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  • Netfilter 之 连接跟踪相关数据结构

    Netfilter通过连接跟踪来记录和跟踪连接的状态，为状态防火墙和NAT提供基础支持；

    钩子点与钩子函数

    下图为钩子点和钩子函数的关系图，其中ipv4_conntrack_defrag、ipv4_conntrack_in、ipv4_helper、ipv4_confirm为连接跟踪相关的钩子函数，其作用的钩子点为PRE_ROUTING、LOCAL_IN、LOCAL_OUT、POST_ROUTING：

     

    钩子函数的调用流程

    通过上图，可以得到连接跟踪的流程：

    输入本地：

    ipv4_conntrack_defrag–>ipv4_conntrack_in–>ipv4_helper–>ipv4_confirm

    【<————-PRE_ROUTING————>】    【<—— LOCAL_IN——>】

    转发：

    ipv4_conntrack_defrag–>ipv4_conntrack_in–>ipv4_helper–>ipv4_confirm

    【<————-PRE_ROUTING————>】    【<—— LOCAL_IN——>】

    本地输出：

    ipv4_conntrack_defrag–>ipv4_conntrack_local–>ipv4_helper–>ipv4_confirm

    【<————–LOCAL_OUT—————–>】  【<—-POST_ROUTING—>】

    连接跟踪的状态

    ip_conntrack_info用来描述连接跟踪的状态，如下：

     1 enum ip_conntrack_info {
 2     /* Part of an established connection (either direction). */
 3     /* 已建立连接的一部分(任一方向) */
 4     IP_CT_ESTABLISHED,
 5 
 6     /* Like NEW, but related to an existing connection, or ICMP error
 7        (in either direction). */
 8     /* 已建立连接的关联连接，或者是ICMP错误(任一方向) */
 9     IP_CT_RELATED,
10 
11     /* Started a new connection to track (only
12            IP_CT_DIR_ORIGINAL); may be a retransmission. */
13     /* 开始一个新连接; 可能是重传 */
14     IP_CT_NEW,
15 
16     /* >= this indicates reply direction */
17     /* >=这个值的都是响应方向的 */
18     IP_CT_IS_REPLY,
19 
20     /* 已建立连接的响应 */
21     IP_CT_ESTABLISHED_REPLY = IP_CT_ESTABLISHED + IP_CT_IS_REPLY,
22     /* 已建立连接的关联连接的响应 */
23     IP_CT_RELATED_REPLY = IP_CT_RELATED + IP_CT_IS_REPLY,
24     /* No NEW in reply direction. */
25 
26     /* Number of distinct IP_CT types. */
27     /* IP_CT类型的数量 */
28     IP_CT_NUMBER,
29 
30     /* only for userspace compatibility */
31 #ifndef __KERNEL__
32     IP_CT_NEW_REPLY = IP_CT_NUMBER,
33 #else
34     IP_CT_UNTRACKED = 7,
35 #endif
36 };
    数据结构图

    本文中涉及的数据结构之间的关系图如下：

    源码分析

    nf_conn是对连接跟踪抽象的基础结构，其中tuplehash为连接跟踪nf_conntrack_tuple的hash，分两个方向；

     1 struct nf_conn {
 2     /* Usage count in here is 1 for hash table, 1 per skb,
 3      * plus 1 for any connection(s) we are `master' for
 4      *
 5      * Hint, SKB address this struct and refcnt via skb->_nfct and
 6      * helpers nf_conntrack_get() and nf_conntrack_put().
 7      * Helper nf_ct_put() equals nf_conntrack_put() by dec refcnt,
 8      * beware nf_ct_get() is different and don't inc refcnt.
 9      */
10     /* 连接跟踪的引用计数 */
11     struct nf_conntrack ct_general;
12 
13     spinlock_t    lock;
14     u16        cpu;
15 
16 #ifdef CONFIG_NF_CONNTRACK_ZONES
17     struct nf_conntrack_zone zone;
18 #endif
19     /* XXX should I move this to the tail ? - Y.K */
20     /* These are my tuples; original and reply */
21     /* 连接跟踪两个方向的tuple节点，即五元组 */
22     struct nf_conntrack_tuple_hash tuplehash[IP_CT_DIR_MAX];
23 
24     /* Have we seen traffic both ways yet? (bitset) */
25     /* 状态 */
26     unsigned long status;
27 
28     /* jiffies32 when this ct is considered dead */
29     /* 连接跟踪的超时时间 */
30     u32 timeout;
31 
32     /* 命名空间 */
33     possible_net_t ct_net;
34 
35 #if IS_ENABLED(CONFIG_NF_NAT)
36     struct rhlist_head nat_bysource;
37 #endif
38     /* all members below initialized via memset */
39     u8 __nfct_init_offset[0];
40 
41     /* If we were expected by an expectation, this will be it */
42     /* 如果当前连接是某个连接期望的连接，该字段指向主连接 */
43     struct nf_conn *master;
44 
45 #if defined(CONFIG_NF_CONNTRACK_MARK)
46     u_int32_t mark;
47 #endif
48 
49 #ifdef CONFIG_NF_CONNTRACK_SECMARK
50     u_int32_t secmark;
51 #endif
52 
53     /* Extensions */
54         /* 扩展项 */
55     struct nf_ct_ext *ext;
56 
57     /* Storage reserved for other modules, must be the last member */
58     /* 不同协议实现连接跟踪的额外参数 */
59     union nf_conntrack_proto proto;
60 };

    nf_conntrack_tuple_hash的定义如下：

    1 struct nf_conntrack_tuple_hash {
2     struct hlist_nulls_node hnnode;
3     struct nf_conntrack_tuple tuple;
4 };

    nf_ct_ext用于实现对连接跟踪的扩展；

    1 struct nf_ct_ext {
2     struct rcu_head rcu;
3     u8 offset[NF_CT_EXT_NUM];
4     u8 len;
5     char data[0];
6 };

    nf_conntrack_tuple是用来区分一条连接的信息，定义如下：

     1 /* 该结构包含源目的信息用来区分一条连接 */
 2 struct nf_conntrack_tuple {
 3     /* 源，可操作? */
 4     struct nf_conntrack_man src;
 5 
 6     /* These are the parts of the tuple which are fixed. */
 7     /* 目的，不可操作? */
 8     struct {
 9         union nf_inet_addr u3;
10         union {
11             /* Add other protocols here. */
12             __be16 all;
13 
14             struct {
15                 __be16 port;
16             } tcp;
17             struct {
18                 __be16 port;
19             } udp;
20             struct {
21                 u_int8_t type, code;
22             } icmp;
23             struct {
24                 __be16 port;
25             } dccp;
26             struct {
27                 __be16 port;
28             } sctp;
29             struct {
30                 __be16 key;
31             } gre;
32         } u;
33 
34         /* The protocol. */
35         /* 协议 */
36         u_int8_t protonum;
37 
38         /* The direction (for tuplehash) */
39         /* 方向(tuplehash使用) */
40         u_int8_t dir;
41     } dst;
42 };

    上面结构中的源方向信息使用了nf_conntrack_man结构，其中包括了三层识别信息，四层识别信息，以及三层协议号；

     1 /* The manipulable part of the tuple. */
 2 /* tuple可操作的部分？ */
 3 struct nf_conntrack_man {
 4     /* 三层识别信息 */
 5     union nf_inet_addr u3;
 6     /* 四层识别信息 */
 7     union nf_conntrack_man_proto u;
 8     /* Layer 3 protocol */
 9     /* 三层协议号 */
10     u_int16_t l3num;
11 };
    1 union nf_inet_addr {
2     __u32        all[4];
3     __be32        ip;
4     __be32        ip6[4];
5     struct in_addr    in;
6     struct in6_addr    in6;
7 };
     1 /* The protocol-specific manipulable parts of the tuple: always in
 2  * network order
 3  */
 4 union nf_conntrack_man_proto {
 5     /* Add other protocols here. */
 6     __be16 all;
 7 
 8     struct {
 9         __be16 port;
10     } tcp;
11     struct {
12         __be16 port;
13     } udp;
14     struct {
15         __be16 id;
16     } icmp;
17     struct {
18         __be16 port;
19     } dccp;
20     struct {
21         __be16 port;
22     } sctp;
23     struct {
24         __be16 key;    /* GRE key is 32bit, PPtP only uses 16bit */
25     } gre;
26 };

    nf_conn中的proto成员用来存储协议特有的用来表示连接跟踪的信息，其联合体nf_conntack_proto定义如下：

    1 /* per conntrack: protocol private data */
2 union nf_conntrack_proto {
3     /* insert conntrack proto private data here */
4     struct nf_ct_dccp dccp;
5     struct ip_ct_sctp sctp;
6     struct ip_ct_tcp tcp;
7     struct nf_ct_gre gre;
8     unsigned int tmpl_padto;
9 };

    下面是TCP的一些必要信息；

     1 struct ip_ct_tcp {
 2     struct ip_ct_tcp_state seen[2];    /* connection parameters per direction */
 3     u_int8_t    state;        /* state of the connection (enum tcp_conntrack) */
 4     /* For detecting stale connections */
 5     u_int8_t    last_dir;    /* Direction of the last packet (enum ip_conntrack_dir) */
 6     u_int8_t    retrans;    /* Number of retransmitted packets */
 7     u_int8_t    last_index;    /* Index of the last packet */
 8     u_int32_t    last_seq;    /* Last sequence number seen in dir */
 9     u_int32_t    last_ack;    /* Last sequence number seen in opposite dir */
10     u_int32_t    last_end;    /* Last seq + len */
11     u_int16_t    last_win;    /* Last window advertisement seen in dir */
12     /* For SYN packets while we may be out-of-sync */
13     u_int8_t    last_wscale;    /* Last window scaling factor seen */
14     u_int8_t    last_flags;    /* Last flags set */
15 };
    1 struct ip_ct_tcp_state {
2     u_int32_t    td_end;        /* max of seq + len */
3     u_int32_t    td_maxend;    /* max of ack + max(win, 1) */
4     u_int32_t    td_maxwin;    /* max(win) */
5     u_int32_t    td_maxack;    /* max of ack */
6     u_int8_t    td_scale;    /* window scale factor */
7     u_int8_t    flags;        /* per direction options */
8 };
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