來，今天飛哥帶你理解 iptables 原理！

大家好，我是飛哥！

現在 iptables 這個工具的應用似乎是越來越廣了。不僅僅是在傳統的防火牆、NAT 等功能出現，在今天流行的的 Docker、Kubernets、Istio 項目中也經常能見着對它的身影。正因爲如此，所以深入理解 iptables 工作原理是非常有價值的事情。

Linux 內核網絡棧是一個純內核態的東西，和用戶層功能是天然隔離。但爲了迎合各種各樣用戶層不同的需求，內核開放了一些口子出來供用戶干預。使得用戶層可以通過一些配置，改變內核的工作方式，從而實現特殊的需求。

Linux 在內核網絡組件中很多關鍵位置佈置了 netfilter 過濾器。Iptables 就是基於 netfilter 來實現的。所以本文中 iptables 和 netfilter 這兩個名詞有時候就混着用了。

飛哥也在網上看過很多關於 netfilter 技術文章，但是我覺得都寫的不夠清晰。所以咱們擼起袖子，自己寫一篇。Netfilter 的實現可以簡單地歸納爲四表五鏈。我們來詳細看看四表、五鏈究竟是啥意思。

一、Iptables 中的五鏈

Linux 下的 netfilter 在內核協議棧的各個重要關卡埋下了五個鉤子。每一個鉤子都對應是一系列規則，以鏈表的形式存在，所以俗稱五鏈。當網絡包在協議棧中流轉到這些關卡的時候，就會依次執行在這些鉤子上註冊的各種規則，進而實現對網絡包的各種處理。

要想把五鏈理解好，飛哥認爲最關鍵是要把內核接收、發送、轉發三個過程分開來看。

1.1 接收過程

Linux 在網絡包接收在 IP 層的入口函數是 ip_rcv。網絡在這裏包碰到的第一個 HOOK 就是 PREROUTING。當該鉤子上的規則都處理完後，會進行路由選擇。如果發現是本設備的網絡包，進入 ip_local_deliver 中，在這裏又會遇到 INPUT 鉤子。

我們來看下詳細的代碼，先看 ip_rcv。

//file: net/ipv4/ip_input.c
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, ......){
    ......
    return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL,
               ip_rcv_finish);

}

NF_HOOK 這個函數會執行到 iptables 中 pre_routing 裏的各種表註冊的各種規則。當處理完後，進入 ip_rcv_finish。在這裏函數里將進行路由選擇。這也就是 PREROUTING 這一鏈名字得來的原因，因爲是在路由前執行的。

//file: net/ipv4/ip_input.c
static int ip_rcv_finish(struct sk_buff *skb){
    ...
    if (!skb_dst(skb)) {
        int err = ip_route_input_noref(skb, iph->daddr, iph->saddr,
                           iph->tos, skb->dev);
        ...
    }
    ...
    return dst_input(skb);

}

如果發現是本地設備上的接收，會進入 ip_local_deliver 函數。接着是又會執行到 LOCAL_IN 鉤子，這也就是我們說的 INPUT 鏈。

//file: net/ipv4/ip_input.c
int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb){
 ......
    return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_IN, skb, skb->dev, NULL,
               ip_local_deliver_finish);

}

簡單總結接收數據的處理流程是：PREROUTING 鏈 -> 路由判斷（是本機）-> INPUT 鏈 -> ...

1.2 發送過程

Linux 在網絡包發送的過程中，首先是發送的路由選擇，然後碰到的第一個 HOOK 就是 OUTPUT，然後接着進入 POSTROUTING 鏈。

來大致過一下源碼，網絡層發送的入口函數是 ip_queue_xmit。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
{
 // 路由選擇過程
 // 選擇完後記錄路由信息到 skb 上
 rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
 if (rt == NULL) {
  // 沒有緩存則查找路由項
  rt = ip_route_output_ports(...);
  sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
 }
 skb_dst_set_noref(skb, &rt->dst);
 ...
 //發送
 ip_local_out(skb);
}

在這裏先進行了發送時的路由選擇，然後進入發送時的 IP 層函數 __ip_local_out。

//file: net/ipv4/ip_output.c 
int __ip_local_out(struct sk_buff *skb)
{
 struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);

 iph->tot_len = htons(skb->len);
 ip_send_check(iph);
 return nf_hook(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT, skb, NULL,
         skb_dst(skb)->dev, dst_output);
}

上面的 NF_HOOK 將發送數據包送入到 NF_INET_LOCAL_OUT (OUTPUT) 鏈。執行完後，進入 dst_output。

//file: include/net/dst.h
static inline int dst_output(struct sk_buff *skb)
{
 return skb_dst(skb)->output(skb);
}

在這裏獲取到之前的選路，並調用選到的 output 發送。將進入 ip_output。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
 ...

 //再次交給 netfilter，完畢後回調 ip_finish_output
 return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
  ip_finish_output,
  !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}

總結下發送數據包流程是：路由選擇 -> OUTPUT 鏈-> POSTROUTING 鏈 -> ...

1.3 轉發過程

其實除了接收和發送過程以外，Linux 內核還可以像路由器一樣來工作。它將接收到網絡包（不屬於自己的），然後根據路由表選到合適的網卡設備將其轉發出去。

這個過程中，先是經歷接收數據的前半段。在 ip_rcv 中經過 PREROUTING 鏈，然後路由後發現不是本設備的包，那就進入 ip_forward 函數進行轉發，在這裏又會遇到 FORWARD 鏈。最後還會進入 ip_output 進行真正的發送，遇到 POSTROUTING 鏈。

我們來過一下源碼，先是進入 IP 層入口 ip_rcv，在這裏遇到 PREROUTING 鏈。

//file: net/ipv4/ip_input.c
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, ......){
    ......
    return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL,
               ip_rcv_finish);

}

PREROUTING 鏈條上的規則都處理完後，進入 ip_rcv_finish，在這裏路由選擇，然後進入 dst_input。

//file: include/net/dst.h
static inline int dst_input(struct sk_buff *skb)
{
 return skb_dst(skb)->input(skb);
}

轉發過程的這幾步和接收過程一模一樣的。不過內核路徑就要從上面的 input 方法調用開始分道揚鑣了。非本設備的不會進入 ip_local_deliver，而是會進入到 ip_forward。

//file: net/ipv4/ip_forward.c
int ip_forward(struct sk_buff *skb)
{
 ......
 return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_FORWARD, skb, skb->dev,
         rt->dst.dev, ip_forward_finish);
}

在 ip_forward_finish 裏會送到 IP 層的發送函數 ip_output。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
 ...
 //再次交給 netfilter，完畢後回調 ip_finish_output
 return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
  ip_finish_output,
  !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}

在 ip_output 裏會遇到 POSTROUTING 鏈。再後面的流程就和發送過程的下半段一樣了。

總結下轉發數據過程：PREROUTING 鏈 -> 路由判斷（不是本設備，找到下一跳） -> FORWARD 鏈 -> POSTROUTING 鏈 -> ...

1.4 iptables 彙總

理解了接收、發送和轉發三個過程以後，讓我們把上面三個流程彙總起來。

數據接收過程走的是 1 和 2，發送過程走的是 4 、5，轉發過程是 1、3、5。有了這張圖，我們能更清楚地理解 iptables 和內核的關係。

二、Iptables 的四表

在上一節中，我們介紹了 iptables 中的五個鏈。在每一個鏈上都可能是由許多個規則組成的。在 NF_HOOK 執行到這個鏈的時候，就會把規則按照優先級挨個過一遍。如果有符合條件的規則，則執行規則對應的動作。

而這些規則根據用途的不同，又可以 raw、mangle、nat 和 filter。

• row 表的作用是將命中規則的包，跳過其它表的處理，它的優先級最高。

• mangle 表的作用是根據規則修改數據包的一些標誌位，比如 TTL

• nat 表的作用是實現網絡地址轉換

• filter 表的作用是過濾某些包，這是防火牆工作的基礎

例如在 PREROUTING 鏈中的規則中，分別可以執行 row、mangle 和 nat 三種功能。

我們再來聊聊，爲什麼不是全部四個表呢。這是由於功能的不同，不是所有功能都會完全使用到五個鏈。

Raw 表目的是跳過其它表，所以只需要在接收和發送兩大過程的最開頭處把關，所以只需要用到 PREROUTING 和 OUTPUT 兩個鉤子。

Mangle 表有可能會在任意位置都有可能會修改網絡包，所以它是用到了全部的鉤子位置。

NAT 分爲 SNAT（Source NAT）和 DNAT（Destination NAT）兩種，可能會工作在 PREROUTING、INPUT、OUTPUT、POSTROUTING 四個位置。

Filter 只在 INPUT、OUTPUT 和 FORWARD 這三步中工作就夠了。

從整體上看，四鏈五表的關係如下圖。

這裏再多說一點，每個命名空間都是有自己獨立的 iptables 規則的。我們拿 NAT 來舉例，內核在遍歷 NAT 規則的時候，是從 net（命名空間變量）的 ipv4.nat_table 上取下來的。NF_HOOK 最終會執行到 nf_nat_rule_find 函數。

//file: net/ipv4/netfilter/iptable_nat.c
static unsigned int nf_nat_rule_find(...)
{
 struct net *net = nf_ct_net(ct);
 unsigned int ret;

 //重要!!!!!! nat_table 是在 namespace 中存儲着的
 ret = ipt_do_table(skb, hooknum, in, out, net->ipv4.nat_table);
 if (ret == NF_ACCEPT) {
  if (!nf_nat_initialized(ct, HOOK2MANIP(hooknum)))
   ret = alloc_null_binding(ct, hooknum);
 }
 return ret;
}

Docker 容器就是基於命名空間來工作的，所以每個 Docker 容器中都可以配置自己獨立的 iptables 規則。

三、Iptables 使用舉例

看完前面兩小節，大家已經理解了四表五鏈是如何實現的了。那我們接下來通過幾個實際的功能來看下實踐中是如何使用 iptables 的。

3.1 nat

假如說我們有一臺 Linux，它的 eth0 的 IP 是 10.162.0.100，通過這個 IP 可以訪問另外其它服務器。現在我們在這臺機器上創建了個 Docker 虛擬網絡環境 net1 出來，它的網卡 veth1 的 IP 是 192.168.0.2。

如果想讓 192.168.0.2 能訪問外部網絡，則需要宿主網絡命名空間下的設備工作幫其進行網絡包轉發。由於這是個私有的地址，只有這臺 Linux 認識，所以它是無法訪問外部的服務器的。這個時候如果想要讓 net1 正常訪問 10.162.0.101，就必須在轉發時執行 SNAT - 源地址替換。

SNAT 工作在路由之後，網絡包發送之前，也就是 POSTROUTING 鏈。我們在宿主機的命名空間裏增加如下這條 iptables 規則。這條規則判斷如果源是 192.168.0 網段，且目的不是 br0 的，統統執行源 IP 替換判斷。

# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 ! -o br0 -j MASQUERADE

有了這條規則，我們來看下整個發包過程。

當數據包發出來的時候，先從 veth 發送到 br0。由於 br0 在宿主機的命名空間中，這樣會執行到 POSTROUTING 鏈。在這個鏈有我們剛配置的 snat 規則。根據這條規則，內核將網絡包中 192.168.0.2（外界不認識） 替換成母機的 IP 10.162.0.100（外界都認識）。同時還要跟蹤記錄鏈接狀態。

然後宿主機根據自己的路由表進行判斷，選擇默認發送設備將包從 eth0 網卡發送出去，直到送到 10.162.0.101。

接下來在 10.162.0.100 上會收到來自 10.162.0.101 的響應包。由於上一步記錄過鏈接跟蹤，所以宿主機能知道這個回包是給 192.168.0.2 的。再反替換並通過 br0 將返回送達正確的 veth 上。

這樣 net1 環境中的 veth1 就可以訪問外部網絡服務了。

3.2 DNAT 目的地址替換

接着上面小節裏的例子，假設我們想在 192.168.0.2 上提供 80 端口的服務。同樣，外面的服務器是無法訪問這個地址的。這個時候要用到 DNAT 目的地址替換。需要在數據包進來的時候，將其目的地址替換成 192.168.0.2:80 纔行。

DNAT 工作在內核接收到網絡包的第一個鏈中，也就是 PREROUTING。我們增加一條 DNAT 規則，具體的配置如下。

# iptables -t nat -A PREROUTING  ! -i br0 -p tcp -m tcp --dport 8088 -j DNAT --to-destination 192.168.0.2:80

當有外界來的網絡包到達 eth0 的時候。由於 eth0 在母機的命名空間中，所以會執行到 PREROUTING 鏈。

該規則判斷如果端口是 8088 的 TCP 請求，則將目的地址替換爲 192.168.0.2:80。再通過 br0（192.168.0.1）轉發數據包，數據包將到達真正提供服務的 192.168.0.2:80 上。

同樣在 DNAT 中也會有鏈接跟蹤記錄，所以 192.168.0.2 給 10.162.0.101 的返回包中的源地址會被替換成 10.162.0.100:8088。之後 10.162.0.101 收到包，它一直都以爲自己是真的和 10.162.0.100:8088 通信。

這樣 net1 環境中的 veth1 也可以提供服務給外網使用了。事實上，單機的 Docker 就是通過這兩小節介紹的 SNAT 和 DNAT 配置來進行網絡通信的。

3.3 filter

Filter 表主要實現網絡包的過濾。假如我們發現了一個惡意 IP 瘋狂請求我們的服務器，對服務造成了影響。那麼我們就可以用 filter 把它禁掉。其工作原理就是在接收包的 INPUT 鏈位置處進行判斷，發現是惡意請求就儘早幹掉不處理。避免進入到更上層繼續浪費 CPU 開銷。

具體的配置方法細節如下：

# iptables -I INPUT -s 1.2.3.4 -j DROP //封禁
# iptables -D INPUT -s 1.2.3.4 -j DROP //解封

當然也可以封禁某個 IP 段。

# iptables -I INPUT -s 121.0.0.0/8 -j DROP //封禁
# iptables -I INPUT -s 121.0.0.0/8 -j DROP //解封

再比如說假設你不想讓別人任意 ssh 登錄你的服務器，只允許你的 IP 訪問。那就只放開你自己的 IP，其它的都禁用掉就好了。

# iptables -t filter -I INPUT -s 1.2.3.4 -p tcp --dport 22 -j ACCEPT  
# iptables -t filter -I INPUT -p tcp --dport 22 -j DROP

3.4 raw

Raw 表中的規則可以繞開其它表的處理。在 nat 表中，爲了保證雙向的流量都能正常完成地址替換，會跟蹤並且記錄鏈接狀態。每一條連接都會有對應的記錄生成。使用以下兩個命令可以查看。

# conntrack -L 
# cat /proc/net/ip_conntrack

但在高流量的情況下，可能會有連接跟蹤記錄滿的問題發生。我就遇到過一次在測試單機百萬併發連接的時候，發生因連接數超過了 nf_conntrack_max 而導致新連接無法建立的問題。

# ip_conntrack: table full, dropping packet

但其實如果不使用 NAT 功能的話，鏈接跟蹤功能是可以關閉的，例如。

# iptables -t raw -A PREROUTING -d 1.2.3.4 -p tcp --dport 80 -j NOTRACK
# iptables -A FORWARD -m state --state UNTRACKED -j ACCEPT

3.5 mangle

路由器在轉發網絡包的時候，ttl 值會減 1 ，該值爲 0 時，最後一個路由就會停止再轉發這個數據包。如若不想讓本次路由影響 ttl，便可以在 mangel 表中加個 1，把它給補回來。

# ptables -t mangle -A PREROUTING -i eth0 -j TTL --ttl-inc 1

所有從 eth0 接口進來的數據包的 ttl 值加 1，以抵消路由轉發默認減的 1。

總結

Iptables 是一個非常常用，也非常重要的工具。Linux 上的防火牆、nat 等基礎功能都是基於它實現的。還有現如今流行的的 Docker、Kubernets、Istio 項目中也經常能見着對它的身影。正因爲如此，所以深入理解 iptables 工作原理是非常有價值的事情。

今天我們先是在第一節裏從內核接收、發送、轉發三個不同的過程理解了五鏈的位置。

接着又根據描述了 iptables 從功能上看的另外一個維度，表。每個表都是在多個鉤子位置處註冊自己的規則。當處理包的時候觸發規則，並執行。從整體上看，四鏈五表的關係如下圖。

最後我們又分別在 raw、mangle、nat、filter 幾個表上舉了簡單的應用例子。希望通過今天的學習，你能將 iptables 徹底融會貫通。相信這一定會對你的工作有很大的幫助的！

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