本文的大纲如下：
一、基础知识
1. Netfilter
2. Netlink机制
二、IP Queue编程接口
三、一个实现接收内核态发送的IP Queue数据包的用户态例程
1. libipq.h
2. libipq.c
3. ipq_user.c
四、应用程序的测试
1. 测试环境的建立
2. 程序的测试
一、基础知识
基础知识部分的很多部分内容都重点参考或者直接引用了《如何用IP Queue机制编写用户态防火墙》，原文的链接为：http://www.syue.com/Firewall/HTML/3357.html。在此，向该文的作者表示感谢。
1. Netfilter
Linux内核在Netfilter（下文简称NF）框架的基础上提供了IP Queue机制，使得基于用户态（User Mode）的防火墙开发成为可能。
内核中NF对网络报文的处理这里不做详细描述。假设读者已经熟悉NF的工作原理和工作流程。但这里还是要简单介绍一下NF中各个钩子（hook）函数对数据包处理的返回值，即该函数告诉内核对该数据包的处理意见。所有的返回值如下：
NF_DROP： 丢弃该报文，释放所有与该报文相关的资源；
NF_ACCEPT： 接受该报文，并继续处理；
NF_STOLEN： 该报文已经被HOOK函数接管，协议栈无须继续处理；
NF_QUEUE： 将该报文传递到用户态去做进一步的处理；
NF_REPEAT： 再次调用本HOOK函数。
当HOOK处理函数返回值为NF_QUEUE时，内核协议栈将通过IP Queue机制把当前报文传递到用户态，由用户态的应用程序进行处理。这样，只要能够在相应的HOOK点上返回NF_QUEUE值，就可以将符合要求的报文传送到用户态去做进一步对报文行处理。随后，用户态程序会将处理后的报文以及对报文的处理意见（ACCEPT，DROP等）传递给内核协议栈。内核协议栈就会按照用户态对报文的处理意见将报文做接受、丢弃等处理。整个处理的过程就相当于一个用户态的防火墙，所有数据包的实质性处理都放在用户态进行。这样，即使是不具有深入内核知识的开发人员，也可以开发出适应一定应用场合的用户态防火墙。
2. Netlink机制
前面讲到，所谓IP Queue机制，只是当NF上Hook函数对数据包处理的返回值为NF_QUEUE时，协议栈会将数据包交给内核中的ip_queue模块。而ip_queue又是怎么将数据包传递给用户态的呢？这里就涉及到在内核开发中常见的问题，如何将内核态的数据传递到用户态，实现内核空间和用户空间的通信。具体实现的方法有多种。本人的博客中也总结了若干种，并配有测试的例程：http://blog.chinaunix.net/u/33048/article.html.对于IP Queue，则是使用Netlink机制实现内核态和用户态的交互。
NetLink是Linux系统特有的、基于socket编程接口的通信机制。它是一个面向数据报文的服务，并提供NETLINK_ROUTE（更新和修改路由操作）、NETLINK_FIREWALL （接受和发送IPv4协议NF传输的包，基于内核的ip_queue模块），NETLINK_ARPD（用户态ARP表操作）等多种通信协议。在创建基于IP Queue的NetLink Socket时，将采用如下系统调用：
fd = socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_FIREWALL);
这里，PF_NETLINK指明要创建NetLink Socket；SOCK_RAW指明采用原始套接字，也可以采用SOCK_DGRAM，因为NetLink机制的实现并不区分SOCK_RAW和SOCK_DGRAM；参数NETLINK_FIREWALL则指明通信协议采用IP Queue。
既然IP Queue是基于NetLink的，其消息格式自然也遵从NetLink的规范。NetLink消息由两部分组成：消息头(struct nlmsghdr)和数据负载(data payload)。
消息头的定义如下（include/linux/netlink.h）：
struct nlmsghdr
{
__u32 nlmsg_len; /*消息长度*/
__u16 nlmsg_type;/*消息类型*/
__u16 nlmsg_flags;/*额外的标志*/
__u32 nlmsg_seq; /*序列号*/
__u32 nlmsg_pid; /*进程号*/
};
struct nlmsghdr
{
__u32 nlmsg_len; /*消息长度*/
__u16 nlmsg_type;/*消息类型*/
__u16 nlmsg_flags;/*额外的标志*/
__u32 nlmsg_seq; /*序列号*/
__u32 nlmsg_pid; /*进程号*/
};
所有的IP Queue消息都将包含一个struct nlmsghdr消息头，具体的IP Queue消息则包含在NetLink消息的数据负载中。有关NetLink消息格式的详情可以参见手册页Netlink(7)。
二、IP Queue编程接口
使用IP Queue机制的程序必须包含如下的头文件：
#include
在这个头文件中定义了所有IP Queue消息的格式。以下谈到关于IP Queue的若干个数据结构以及宏定义都包含在该文头件。
IP Queue消息可以分为两大类：由内核协议栈发给用户态进程的IP Queue消息和由用户态进程发给内核的IP Queue消息。
由内核协议栈发给用户态进程的IP Queue消息（nlmsghdr.nlmsg_type =
IPQM_PACKET），其数据结构为ipq_packet_msg_t，定义如下：
/* Messages sent from kernel */
typedef struct ipq_packet_msg {
unsigned long packet_id; /* 报文的ID号 */
unsigned long mark; /* NF标记值 */
long timestamp_sec; /*报文到达时间（秒） */
long timestamp_usec; /* 报文到达时间（毫秒） */
unsigned int hook; /* 报文所处的NF hook点 */
char indev_name[IFNAMSIZ]; /* 流入网口名称 */
char outdev_name[IFNAMSIZ]; /* 流出网口名称 */
unsigned short hw_protocol; /*硬件协议（网络顺序）*/
unsigned short hw_type; /* 硬件类型 */
unsigned char hw_addrlen; /*硬件地址长度*/
unsigned char hw_addr[8]; /* 硬件地址 */
size_t data_len; /* 报文数据的长度 */
unsigned char payload[0]; /* 报文本身的数据，可选 */
} ipq_packet_msg_t;
这个数据结构也被称为“报文的元数据”。个人理解，所谓“报文的元数据”应该是关于报文的摘要信息，而不包括报文数据的本身。从上面的这个结构体中也可以看出来。内核除可以单独向用户进程传递“报文的元数据”以外，也可以同时传递报文本身。此时，报文本身的数据将存储在ipq_packet_msg_t数据成员payload开始的地方。
至于内核在什么情况下向用户传递报文的元数据，什么情况下向用户传递报文的元数据加报文本身的数据，那就要看用户所请求的模式了。下面将讲述用户态发到内核态消息的格式，也正好解答了我们这里提出的问题。
用户态发到内核态的消息，其数据结构如下所示：
typedef struct ipq_peer_msg {
union {
ipq_verdict_msg_t verdict;
ipq_mode_msg_t mode;
} msg;
} ipq_peer_msg_t;
通过该数据结构可知，这类消息又分为“模式设置消息(nlmsghdr.nlmsg_type = IPQM_MODE)”和“断言消息(nlmsghdr.nlmsg_type = IPQM_VERDICT)”两个子类。
“模式设置消息”的数据结构定义如下：
typedef struct ipq_mode_msg {
unsigned char value;/* 请求的模式 */
size_t range;/* 请求拷贝的报文长度*/
} ipq_mode_msg_t;
这里，请求模式value的值可以是IPQ_COPY_NONE、IPQ_COPY_META和IPQ_COPY_PACKET，具体解释如下：
（1）请求模式value为IPQ_COPY_NONE时，报文将被丢弃；
（2）请求模式value为IPQ_COPY_META时，内核将在其后的报文传递中只传递“报文的元数据”。
以上两种情形传递range的值将被内核忽略。内核中会将该值置为0。
（3）请求模式value为IPQ_COPY_PACKET时，内核将同时传递“报文的元数据”和报文本身，报文本身的传递长度由ipq_mode_msg_t的另一个数据成员range指定。 range的最大值不能超过IP报文的最大长度，也就是0xFFFF。否则，会被自动置为0xFFFF。如果请求的长度大于报文自身的长度，将会按照报文自身长度进行传递。
另一子类即“断言消息”，其数据类型定义如下：
typedef struct ipq_verdict_msg {
unsigned int value;
unsigned long id;
size_t data_len;
unsigned char payload[0];
} ipq_verdict_msg_t;
其中，value是用户态程序回传给内核的对当前报文的处理意见，可以是NF_ACCEPT或NF_DROP等值。id则是用以区分报文的标识号，即内核传来的ipq_packet_msg_t结构中的packet_id。当用户态程序修改了当前报文以后，需要将报文重新传递回内核，此时，新的报文内容必须存储在payload的开始处，并由data_len指明新报文的长度。
从上述内容可以看出，在整个IP Queue的报文传递过程中，用户态程序和内核协议栈之间的互动顺序是：
（1）用户态程序利用“模式设置消息”告诉内核协议栈所请求的报文传递模式；
（2）根据这个模式，内核组织好等待传递的消息，通过NetLink Socket发给用户态程序；
（3）用户态程序对接收到的数据包进行处理，得出该报文的处理意见（可能同时修改当前报文），并回传给内核。
三、一个实现接收内核态发送的IP Queue数据包的用户态例程
由于IP Queue是使用Netlink机制进行内核态和用户态通信的。因此，用户态要接收内核态发送的IP Queue数据包，就需要设计相应的Netlink程序，也就是设计相应的基于Netlink的socket程序即可。这里，我不会详细介绍如何使用Netlink机制实现用户态和内核态进行通信。我假设阅读本文的朋友，已经熟悉了Netlink的使用。如果对Netlink的使用还不是很熟悉，那么可以参考独孤九贱大侠的**——《Linux 用户态与内核态的交互——netlink 篇》，其链接为：
http://linux.chinaunix.net/bbs/thread-822500-1-1.html.
这篇**提供了一个使用netlink的完整的例程，包括内核态和用户态。讲的非常清楚，我看完这篇**，又跑了一下上面提供的例程，基本上熟悉了Netlink的使用方法。
当然，如果读者不想花时间再去了解netlink的话，也可以通过这篇**熟悉Netlink的使用。因为我这里提供的是完整的用户态例程，我会将源码完全提供出来，对于急于通过执行程序观察结果来学习Netlink和IP Queue的朋友，也可以通过随后提供的方法编译并执行程序。
以下讲述用户态例程接收IP Queue数据包的程序设计。
其实，由于Netlink程序也是使用socket的方式进行通信。那么接收IP Queue报文的方式应该遵循socket的标准流程，具体流程如下：
（1）调用socket()创建一个地址类型为PF_NETLINK（AF_NETLINK）的套接字。该套接字使用SOCK_RAW方式传输数据，协议类型为NETLINK_FIREWALL，即使用IP Queue；
（2）调用bind()将本地地址（Netlink通信双方使用该协议特有的地址格式，见下面struct sockaddr_nl）绑定到已建立的套接字上；
struct sockaddr_nl {
sa_family_t nl_family; /* AF_NETLINK */
unsigned short nl_pad; /* Zero. */
pid_t nl_pid; /* Process ID. */
__u32 nl_groups; /* Multicast groups mask. */
};
（3）调用sendto()发送相关的配置信息，告诉内核应用程序准备接受的是数据包的元数据，还是同时包括数据包本身；
（4）调用recvfrom()接受内核态发送来的IP Queue报文；
（5）调用close()关闭套接字，结束通信。
看了以上流程，我相信很多熟悉socket编程的朋友已经可以写出接收IP Queue报文的用户态程序了。
本文中的示例代码的实现整体也是依照上面的步骤。但在细节的实现上，参考了iptables源码给给出的libipq库的实现代码。libipq库是iptables中封装的实现用户态接收和发送IP Queue报文操作的，也就相当于对上面总结的IP Queue报文接受流程进行封装。整个libipq库分别由libipq.c和libipq.h两个源文件。我这里将两个源文件移植（基于iptables-1.3.5版本）到示例代码中并裁剪，并编写了测试程序ip_user.c。因此，整个实现代码包含三个源文件：ip_user.c、libipq.c和libipq.h。
以下将对三个源文件进行分析。
1. libipq.h
该头文件定义了一个关键的数据结构，并提供了所有进行Netlink通信的API.
数据结构的定义如下：
struct ipq_handle
{
int fd;
struct sockaddr_nl local;
struct sockaddr_nl peer;
};
其中，fd是socket通信的描述符，local和peer分别是Netlink通信双方的地址。
除了定义数据结构，剩下的主要就是提供给用户调用的API，函数列表如下：
struct ipq_handle *ipq_create_handle(u_int32_t flags, u_int32_t protocol);
int ipq_destroy_handle(struct ipq_handle *h);
ssize_t ipq_read(const struct ipq_handle *h, unsigned char *buf, size_t len);
int ipq_set_mode(const struct ipq_handle *h, u_int8_t mode, size_t len);
ipq_packet_msg_t *ipq_get_packet(const unsigned char *buf);
int ipq_message_type(const unsigned char *buf);
int ipq_get_msgerr(const unsigned char *buf);
int ipq_set_verdict(const struct ipq_handle *h,
ipq_id_t id,
unsigned int verdict,
size_t data_len,
unsigned char *buf);
int ipq_ctl(const struct ipq_handle *h, int request, ...);
char *ipq_errstr(void);
void ipq_perror(const char *s);
我将在下面libipq.c的讲解中对若干我们将要用到的一些函数进行分析。
2. libipq.c
该源文件实现了libipq.h中定义的所有函数，并定义了一些出错信息。
（1）ipq_create_handle()函数申请了一个struct ipq_handle *h结构体，用来存储随后创建的IPv4 socket通信的fd，以及通信双方的地址。本函数完成了通信双方地址的初始化，并将本地地址绑定到已生成的fd上。
ipq_create_handle()函数的源码如下
struct ipq_handle *ipq_create_handle()
{
int status;
struct ipq_handle *h;
h = (struct ipq_handle *)malloc(sizeof(struct ipq_handle));
if (h == NULL) {
ipq_errno = IPQ_ERR_HANDLE;
return NULL;
}
memset(h, 0, sizeof(struct ipq_handle));
if (protocol == PF_INET)
h->fd = socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_FIREWALL);
else {
ipq_errno = IPQ_ERR_PROTOCOL;
free(h);
return NULL;
}
if (h->fd == -1) {
ipq_errno = IPQ_ERR_SOCKET;
close(h->fd);
free(h);
return NULL;
}
memset(&h->local, 0, sizeof(struct sockaddr_nl));
h->local.nl_family = AF_NETLINK;
/*传递本地的pid*/
h->local.nl_pid = getpid();
h->local.nl_groups = 0;
status = bind(h->fd, (struct sockaddr *)&h->local, sizeof(h->local));
if (status == -1) {
ipq_errno = IPQ_ERR_BIND;
close(h->fd);
free(h);
return NULL;
}
memset(&h->peer, 0, sizeof(struct sockaddr_nl));
h->peer.nl_family = AF_NETLINK;
/*代表通信的另一方为内核*/
h->peer.nl_pid = 0;
h->peer.nl_groups = 0;
return h;
}
ipq_destroy_handle()函数关闭由ipq_create_handle()建立起来的fd，并释放申请的内存。源码如下：
int ipq_destroy_handle(struct ipq_handle *h)
{
if (h) {
close(h->fd);
free(h);
}
return 0;
}
（2）向内核发送模式请求的函数
int ipq_set_mode(const struct ipq_handle *h,
u_int8_t mode, size_t range)
{
/*构造一个向内核发送报文的结构体*/
struct {
struct nlmsghdr nlh;
ipq_peer_msg_t pm;
} req;
memset(&req, 0, sizeof(req));
req.nlh.nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(sizeof(req));
req.nlh.nlmsg_flags = NLM_F_REQUEST;
req.nlh.nlmsg_type = IPQM_MODE;
req.nlh.nlmsg_pid = h->local.nl_pid;
/*告诉协议栈所请求的报文传递模式*/
req.pm.msg.mode.value = mode;
/*请求内核返回报文的长度*/
req.pm.msg.mode.range = range;
return ipq_netlink_sendto(h, (void *)&req, req.nlh.nlmsg_len);
}
在构造完向内核发送的结构体req并设置相关内容之后，调用ipq_netlink_sendto函数发送用户态的请求数据，该函数代码如下：
static ssize_t ipq_netlink_sendto(const struct ipq_handle *h,
const void *msg, size_t len)
{
int status = sendto(h->fd, msg, len, 0,
(struct sockaddr *)&h->peer, sizeof(h->peer));
if (status < 0)
ipq_errno = IPQ_ERR_SEND;
return status;
}
ipq_netlink_sendto函数直接调用了sendto系统调用发送用户态的数据，返回的是发送出去的数据长度。当sendto调用失败时，对全局变量ipq_errno 赋值IPQ_ERR_SEND。这样方便以后用专门返回出错信息的函数引用。
（3）用户态发送了请求数据包之后，就处于等待接收内核返回数据包的状态。一旦内核NF得到包处理函数返回NF_QUEUE时，该包就会被ip_queue模块发送到用户态。用户态接收IP Queue数据包的函数为：
ssize_t ipq_read(const struct ipq_handle *h, unsigned char *buf, size_t len)
该函数的代码如下。其中buf存储来自内核态的数据包，len为buf的长度。
ssize_t ipq_read(const struct ipq_handle *h,
unsigned char *buf, size_t len)
{
return ipq_netlink_recvfrom(h, buf, len);
}
该函数直接调用ipq_netlink_recvfrom()函数，其源码为：
static ssize_t ipq_netlink_recvfrom(const struct ipq_handle *h,
unsigned char *buf, size_t len)
{
unsigned int addrlen;
int status;
struct nlmsghdr *nlh;
/*buf长度的校验，不能小于Netlink Message的头部长度*/
if (len < sizeof(struct nlmsgerr)) {
ipq_errno = IPQ_ERR_RECVBUF;
return -1;
}
addrlen = sizeof(h->peer);
status = recvfrom(h->fd, buf, len, 0,
(struct sockaddr *)&h->peer, &addrlen);
if (status < 0) {
ipq_errno = IPQ_ERR_RECV;
return status;
}
/*判断接收到的发送方的地址长度是否正确*/
if (addrlen != sizeof(h->peer)) {
ipq_errno = IPQ_ERR_RECV;
return -1;
}
/*内核态向用户态发送数据报文时，其pid=0*/
if (h->peer.nl_pid != 0) {
ipq_errno = IPQ_ERR_RECV;
return -1;
}
if (status == 0) {
ipq_errno = IPQ_ERR_NLEOF;
return -1;
}
nlh = (struct nlmsghdr *)buf;
/*判断是否发生数据报文被截断的情况*/
if (nlh->nlmsg_flags & MSG_TRUNC || nlh->nlmsg_len > status) {
ipq_errno = IPQ_ERR_RTRUNC;
return -1;
}
return status;
}
该函数返回读取到报文的实际长度。
至此，我们已经可以通过上面几个函数实现从内核态接收到既定模式的IP Queue报文。
（4）输出出错信息
char *ipq_errstr(void)
{
return ipq_strerror(ipq_errno);
}
static char *ipq_strerror(int errcode)
{
if (errcode < 0 || errcode > IPQ_MAXERR)
errcode = IPQ_ERR_IMPL;
return ipq_errmap[errcode].message;
}
根据函数执行过程中记录的出错信息，打印对相关出错的具体提示。
3. ipq_user.c
这个函数就是具体的测试函数。功能比较简单，通过调用libipq.c中提供的API实现获取IP Queue数据包的简单信息，包括数据包在本地机上的入口以及报文的长度等，
整个源码如下：
/*
* ipq_usr.c
*
* Testing program for receiving IP Queue packets from kernel 2.6.18.3
*
* Dec 1, 2008
* Godbach created.
*
* This program is free software; you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License as published by
* the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
* (at your option) any later version.
*
* This program is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
* GNU General Public License for more details.
*
*/
#include
#include
#include
#include 'libipq.h'
struct ipq_handle *h = NULL;
static void sig_int(int signo)
{
ipq_destroy_handle(h);
printf('Exit: %s
', ipq_errstr());
exit(0);
}
int main(void)
{
unsigned char buf[1024];
/* creat handle*/
h = ipq_create_handle(0, PF_INET);
if(h == NULL){
printf('%s
', ipq_errstr());
return 0;
}
printf('ipq_creat_handle success!
');
/*set mode*/
unsigned char mode = IPQ_COPY_PACKET;
int range = sizeof(buf);
int ret = ipq_set_mode(h, mode, range);
printf('ipq_set_mode: send bytes =%d, range=%d
', ret, range);
/*register signal handler*/
signal(SIGINT, sig_int);
/*read packet from kernel*/
int status;
struct nlmsghdr *nlh;
ipq_packet_msg_t *ipq_packet;
while(1){
status = ipq_read(h, buf, sizeof(buf));
if(status > sizeof(struct nlmsghdr))
{
nlh = (struct nlmsghdr *)buf;
ipq_packet = ipq_get_packet(buf);
printf('recv bytes =%d, nlmsg_len=%d, indev=%s, datalen=%d, packet_id=%x
', status, nlh->nlmsg_len,
ipq_packet->indev_name, ipq_packet->data_len, ipq_packet->packet_id);
}
}
return 0;
}
四、应用程序的测试
1. 测试环境的建立
（1）内核态：要求已编译的内核支持Netlink机制， 并进入内核源码目录net/ipv4/netfilter下，检查是否生成ip_queue.ko。如果有相应的文件，则确保该模块是否加载，没有加载的话，modprobe ip_queue进行加载
（2）用户态：要求有已经安装iptables，并加上一条如下规则：
iptables -I INPUT -p icmp -j QUEUE
这里我们在INPUT链上开始处添加了一条对所有ICMP报文进行IP Queue的规则。通过添加不同的iptables规则，可以对不同的报文进行IP Queue。
如果系统上没有安装iptables的话，那么可以用一个简单的内核模块来实现其功能。即在NF对应的Hook点上注册一个钩子函数，对于某种类型的数据包直接return NF_QUEUE即可。附件的源码中我提供了一个模块程序，在NF的PRE_ROUTING出注册了一个对所有ICMP报文return NF_QUEUE的模块。没有iptables的朋友可以使用这个小模块程序替代。
注意：我这里所使用的内核为2.6.18.3。其他内核版本没有进行测试。不过，个人觉得如果用户态的应用程序应该在2.6上没有问题，只是提供的内核模块程序不能保证。
2. 程序的测试
搭建好上面提示的环境之后，可以对应用程序的源码进行编译：
gcc libipq.c ipq_user.c -o ipq_user
执行ipq_user:
[root@localhost ipq_user]# ./ipq_user
ipq_creat_handle success!
ipq_set_mode: send bytes =44, range=1024
随后，程序处于等待接受内核数据包的状态。我们从另外一台主机发送ping包到本地主机，然后看到终端的输出为：
[root@localhost ipq_user]# ./ipq_user
ipq_creat_handle success!
ipq_set_mode: send bytes =44, range=1024
recv bytes =148, nlmsg_len=148, indev=eth0, datalen=60, packet_id=c2f9b500
recv bytes =148, nlmsg_len=148, indev=eth0, datalen=60, packet_id=cb0c8c00
recv bytes =148, nlmsg_len=148, indev=eth0, datalen=60, packet_id=c72aa920
recv bytes =148, nlmsg_len=148, indev=eth0, datalen=60, packet_id=c2f9b3c0
Exit: No error
从以上信息中可以看出:
（1）用户态发送的模式设置信息的包长度为44 bytes；
（2）接收到内核态发送的包长度为148bytes， 这和从收到的IP Queue包中保存的长度nlmsg_len一致。
（3）ping包进入本地主机的eth0网口，报文的长度为60 bytes。这个实际的ping包的长度一致。
好了，到现在为止，我们已经成功的通过程序接收到内核态发送的IP Queue数据包。我将在下一篇**中讲解用户态对接收到报文的简单处理以及发送给内核的整个过程。
附件
附件中提供了此次测试进行的应用程序的源码，和一个简单的对icmp报文进行IP Queue的内核模块程序。
|
|
楼主
标题置顶
标题高亮
