Neutron 理解 (9): OpenStack 是如何实现 Neutron 网络 和 Nova虚机 防火墙的 [How Nova Implements Security Group and How Neutron Implements Virtual Firewall]

学习 Neutron 系列文章：

（1）Neutron 所实现的虚拟化网络

（2）Neutron OpenvSwitch + VLAN 虚拟网络

（3）Neutron OpenvSwitch + GRE/VxLAN 虚拟网络

（4）Neutron OVS OpenFlow 流表 和 L2 Population

（5）Neutron DHCP Agent

（6）Neutron L3 Agent  

（7）Neutron LBaas

（8）Neutron Security Group

（9）Neutron FWaas 和 Nova Security Group

（10）Neutron VPNaas

（11）Neutron DVR

（12）Neutron VRRP

（13）High Availability （HA）

    本文的基础知识和所用到的技术和实现和 Neutron 理解 (8): Neutron 是如何实现虚机防火墙的 [How Netruon Implements Security Group] 非常类似，因此会省去相同的部分。

1. Nova 安全组

1.1 配置

节点	配置文件	配置项	说明
controller	/etc/nova/nova.conf	security_group_api = nova	是的 nova secgroup* 命令使用的是 nova 安全组的 API
	/etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini	enable_security_group = False	禁止 Neutron 安全组
nova-compute	/etc/nova/nova.conf /etc/nova/nova-compute.conf	firewall_driver = nova.virt.firewall.IptablesFirewallDriver	指定 Nova 安全组的驱动，可以是IptablesFirewallDriver 或者 NWFilterFirewall。默认是 IptablesFirewallDriver。见下面的说明。
	/etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini	enable_security_group = False	禁止 Neutron 安全组
network	/etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini	enable_security_group = False	禁止 Neutron 安全组

 nova 提供两种实现方式：使用 libvirt's nwfilter 的实现以及使用 linux iptables 的实现，默认的方式是使用 linux iptables。可以通过设置配置项  firewall_driver 的值指定。需要注意的是，即使使用 iptables，依然使用了部分 nwfilter 功能。参见 https://ask.openstack.org/en/question/19456/how-security-group-is-implemented/

• firewall_driver=nova.virt.libvirt.firewall.IptablesFirewallDriver
• firewall_driver=nova.virt.libvirt.firewall.NWFilterFirewall

1.2 CLI

列表安全组：
s1@controller:~$ nova secgroup-list-rules novasg1
+-------------+-----------+---------+-----------+--------------+
| IP Protocol | From Port | To Port | IP Range  | Source Group |
+-------------+-----------+---------+-----------+--------------+
| tcp         | 22        | 22      | 0.0.0.0/0 |              |
+-------------+-----------+---------+-----------+--------------+
创建一个安全组规则：

s1@controller:~$ nova secgroup-add-rule novasg1 udp 53 53 100.1.100.0/24
+-------------+-----------+---------+----------------+--------------+
| IP Protocol | From Port | To Port | IP Range | Source Group |
+-------------+-----------+---------+----------------+--------------+
| udp | 53 | 53 | 100.1.100.0/24 | |
+-------------+-----------+---------+----------------+--------------+

删除虚机的安全组：

s1@controller:~$ nova remove-secgroup 2c59a875-bc23-4605-ad70-5315d7a3f8e2 novasg1

添加安全组到虚机：

s1@controller:~$ nova add-secgroup 2c59a875-bc23-4605-ad70-5315d7a3f8e2 novasg1

创建第二个安全组：

s1@controller:~$ nova secgroup-add-rule novasg2

添加规则：

s1@controller:~$ nova secgroup-add-rule novasg2 icmp -1 -1 0.0.0.0/0
+-------------+-----------+---------+-----------+--------------+
| IP Protocol | From Port | To Port | IP Range | Source Group |
+-------------+-----------+---------+-----------+--------------+
| icmp | -1 | -1 | 0.0.0.0/0 | |
+-------------+-----------+---------+-----------+--------------+

再添加安全组到虚机：

s1@controller:~$ nova add-secgroup 2c59a875-bc23-4605-ad70-5315d7a3f8e2 novasg2

1.3 iptables 链

Nova-compute 增加了 filter 表的 INPUT,OUTPUT 和 FORWARD 链：

-N nova-compute-FORWARD
-N nova-compute-INPUT
-N nova-compute-OUTPUT
-N nova-compute-inst-122 #每个虚机一个链，命名规则是 ”inst“-<instance 在数据库中的 id>
-N nova-compute-local
-N nova-compute-provider
-N nova-compute-sg-fallback
-N nova-filter-top
-A INPUT -j nova-compute-INPUT
-A FORWARD -j nova-filter-top
-A FORWARD -j nova-compute-FORWARD
-A OUTPUT -j nova-filter-top
-A OUTPUT -j nova-compute-OUTPUT
-A nova-compute-FORWARD -s 0.0.0.0/32 -d 255.255.255.255/32 -p udp -m udp --sport 68 --dport 67 -j ACCEPT #允许本机上的虚机发出 DHCP 广播
-A nova-compute-INPUT -s 0.0.0.0/32 -d 255.255.255.255/32 -p udp -m udp --sport 68 --dport 67 -j ACCEPT  #允许本机接受 DHCP 广播包
-A nova-compute-inst-122 -m state --state INVALID -j DROP
-A nova-compute-inst-122 -m state --state RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A nova-compute-inst-122 -j nova-compute-provider
-A nova-compute-inst-122 -s 91.1.180.2/32 -p udp -m udp --sport 67 --dport 68 -j ACCEPT #接受该虚机所在子网的 DHCP Server 返回的包
-A nova-compute-inst-122 -s 91.1.180.0/24 -j ACCEPT                                     #在配置项 allow_same_net_traffic = true 的情况下接受同网段虚机的来访包
-A nova-compute-inst-122 -p tcp -m tcp --dport 22 -j ACCEPT                             #用户安全组规则指定的来访包
-A nova-compute-inst-122 -s 100.1.100.0/24 -p udp -m udp --dport 53 -j ACCEPT           #用户安全组规则指定的来访包
-A nova-compute-inst-122 -p icmp -j ACCEPT                                              #用户安全组规则指定的来防爆
-A nova-compute-inst-122 -j nova-compute-sg-fallback                                    #没被上面规则处理的其它来访包 
-A nova-compute-local -d 91.1.180.14/32 -j nova-compute-inst-122                        # “-d“ 决定了 nova 安全组只检查进入虚机的网络包
-A nova-compute-sg-fallback -j DROP                                                     #丢弃其它包，只允许上述规则指定的网络访问
-A nova-filter-top -j nova-compute-local

2. FWaas

2.1 概念

    从 Havana 版本开始，Neutron 提供一种基于 Neutron L3 Agent 的一种网络四层防火墙虚拟化参考实现 Firewall-as-a-service，简称 FWaas。本文的分析是基于 OpenStack Juno 版本进行的。Juno 版本中，FWaas 是分租户的，但是可以在多个租户之间共享。每个租户只允许一个防火墙。与物理的防火墙类似，FWaas 也有三个主要概念：

 （1）规则（Rule）：允许用户指定所要匹配的名称，描述，针对的协议（TCP, UDP, ICMP, ANY），行为（Allow，Deny），源/目的 IP 地址/子网 和 端口号/端口号区间。

 

与 neutron 安全组中的规则的区别是，这里需要指定被匹配到的数据包的处理行为是通过（ALLOW）和不通过（DENY），但是不能指定网络方向。FWaas 会将规则同时应用到进出网络的网络包上。

（2）策略（Policy）：规则的逻辑集合。Policy 可以是共享的 和 被审计的（Audited）。目前，FWaas 只是把 “audited” 保存到 DB 中，并没有对它做任何处理。

（3）防火墙（Firewall）：策略的逻辑集合。见上面右图。Juno 版本中，每个租户只能拥有最多一个 Firewall。防火墙可以是共享的。 

    这里需要说明的是 FWaas 和 Security Group （安全组） 的区别。安全组规则在连接到一个实例的计算节点上的Linux桥 qbr 上实施，FWaaS 创建的防火墙规则在租户网络边缘实现的虚拟路由器上实施。 FWaaS 并不旨在取代安全组的功能，并且它提供更为补充安全组，特别是在其当前实现状态下。 FWaaS 目前缺乏安全组提供的一些功能，包括无法指定通信的方向等。与此相反，安全组，也因为他们缺乏创建特定规则拒绝所有流量的能力，因此需要 FWaas 作为补充。

2.2 配置

节点	配置和操作
控制节点上	修改 /etc/neutron/neutron.conf： [default] service_plugins = router,lbaas,firewall [service_providers] service_provider = FIREWALL:Iptables:neutron.agent.linux.iptables_firewall.OVSHybridIptablesFirewallDriver:default   service neutron-server restart   修改 /usr/share/openstack-dashboard/openstack_dashboard/local/local_settings.py：'enable_firewall': True
网络节点上	修改 /etc/neutron/fwaas_driver.ini： [fwaas] driver = neutron.services.firewall.drivers.linux.iptables_fwaas.IptablesFwaasDriver enabled = True   service neutron-l3-agent restart

2.3 实现

目前的实现中，FWaas 是通过在其所在 tenant 中的所有 Virtual Router 上添加 iptbales 规则来实现对进出数据网络的网络包进行控制的。

代码实现：

控制节点上（class FirewallPlugin）：

（1）create rule：纯数据库操作，将 rule 保存到数据中。

（2）create policy：纯数据库操作，将 policy 保存到数据中。

（3）如果将 rule 添加到一个已经添加到 firwall 的 policy，或者将一个 policy 加入一个存在的 firewall，在数据库操作后，通过 RPC fanout 到所有的 L3 Agent host：

{'args': {'firewall': {'status': 'PENDING_UPDATE', 'name': u'fw-for-tcp', 'shared': None, 'firewall_policy_id': u'd14e23a3-2ee6-411d-b678-e6db3dac45f5', 'tenant_id': u'74c8ada23a3449f888d9e19b76d13aab', 'admin_state_up': True, 'id': u'aa85bd66-dc4c-4d1b-909e-6f5736c279c7', 'firewall_rule_list': [{'protocol': u'icmp', 'description': u'', 'source_port': None, 'source_ip_address': None, 'destination_ip_address': None, 'firewall_policy_id': u'd14e23a3-2ee6-411d-b678-e6db3dac45f5', 'position': 1, 'destination_port': None, 'id': u'8658229d-6e34-4069-b091-e560f9e54dc9', 'name': u'rule-allow-icmp', 'tenant_id': u'74c8ada23a3449f888d9e19b76d13aab', 'enabled': True, 'action': u'allow', 'ip_version': 4L, 'shared': False}, {'protocol': u'tcp', 'description': u'', 'source_port': None, 'source_ip_address': None, 'destination_ip_address': None, 'firewall_policy_id': u'd14e23a3-2ee6-411d-b678-e6db3dac45f5', 'position': 2, 'destination_port': '80', 'id': u'00b5bad2-dd14-48d6-9a5c-7b65e6e8c480', 'name': u'fule-allow-tcp-80', 'tenant_id': u'74c8ada23a3449f888d9e19b76d13aab', 'enabled': True, 'action': u'allow', 'ip_version': 4L, 'shared': False}], 'description': u''}, 'host': 'controller'}, 'namespace': None, 'method': 'update_firewall'}

• insert_rule/remove_rule/update_firewall_rule/update_firewall_policy -> Firewall_db_mixin.insert_rule/remove_rule/update_firewall_rule/update_firewall_policy -> _rpc_update_firewall_policy -> _rpc_update_firewall -> (if policy has a firewall) FirewallAgentApi.update_firewall
• create_firewall -> Firewall_db_mixin.create_firewall -> FirewallAgentApi.create_firewall
• update_firewall -> Firewall_db_mixin.update_firewall -> FirewallAgentApi.update_firewall
• delete_firewall -> Firewall_db_mixin.delete_firewall -> FirewallAgentApi.delete_firewall
• FirewallAgentApi.create/update/delete_firewall -> fanout_cast ("create/update/delete_firewall", topics.L3_AGENT, "controller", firewall) -----> FWaaSL3AgentRpcCallback.create/update/delete_firewall -> FWaaSL3AgentRpcCallback._invoke_driver_for_plugin_api

 网络节点上(class FWaaSL3AgentRpcCallback)：

（1） 通过 RPC 获取所有的 router，在获取firewall 所在的 tenant 上的 routers

（2）调用 IptablesFwaasDriver.update_firewall，依次更新每个 router 的 iptables 规则

（3）首先删除已有规则，然后根据配置的 rules 重新生成规则 

root@network:/var/cache# ip netns exec qrouter-e438bebe-6795-4b68-a613-ec0df38d3064 iptables -t filter -S
-P INPUT ACCEPT
-P FORWARD ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT
-N neutron-filter-top
-N neutron-l3-agent-FORWARD
-N neutron-l3-agent-INPUT
-N neutron-l3-agent-OUTPUT
-N neutron-l3-agent-fwaas-defau #新增的 firewall chain
-N neutron-l3-agent-iv4aa85bd66 #新增的 firewall chain
-N neutron-l3-agent-local
-N neutron-l3-agent-ov4aa85bd66 #for firewall
-A INPUT -j neutron-l3-agent-INPUT
-A FORWARD -j neutron-filter-top
-A FORWARD -j neutron-l3-agent-FORWARD #将 forward 转到 neutron 的chain
-A OUTPUT -j neutron-filter-top
-A OUTPUT -j neutron-l3-agent-OUTPUT
-A neutron-filter-top -j neutron-l3-agent-local
-A neutron-l3-agent-FORWARD -o qr-+ -j neutron-l3-agent-iv4aa85bd66 #进数据网络的包
-A neutron-l3-agent-FORWARD -i qr-+ -j neutron-l3-agent-ov4aa85bd66 #出数据网络的包

-A neutron-l3-agent-FORWARD -o qr-+ -j neutron-l3-agent-fwaas-defau #进数据网络的包的默认处理 chain
-A neutron-l3-agent-FORWARD -i qr-+ -j neutron-l3-agent-fwaas-defau #出数据网络的包的默认处理 chain
-A neutron-l3-agent-INPUT -d 127.0.0.1/32 -p tcp -m tcp --dport 9697 -j ACCEPT
-A neutron-l3-agent-fwaas-defau -j DROP                             #默认丢弃没有被以上规则处理的所有包

-A neutron-l3-agent-iv4aa85bd66 -m state --state INVALID -j DROP
-A neutron-l3-agent-iv4aa85bd66 -m state --state RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT #接受状态为 RELATED, ESTABLISHED （已建立的连接）的包
-A neutron-l3-agent-iv4aa85bd66 -p tcp -m tcp --dport 80 -j ACCEPT             #根据定义的 FWaas rule，接受目的端口为 80 的 tcp 包

-A neutron-l3-agent-ov4aa85bd66 -m state --state INVALID -j DROP
-A neutron-l3-agent-ov4aa85bd66 -m state --state RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A neutron-l3-agent-ov4aa85bd66 -p tcp -m tcp --dport 80 -j ACCEPT             #根据 FWaas rule，接收目的端口为 80 的 tcp 包

欢迎大家关注我的个人公众号：