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iptables 原理及应用详解

by adie
2011-11-05 16:18:27

iptables是一个Linux下优秀的nat+防火墙工具,我使用该工具以较低配置的传统pc配置了一个灵活强劲的防火墙+nat系统,小有心得,看了网上也有很多这方面的文章,但是似乎要么说的比较少,要么就是比较偏,内容不全,容易误导,我研究了一段时间的iptables同时也用了很久,有点滴经验,写来供大家参考,同时也备日后自己翻阅。

首先要说明的是,iptables操作的是2.4以上内核的netfilter.所以需要linux的内核在2.4以上。其功能与安全性远远比其前辈ipfwadm,ipchains强大,iptables大致是工作在OSI七层的二、三、四层,其前辈ipchains不能单独实现对tcp/udp port以及对mac地址的的定义与操作,所以我想ipchains应该是仅仅工作在三层上的。

我们先简单介绍一下netfilter的大致工作流程,也就是一个数据包(或者叫分组、packet,我个人习惯叫包)在到达linux的网络接口的时候(网卡)如何处理这个包,然后再介绍一下如何用iptables改变或者说控制对这个数据包进行操作。

netfilter内部分为三个表,分别是filter,nat,mangle,每个表又有不同的操作链(Chains)。在filter(过滤)表中,也就是他的防火墙功能的这个表,定义了三个Chain,分别是INPUT,FORWARD,OUTPUT。也就是对包的入、转发、出进行定义的三个过滤链。对于这个filter表的操作和控制也是我们实现防火墙功能的一个重要手段;在nat(Network Address Translation、网络地址翻译)表中,也就是我们用以实现地址转换和端口转发功能的这个表,定义了PREROUTING,POSTROUTING,OUTPUT三个链,下面我们会对这三个链作详细的说明;而netfilter的mangle表则是一个自定义表,里面包括上面的filter以及nat表中的各种chains,它可以让我们进行一些自定义的操作,同时这个mangle表中的chains在netfilter对包的处理流程中处在一个比较优先的位置,下面有一张图清晰的描绘了netfilter对包的处理流程(该图摘自网上,不知作者是谁,在此深表敬意!),一般情况下,我们用不到这个mangle表,在这里我们就不做介绍了。

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大家可以看到,PREROUTING这个chain在最前面,当一个包来到linux的网络接口的时候先过mangle的PREROUTING,然后是nat的PREROUTING,从这个chain的名字我们可以看出,这个chain是在路由之前(pre-routing)要过的。为什么要在路由之前过呢?大家可以看到这个图上,上面有一个菱形的部分叫ROUTING,这个ROUTING部分就是Linux的route box,也就是路由系统,它同样有很高深的功能,可以实现策略路由等等一些高级特性,此处我们不做详细解释。单说这个PREROUTING链,因为在这个链里面我们对包的操作是DNAT,也就是改变目的地址和(或端口),通常用在端口转发,或者nat到内网的DMZ区,也就是说当一个包过来的时候我们要改变它的目的地址,大家可以想想,如果一个包在改变目的地址之前就被扔进了route box,让系统选好路之后再改变目的地址,那么选路就可能是错的,或者说毫无意义了,所以,PREROUTING这个Chain一定要在进Routing之前做。比如说,我们的公网ip是60.1.1.1/24,位于linux中的eth0,内网ip是10.1.1.1/24位于linux中的eth1,我们的内网有一台web服务器,地址是10.1.1.2/24,我们怎么样能让internet用户通过这个公网ip访问我们内部的这个web服务器呢?我们就可以在这个PREROUTING链上面定义一个规则,把访问60.1.1.1:80的用户的目的地址改变一下,改变为10.1.1.2:80,这样就实现了internet用户对内网服务器的访问了,当然了,这个端口是比较灵活的,我们可以定义任何一个端口的转发,不一定是80-->80,具体的命令我们在下面的例子中介绍,这里我们只谈流程与概念上的实现方法。

好了,我们接着往下走,这个包已经过了两个PREROUTING链了,这个时候,出现了一个分支转折的地方,也就是图中下方的那个菱形(FORWARD),转发!这里有一个对目的地址的判断(这里同样说明了PREROUTING一定要在最先,不仅要在routebox之前,甚至是这个对目的地址的判断之前,因为我们可能做一个去某某某ip的地方转到自己的ip的规则,所以PREROUTING是最先处理这个包的Chain)!如果包的目的地是本机ip,那么包向上走,走入INPUT链处理,然后进入LOCAL PROCESS,如果非本地,那么就进入FORWARD链进行过滤,我们在这里就不介绍INPUT,OUTPUT的处理了,因为那主要是对于本机安全的一种处理,我们这里主要说对转发的过滤和nat的实现。

这里的FORWARD我简单说一下,当linux收到了一个目的ip地址不是本地的包,Linux会把这个包丢弃,因为默认情况下,Linux的三层包转发功能是关闭的,如果要让我们的linux实现转发,则需要打开这个转发功能,可以改变它的一个系统参数,使用sysctl net.ipv4.ip_forward=1或者echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward命令打开转发功能。好了,在这里我们让linux允许转发,这个包的目的地址也不是本机,那么它将接着走入FORWARD链,在FORWARD链里面,我们就可以定义详细的规则,也就是是否允许他通过,或者对这个包的方向流程进行一些改变,这也是我们实现访问控制的地方,这里同样也是Mangle_FORWARD然后filter_FORWARD,我们操作任何一个链都会影响到这个包的命运,在下面的介绍中,我们就忽略掉mangle表,我们基本用不到操作它,所以我们假设它是透明的。假设这个包被我们的规则放过去了,也就是ACCEPT了,它将进入POSTROUTING部分,注意!这里我注意到一个细节问题,也就是上面的图中数据包过了FORWARD链之后直接进入了POSTROUITNG链,我觉得这中间缺少一个环节,也就是route box,对于转发的包来说,linux同样需要在选路(路由)之后才能将它送出,这个图却没有标明这一点,我认为它是在过了route box之后才进入的POSTROUITNG,当然了,这对于我们讨论iptables的过滤转发来说不是很重要,只是我觉得流程上有这个问题,还是要说明一下。同样的,我们在这里从名字就可以看出,这个POSTROUTING链应该是路由之后的一个链,也就是这个包要送出这台Linux的最后一个环节了,这也是极其重要的一个环节!!这个时候linux已经完成(has done..^_^)了对这个包的路由(选路工作),已经找到了合适的接口送出这个包了,在这个链里面我们要进行重要的操作,就是被Linux称为SNAT的一个动作,修改源ip地址!为什么修改源ip地址?很多情况需要修改源地址阿,最常见的就是我们内网多台机器需要共享一个或几个公网ip访问internet,因为我们的内网地址是私有的,假如就让linux给路由出去,源地址也不变,这个包应该能访问到目的地,但是却回不来,因为internet上的N多个路由节点不会转发私有地址的数据包,也就是说,不用合法ip,我们的数据包有去无回。有人会说:“既然是这样,我就不用私有ip了,我自己分配自己合法的地址不行吗?那样包就会回来了吧?”答案是否定的,ip地址是ICANN来分配的,你的数据包或许能发到目的地,但是回来的时候人家可不会转到你那里,internet上的路由器中的路由信息会把这个返回包送到那个合法的获得ip的地方去,你同样收不到,而你这种行为有可能被定义为一种ip欺骗,很多设备会把这样的包在接入端就给滤掉了,可能都到不了你要访问的那个服务器,呵呵。

那么Linux如何做SNAT呢?比如一个内网的10.1.1.11的pc访问202.2.2.2的一个web服务器,linux的内网接口10.1.1.1在收到这个包之后把原来的PC的ip10.1.1.11改变为60.1.1.1的合法地址然后送出,同时在自己的ip_conntrack表里面做一个记录,记住是内网的哪一个ip的哪个端口访问的这个web服务器,自己把它的源地址改成多少了,端口改成多少了,以便这个web服务器返回数据包的时候linux将它准确的送回给发送请求的这个pc. 

大体的数据转发流程我们说完了,我们看看iptables使用什么样的参数来完成这些操作。在描述这些具体的操作之前,我还要说几个我对iptables的概念的理解(未必完全正确),这将有助于大家理解这些规则,以实现更精确的控制。上文中我们提到过,对包的控制是由我们在不同的Chain(链)上面添加不同的规则来实现的,比如我们对过滤表(filter table)添加规则来执行对包的操控。那么既然叫链,一定就是一条或者多条规则组成的了,这时就有一个问题了,如果多个规则对同一种包进行了定义,会发生什么事情呢?在Chain中,所有的规则都是从上向下来执行的,也就是说,如果匹配了第一行,那么就按照第一行的规则执行,一行一行的往下找,直到找到符合这个类型的包的规则为止。如果找了一遍没有找到符合这个包的规则怎么办呢?itpables里面有一个概念,就是Policy,也就是策略。一说这个东西大家可能就会觉得比较麻烦,什么策略阿,我对于它的理解就是所谓这个策略就是chain中的最后一条规则,也就是说如果找了一遍找不到符合处理这个包的规则,就按照policy来办。这样理解起来就容易多了。iptables 使用-P来设置Chain的策略。

好了,我们言归正传,来说说iptables到底怎样实现对包的控制。
先介绍一下iptables如何操作链:
对链的操作就那么几种,-I(插入) -A(追加) -R(替换) -D(删除) -L(列表显示)这里要说明的就是-I将会把规则放在第一行,-A将会放在最后一行。比如我们要添加一个规则到filter表的FORWARD链
iptables -t filter -A FORWARD -s 10.1.1.11 -d 202.1.1.1 -j ACCEPT
上面的命令意思为:追加一个规则至filter表中的FORWARD链尾,允许(-j ACCEPT)源地址为10.1.1.11目的地址为202.1.1.1的数据包通过。其中-t后面跟的是表名,在-A后面跟Chain名,后面的小写的-s为源地址,-d为目的地址,-j为处理方向。
在iptables中,默认的表名就是filter,所以这里可以省略-t filter直接写成:iptables -A FORWARD -s 10.1.1.11 -d 202.1.1.1 -j ACCEPT
iptables中的匹配参数:
我们在这里就介绍几种常用的参数,详细地用法可以man iptables看它的联机文档,你会有意外的收获。
-s匹配源地址
-d匹配目的地址
-p协议匹配
-i入接口匹配
-o出接口匹配
--sport,--dport源和目的端口匹配
-j跳转,也就是包的方向
其中还有一个!参数,使用!就是取反的意思。下面我们简单举几个例子介绍一下。
-s这个参数呢就是指定源地址的,如果使用这个参数也就是告诉netfilter,对于符合这样一个源地址的包怎么去处理,可以指定某一个单播ip地址,
也可以指定一个网络,如果单个的ip地址其实隐含了一个32位的子网掩码,比如-s 10.1.1.11 其实就是-s 10.1.1.11/32
同样我们可以指定不同的掩码用以实现源网络地址的规则,比如一个C类地址我们可以用-s 10.1.1.0/24来指定。
-d参数与-s格式一样。
-i参数是指定入接口的网络接口,比如我仅仅允许从eth3接口过来的包通过FORWARD链,就可以这样指定iptables -A FORWARD -i eth3 -j ACCEPT
-o是出接口,与上同.

我们下面用一些简单的实例来step by step看看iptables的具体配置方法。

实例一:简单的nat路由器
环境介绍:
linux 2.4 +
2个网络接口
Lan口:10.1.1.254/24 eth0
Wan口:60.1.1.1/24 eth1
目的:实现内网中的节点(10.1.1.0/24)可控的访问internet。
首先将Lan的节点pc的网关指向10.1.1.254
确定你的linux的ip配置无误,可以正确的ping通内外的地址。同时用route命令查看linux的本地路由表,确认指定了可用的ISP提供的默认网关。
使用sysctl net.ipv4.ip_forward=1打开linux的转发功能。
iptables -P FORWARD DROP
将FORWARD链的策略设置为DROP,这样做的目的是做到对内网ip的控制,你允许哪一个访问internet就可以增加一个规则,不在规则中的ip将无法访问internet.
iptables -A FORWARD -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT
这条规则规定允许任何地址到任何地址的确认包和关联包通过。一定要加这一条,否则你只允许lan IP访问没有用,至于为什么,下面我们再详细说。
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.1.1.0/24 -j SNAT --to 60.1.1.1
这条规则做了一个SNAT,也就是源地址转换,将来自10.1.1.0/24的地址转换为60.1.1.1
有这几条规则,一个简单的nat路由器就实现了。这时你可以将允许访问的ip添加至FORWARD链,他们就能访问internet了。
比如我想让10.1.1.9这个地址访问internet,那么你就加如下的命令就可以了。
iptables -A FORWARD -s 10.1.1.9 -j ACCEPT
也可以精确控制他的访问地址,比如我就允许10.1.1.99访问3.3.3.3这个ip
iptables -A FORWARD -s 10.1.1.99 -d 3.3.3.3 -j ACCEPT
或者只允许他们访问80端口。
iptables -A FORWARD -s 10.1.1.0/24 -p tcp --dport http -j ACCEPT
更多的控制可以自己灵活去做,或者查阅iptables的联机文档。

实例二:端口转发
环境介绍:
linux 2.4 +
2个网络接口
Lan口:10.1.1.254/24 eth0
Lan内web server: 10.1.1.1:80
Lan内ftp server: 10.1.1.2:21
Wan口:60.1.1.1/24 eth1
目的:对内部server进行端口转发实现internet用户访问内网服务器
同样确认你的linux的各项配置正常,能够访问内外网。
iptables -P FORWARD DROP
iptables -A FORWARD -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT
也需要加入确认包和关联包的允许通过
如果你要把访问60.1.1.1:80的数据包转发到Lan内web server,用下面的命令
iptables -t nat -A PREROUTING -d 60.1.1.1 -p tcp --dport 80 -j DNAT --to 10.1.1.1:80
ftp服务也同样,命令如下:
iptables -t nat -A PREROUTING -d 60.1.1.1 -p tcp --dport 21 -j DNAT --to 10.1.1.2:21
好了,命令完成了,端口转发也做完了,本例能不能转发呢?不能,为什么呢?我下面详细分析一下。对于iptables好像往外访问的配置比较容易,而对内
的转发似乎就有一些问题了,在一开始的时候我就先说了一些关于netfilter的流程问题,那么我就简单说说做了这些配置之后为什么有可能还不行呢?
能引起这个配置失败的原因有很多,我们一个个的来说:

第一,本例中,我们的FORWARD策略是DROP,那么也就是说,没有符合规则的包将被丢弃,不管内到外还是外到内,我们在这里依然不讨论那个确认包和关联包的问题,我们不用考虑他的问题,下面我会详细说一下这个东西,那么如何让本例可以成功呢?加入下面的规则。
iptables -A FORWARD -d 10.1.1.1 -p tcp --dport 80 -j ACCEPT
iptables -A FORWARD -d 10.1.1.2 -p tcp --dport 21 -j ACCEPT
有没有觉得有一些晕?为什么目的地址是10.xxx而不是60.xxx人家internet用户不是访问的60.xxx吗?呵呵,回到上面看看那个图吧,FORWARD链在什么位置上,它是在PREROUTING之后,也就是说当这个包到达FORWARD链的时候,目的地址已经变成10.xxx了,假如internet用户的请求是这样202.1.1.1:1333-->60.1.1.1:80,在经过了我们的PREROUTING链之后将变成202.1.1.1:1333-->10.1.1.1:80,这个时候如果你设置一个目的地址为60.xxx的规则有用吗?呵呵,这是问题一。这个时候应该可以完成端口转发的访问了,但是有一些时候还是不行?为什么?看问题二。

第二,内网server的ip配置问题,这里我们以web server为例说明一下(ftp情况有一些特殊,下面我们再详细讨论,说确认包和关联包的时候讨论这个问题),上面说到,有的时候可以访问了,有的时候却不行,就是这个web server的ip设置问题了,如果web server没有指定默认的网关,那么在作了上面的配置之后,web server会收到internet的请求,但是,他不知道往哪里回啊,人家的本地路由表不知道你那个internet的ip,202.1.1.1该怎么走。如果你使用截包工具在web server上面察看,你会发现server收到了来自202.1.1.1:1333-->10.1.1.1:80的请求,由于你没有给web server配置默认网关,它不知道怎么回去,所以就出现了不通的情况。怎么办呢?

两个解决方法:
一就是给这个server配置一个默认网关,当然要指向这个配置端口转发的linux,本例是10.1.1.254,配置好了,就一定能访问了。有一个疑问?难道不需要在FORWARD链上面设置一个允许web server的ip地址访问外网的规则吗?它的包能出去?答案是肯定的,能出去。因为我们那一条允许确认包与关联包的规则,否则它是出不去的。

第二种方法,比较麻烦一些,但是对服务器来说这样似乎更安全一些。方法就是对这个包再作一次SNAT,也就是在POSTROUTING链上添加规则。命令如下:
iptables -t nat -A POSTROUTING -d 10.1.1.1 -p tcp --dport 80 -j SNAT --to 10.1.1.254
ftp的方法相同。这条命令不太好懂??其实很简单,如果使用这条命令,那么你的web server不需要再设置默认网关,就能收到这个请求,只要他和linux的lan ip地址是能互访的(也就是说web server和Linux的Lan ip在一个广播域),我们在根据上面的netfilter流程图来分析这个包到底被我们怎么样了,首先一个请求202.1.1.1:1333-->60.1.1.1:80被linux收到了,进入PREROUTING,发现一个规则(iptables -t nat -A PREROUTING -d 60.1.1.1 -p tcp --dport 80 -j DNAT --to 10.1.1.1:80)符合,好了,改你的目的地址,于是这个包变成了202.1.1.1:1333-->10.1.1.1:80,继续往前走,进入FORWARD链,okay,也有一条规则允许通过(iptables -A FORWARD -d 10.1.1.1 -p tcp --dport 80 -j ACCEPT),进入route box选路,找到合适的路径了,继续进入POSTROUTING链,耶?又发现一个符合的规则(iptables -t nat -A POSTROUTING -d 10.1.1.1 -p tcp --dport 80 -j SNAT --to 10.1.1.254),原来是一个SNAT,改你的源地址,于是这个包变成了10.1.1.254:xxxx-->10.1.1.1:80。为什么用xxxx了,这里的端口是随机的,我也不知道会是什么。而整个的两次变化的过程都会记录在linux的ip_conntrack中,当web server收到这个包的时候,发现,原来是一个内网自己兄弟来的请求阿,又在一个广播域,不用找网关,把返回包直接扔给交换机了,linux在收到返回包之后,会根据他的ip_conntrack中的条目进行两次变换,返回真正的internet用户,于是完成这一次的访问。

看了上面的两个例子,不知道大家是否清楚了iptables的转发流程,希望对大家有所帮助,下面我们就说说我一直在上面提到的关于那个ESTABLISHED,RELATED的规则是怎么回事,到底有什么用处。说这个东西就要简单说一下网络的数据通讯的方式,我们知道,网络的访问是双向的,也就是说一个Client与Server之间完成数据交换需要双方的发包与收包。在netfilter中,有几种状态,也就是new,established,related,invalid。当一个客户端,在本文例一中,内网的一台机器访问外网,我们设置了规则允许他出去,但是没有设置允许回来的规则阿,怎么完成访问呢?这就是netfilter的状态机制,当一个lan用户通过这个linux访问外网的时候,它发送了一个请求包,这个包的状态是new,当外网回包的时候他的状态就是established,所以,linux知道,哦,这个包是我的内网的一台机器发出去的应答包,他就放行了。而外网试图对内发起一个新的连接的时候,他的状态是new,所以linux压根不去理会它。这就是我们为什么要加这一句的原因。还有那个related,他是一个关联状态,什么会用到呢?tftp,ftp都会用到,因为他们的传输机制决定了,它不像http访问那样,Client_IP:port-->server:80 然后server:80-->Client_IP:port,ftp使用tcp21建立连接,使用20端口发送数据,其中又有两种方式,一种主动active mode,一种被动passive mode,主动模式下,client使用port命令告诉server我用哪一个端口接受数据,然后server主动发起对这个端口的请求。被动模式下,server使用port命令告诉客户端,它用那个端口监听,然后客户端发起对他的数据传输,所以这对于一个防火墙来说就是比较麻烦的事情,因为有可能会有new状态的数据包,但是它又是合理的请求,这个时候就用到这个related状态了,他就是一种关联,在linux中,有个叫ftp_conntrack的模块,它能识别port命令,然后对相应的端口进行放行。

一口气写了这么多东西,不知道质量如何,大家凑和着看吧,希望多多交流共同进步,我还是一个linux的初学者,难免很多谬误,希望高手赐教指正,以期不断进步。
对了,还有几个在实际中比较实用(也比较受用:-))的命令参数,写出来供大家参考
iptables -L -n
这样的列表会跳过linux的domain lookup,有的时候使用iptables
-L会比较慢,因为linux会尝试解析ip的域名,真是罗嗦,如果你的dns server比较不爽的话,iptables -L就会让你很不爽,加一个-n参数就好了。列表刷的就出来。当然了,如果你的linux就是做防火墙,建议把nameserver去掉,在/etc/resolve.conf里面,因为有时候使用route命令也会比较慢列出来,很是不爽。
iptables -L -v
这个命令会显示链中规则的包和流量计数,嘿嘿,看看哪些小子用的流量那么多,用tc限了他。
cat /proc/net/ip_conntrack
查看目前的conntrack,可能会比较多哦,最好加一个|grep "关键字",看看你感兴趣的链接跟踪
wc -l /proc/net/ip_conntrack
看看总链接有多少条。
iptables-save >/etc/iptables
把当前的所有链备份一下,之所以放到/etc下面叫iptables,因为这样重起机器的时候会自动加载所有的链,经常地备份一下吧,否则如果链多,万一掉电重启,你还是会比较痛苦。
更多详细的内容,大家可以去www.netfilter.org看看它的官方文档,或许会对你有很大的帮助。

▲评论

› 网友 匿名 () 于 2014-04-23 15:21:14 发表评论说:

文章不错

› 网友 匿名 () 于 2014-05-12 19:23:29 发表评论说:

真的不错!

› 网友 () 于 2014-09-01 15:48:20 发表评论说:

赞一个:)

› 网友 匿名 () 于 2017-03-10 14:13:37 发表评论说:

文章不错

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