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【博客524】iptables nat的实现根基：conntrack

news 来源：原创 2024/5/7 12:18:39

iptables nat的实现根基：conntrack

conntrack

conntrack 是 Linux 下的一个内核模块，这个名字是 connection track 的缩写，顾名思义，这个模块就是用来做连接跟踪的。然而这里的链接需要同 TCP 协议中的连接区分开来，它指的是通信的两个端点之间用于传输数据的连接，因此它不止可以用来跟踪 TCP 的连接，还可以跟踪 UDP、ICMP 协议保报文这样”连接“。 conntrack实现跟踪的原理是conntrack 维护一张连接表(conntrack table)。

先提netfilter框架

netfilter是linux内核中的一个数据包处理框架，用于替代原有的ipfwadm和ipchains等数据包处理程序。netfilter的功能包括数据包过滤，修改，SNAT/DNAT等。netfilter在内核协议栈的不同位置实现了5个hook点，其它内核模块(比如ip_tables)可以向这些hook点注册处理函数，这样当数据包经过这些hook点时，其上注册的处理函数就被依次调用，用户层工具像iptables一般都需要相应内核模块ip_tables配合以完成与netfilter的交互。netfilter hooks、ip{6}_tables、connection tracking、和NAT子系统一起构成了netfilter框架的主要部分。

详情见：netfilter框架解析

netfilter转发链路

   --->PRE------>[ROUTE]--->FWD---------->POST------>
       Conntrack    |       Mangle   ^    Mangle
       Mangle       |       Filter   |    NAT (Src)
       NAT (Dst)    |                |    Conntrack
       (QDisc)      |             [ROUTE]
                    v                |
                    IN Filter       OUT Conntrack
                    |  Conntrack     ^  Mangle
                    |  Mangle        |  NAT (Dst)
                    v                |  Filter

netfilter全链路图

在这里插入图片描述

conntrack在流量转发中有着比nat更高的优先级

/* hook函数默认优先级设置,数值越小优先级越高 */
enum nf_ip_hook_priorities {
    NF_IP_PRI_FIRST = INT_MIN, /* 最高优先级 */
    NF_IP_PRI_RAW_BEFORE_DEFRAG = -450, /* 涉及IP分片重组的RAW */
    NF_IP_PRI_CONNTRACK_DEFRAG = -400, /* 涉及IP分片重组的连接跟踪 */
    NF_IP_PRI_RAW = -300, /* RAW表,用于取消连接跟踪 */
    NF_IP_PRI_SELINUX_FIRST = -225,
    NF_IP_PRI_CONNTRACK = -200, /* 连接跟踪开始 */
    NF_IP_PRI_MANGLE = -150,
    NF_IP_PRI_NAT_DST = -100, /* NAT的改变目的地址, DNAT or de-SNAT */
    NF_IP_PRI_FILTER = 0, /* IPTABLES的数据包过滤 */
    NF_IP_PRI_SECURITY = 50,
    NF_IP_PRI_NAT_SRC = 100, /* NAT的改变源地址, SNAT or de-DNAT */
    NF_IP_PRI_SELINUX_LAST = 225,
    NF_IP_PRI_CONNTRACK_HELPER = 300,
    NF_IP_PRI_CONNTRACK_CONFIRM = INT_MAX, /* 连接确认 */
    NF_IP_PRI_LAST = INT_MAX, /* 最低优先级 */
};
优先级CONNTRACK > DNAT > FILTER > SNAT > CONNTRACK_CONFIRM

分析：

我们知道NAT是在连接跟踪的基础上实现的，所以连接跟踪肯定是在NAT之前建立的。从这里注册的钩子函数的优先级可以看到，NAT的优先级是NF_IP_PRI_NAT_SRC = -100而连接跟踪的优先级是NF_IP_PRI_CONNTRACK = -200，在Netfilter框架中优先级数值越小，优先级越高，越先被调用。所以可以看到NAT是在连接跟踪建立之后进行的。

融入了conntrack的iptables四表五链

conntrack虽然不属于iptables四表五链，但他维护的连接状态可以被四表五链使用，且四表五链在做NAT的时候，是依赖于conntrack的

conntrack table

conntrack 维护一张连接表——conntrack table。通过 netfilter 的 hook 机制，conntrack 模块可以检查系统中进出的每个网络数据包。当发现一条新的连接建立时，比如检查到一个 TCP SYNC 数据包， conntrack 就在 conntrack table 中添加一条连接记录。可以用 Linux 中的 conntrack 指令查看 conntrack table， conntrack table 表项中记录的格式如下：

example：

tcp 6 48 SYN_SENT src=192.168.199.132 dst=172.217.24.14 sport=58074 dport=443 [UNREPLIED] src=172.217.24.14 dst=192.168.199.132 sport=443 dport=58074 mark=0 use=1

在这里插入图片描述

conntrack中的连接不等于tcp中的连接

Netfilter 中每个 flow 都称为一个 connection，即使是对那些非面向连接的协议（例如 UDP）

conntrack工作原理

conntrack 是一个非常重要的模块，它是 ipvs 负载均衡、NAT 的核心依赖模块。以 SNAT 为例我们来说明 conntrack 的一个应用场景。当 NAT 模块收到一个新的报文时，它先查看 conntrack table，如果其中存在相关连接信息的表项，它会根据这个表项修改报文的 ip 和端口信息。当相关表项不存在时，遍历iptabls NAT表规则判断是否需要对报文做地址转换，如果符合 NAT 地址转换规则，那么 NAT 会在 conntrack talbe 中写入转换后的地址，后续地址转换直接查 conntrack table 即可完成。

Linux 的连接跟踪是在 Netfilter 中实现的

在这里插入图片描述

Tuple 是连接跟踪中最重要的概念之一：

一个 tuple 定义一个单向（unidirectional）flow。

在这里插入图片描述

Netfilter 中的连接跟踪点

在这里插入图片描述

进入 NAT

在这里插入图片描述

工作原理：

首先查询 conntrack 记录，如果不存在，就意味着无法跟踪这个连接，那就更不可能做 NAT 了，因此直接返回。如果找到了 conntrack 记录，并且是 IP_CT_RELATED、IP_CT_RELATED_REPLY 或 IP_CT_NEW 状态，就去获取 NAT 规则。如果没有规则，直接返回 NF_ACCEPT，对包不做任何改动；如果有规则，最后执行 nf_nat_packet，这个函数会进一步调用 manip_pkt 完成对包的修改，如果失败，包将被丢弃。