在全局变量nf_hooks中），当到达此检测点的时候，实现登记的函数按照一定的优先级来执行。严格的从概念上将，netfilter便是这么一个框架，你可以在适当的位置上登记一些你需要的处理函数，正式代码中已经登记了许多处理函数（在代码中搜nf_register_hook的调用），如在NF_IP_FORWARD点上登记了装发的包过滤功能。你也可以登记自己的处理函数，具体例子可参看【8】与【10】。
3.3 FW1
FW1是chekpoint推出的用于2.2内核的防火墙。由于其发布的模组文件带了大量的调试信息，可以从反汇编的代码中窥探到到许多实现细节。
FW1通过dev_add_pack的办法加载输入过滤函数，如果对这个函数不熟悉，请参看【14】。但是此处有个问题：在net_bh()中，传往网络层的skbuff是克隆的,即
skb2=skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);
if(skb2)
pt_prev->func(skb2, skb->dev, pt_prev);
这样的话如果你想丢弃此包的话，光将其free掉是不够的，因为它只是其中的一份拷贝而已。
FW1是怎么解决这个问题的呢？见下面的代码（从汇编代码翻译成的C程序）：
packet_type *fw_type_list=NULL;
static struct packet_type fw_ip_packet_type =
{
__constant_htons(ETH_P_IP),
NULL, /* All devices */
fw_filterin,
NULL,
NULL, /* next */
};
fwinstallin(int isinstall )
{
packet_type *temp;
/*安装*/
if(isinstall==0){
dev_add_pack(&fw_ip_packet_type);
fw_type_list = fw_ip_packet_type->next;
for(temp = fw_type_list; temp; temp=temp->temp)
dev_remove_pack(temp);
}
/*卸载*/
else {
dev_remove_pack(&fw_ip_packet_type);
for(temp = fw_ip_packet_type; temp; temp=temp->next)
dev_add_pack(temp);
}
}
不难看出，FW1把ip_packet_type歇载掉了，然后自己在自己的处理函数(fw_filterin)中调ip_recv。
输出的挂载和lkm的手法一样，更改dev->hard_start_xmit。dev结构在2.2版本的发展过程中变了一次，为了兼容FW1对这点也做了处理（通过检查版本号来取偏移）。
还有一款linux下的防火墙产品WebGuard（http://www.gennet.com.tw/b5/csub_webguard.html）采用的手法与FW1其非常类似。有兴趣的人可以自行研究一下。
四 规则
4.0 综述
4.1 ipchains
man ipfw可以看到这一段的详细解释。关键数据结构如下：
规则链用ip_chain结构来表示，缺省有input,ouptput,forward三条链。在配置规则的时候，也可以添加新的链。每条链事实上就是一组相关的规则，以链表的形式存储。
struct ip_chain
{
ip_chainlabel label; /* Defines the label for each block */
struct ip_chain *next; /* Pointer to next block */
struct ip_fwkernel *chain; /* Pointer to first rule in block */
__u32 refcount; /* Number of refernces to block */
int policy; /* Default rule for chain. Only *
* used in built in chains */
struct ip_reent reent[0]; /* Actually several of these */
};
每条规则用一个ip_fwkernel结构表示：
struct ip_fwkernel
{
struct ip_fw ipfw;
struct ip_fwkernel *next; /* where to go next if current
* rule doesn't match */
struct ip_chain *branch; /* which branch to jump to if
* current rule matches */
int simplebranch; /* Use this if branch == NULL */
struct ip_counters counters[0]; /* Actually several of these */
};
ip_fwkernel中的一个重要部分就是ip_fw，用来表示待匹配的数据包消息：
struct ip_fw
{
struct in_addr fw_src, fw_dst; /* Source and destination IP addr */
struct in_addr fw_smsk, fw_dmsk; /* Mask for src and dest IP addr */
__u32 fw_mark; /* ID to stamp on packet */
__u16 fw_proto; /* Protocol, 0 = ANY */
__u16 fw_flg; /* Flags word */
__u16 fw_invflg; /* Inverse flags */
__u16 fw_spts[2]; /* Source port range. */
__u16 fw_dpts[2]; /* Destination port range. */
__u16 fw_redirpt; /* Port to redirect to. */
__u16 fw_outputsize; /* Max amount to output to
NETLINK */
char fw_vianame[IFNAMSIZ]; /* name of interface "via" */
__u8 fw_tosand, fw_tosxor; /* Revised packet priority */
};
2.2内核中网络包与规则的实际匹配在ip_fw_check中进行。
4.2 iptables
一条规则分为三部分：
struct ipt_entry file://主要用来匹配IP头
struct ip_match file://额外的匹配（tcp头，mac地址等）
struct ip_target file://除缺省的动作外（如ACCEPT，DROP），可以增加新的（如REJECT）。
man iptable:
>A firewall rule specifies criteria for a packet, and a
>target. If the packet does not match, the next rule in
>the chain is the examined; if it does match, then the next
>rule is specified by the value of the target, which can be
>the name of a user-defined chain, or one of the special
>values ACCEPT, DROP, QUEUE, or RETURN.
2.4内核中网络包与规则的实际匹配在ip_do_table中进行。这段代码的流程在
netfilter hacking howto 4.1.3描述的非常清楚。
简化代码如下：
/* Returns one of the generic firewall policies, like NF_ACCEPT. */
unsigned int
ipt_do_table(struct sk_buff **pskb,
unsigned int hook,
const struct net_device *in,
const struct net_device *out,
struct ipt_table *table,
void *userdata)
{
struct ipt_entry *e;
struct ipt_entry_target *t;
unsigned int verdict = NF_DROP;
table_base = (void *)table->private->entries
+ TABLE_OFFSET(table->private,
cpu_number_map(smp_processor_id()));
e = get_entry(table_base, table->private->hook_entry[hook]);
...
ip_packet_match(ip, indev, outdev, &e->ip, offset);
...
IPT_MATCH_ITERATE(e, do_match, *pskb, in, out, offset, protohdr, datalen, &hotdrop)
...
t = ipt_get_target(e);
...
verdict = t->u.kernel.target->target(pskb, hook, in, out, t->data, userdata);//非标准的target走这一步
...
return verdict;
}
流程：
--->NF_HOOK（）；（/include/linux/netfilter.h）
--->nf_hook_slow；（/net/core/netfilter.c）
--->nf_iterate（）；（/net/core/netfilter.c）
--->然后运行登记的函数；如果你希望有一套ipt_entry结构规则，并将它放到table里，你此时便可调用ipt_do_table来匹配。
在2.4内核中，规则本身也是可扩展的，体现可自己定义并添加新的ip_match和ip_target上。
4.2 FW1
未作分析。
五 与应用层的交互
5.0 综述
防火墙除了内核里的功能以外，还需要在应用层有相应的的配置工具，如添加修改规则等，这就涉及如何与内核通信的问题。
内核模块有三种办法与进程打交道：首先是系统调用，缺点是必须添加新的系统调用或修改原有的，造成对内核代码原有结构的变换；第二种办法是通过设备文件（/dev目录下的文件），不必修改编译原有的代码，但在使用之前要先用mknod命令产生一个这样的设备；第三个办法便是使用proc文件系统。
5.1 ipchains
由于ipchains是已经是内核的正式一部分，它采用了修改系统调用的办法来添加修改命令，采用的办法就是扩展setsockopt系统调用：
int setsockopt (int socket, IPPROTO_IP, int command, void *data, int length)
man ipfw可以获得这方面的细节。
ipchains应用程序首先要需要建立一个raw socket(libipfwc.c)，然后在之上调用setsockopt。
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)
调用顺序：
ipchains在应用层调用setsockopt,进入内核：
--->sys_socketcall(net/socket.c)
--->sys_setsockopt(net/socket.c)
--->inet_setsockopt[1] [url=http://www.chinamx.com.cn/Article/os/Linux/200605/20060530130021_28777_2.html][2] 下一页
