来，今天飞哥带你理解 iptables 原理！

现在 iptables 这个工具的应用似乎是越来越广了。不仅仅是在传统的防火墙、NAT 等功能出现，在今天流行的的 Docker、Kubernets、Istio 项目中也经常能见着对它的身影。正因为如此，所以深入理解 iptables 工作原理是非常有价值的事情。

Linux 内核网络栈是一个纯内核态的东西，和用户层功能是天然隔离。但为了迎合各种各样用户层不同的需求，内核开放了一些口子出来供用户干预。使得用户层可以通过一些配置，改变内核的工作方式，从而实现特殊的需求。

Linux 在内核网络组件中很多关键位置布置了 netfilter 过滤器。Iptables 就是基于 netfilter 来实现的。所以本文中 iptables 和 netfilter 这两个名词有时候就混着用了。

飞哥也在网上看过很多关于 netfilter 技术文章，但是我觉得都写的不够清晰。所以咱们撸起袖子，自己写一篇。Netfilter 的实现可以简单地归纳为四表五链。我们来详细看看四表、五链究竟是啥意思。

一、Iptables 中的五链

Linux 下的 netfilter 在内核协议栈的各个重要关卡埋下了五个钩子。每一个钩子都对应是一系列规则，以链表的形式存在，所以俗称五链。当网络包在协议栈中流转到这些关卡的时候，就会依次执行在这些钩子上注册的各种规则，进而实现对网络包的各种处理。

要想把五链理解好，飞哥认为最关键是要把内核接收、发送、转发三个过程分开来看。

1.1 接收过程

Linux 在网络包接收在 IP 层的入口函数是 ip_rcv。网络在这里包碰到的第一个 HOOK 就是 PREROUTING。当该钩子上的规则都处理完后，会进行路由选择。如果发现是本设备的网络包，进入 ip_local_deliver 中，在这里又会遇到 INPUT 钩子。

我们来看下详细的代码，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 这个函数会执行到 iptables 中 pre_routing 里的各种表注册的各种规则。当处理完后，进入 ip_rcv_finish。在这里函数里将进行路由选择。这也就是 PREROUTING 这一链名字得来的原因，因为是在路由前执行的。

//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);

}

如果发现是本地设备上的接收，会进入 ip_local_deliver 函数。接着是又会执行到 LOCAL_IN 钩子，这也就是我们说的 INPUT 链。

//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);

}

简单总结接收数据的处理流程是：PREROUTING链 -> 路由判断（是本机）-> INPUT链 -> ...

1.2 发送过程

Linux 在网络包发送的过程中，首先是发送的路由选择，然后碰到的第一个 HOOK 就是 OUTPUT，然后接着进入 POSTROUTING 链。

来大致过一下源码，网络层发送的入口函数是 ip_queue_xmit。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
{
 // 路由选择过程
 // 选择完后记录路由信息到 skb 上
 rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
 if (rt == NULL) {
  // 没有缓存则查找路由项
  rt = ip_route_output_ports(...);
  sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
 }
 skb_dst_set_noref(skb, &rt->dst);
 ...
 //发送
 ip_local_out(skb);
}

在这里先进行了发送时的路由选择，然后进入发送时的 IP 层函数 __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 将发送数据包送入到 NF_INET_LOCAL_OUT (OUTPUT) 链。执行完后，进入 dst_output。

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

在这里获取到之前的选路，并调用选到的 output 发送。将进入 ip_output。

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

 //再次交给 netfilter，完毕后回调 ip_finish_output
 return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
  ip_finish_output,
  !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}

总结下发送数据包流程是：路由选择 -> OUTPUT链 -> POSTROUTING链 -> ...

1.3 转发过程

其实除了接收和发送过程以外，Linux 内核还可以像路由器一样来工作。它将接收到网络包（不属于自己的），然后根据路由表选到合适的网卡设备将其转发出去。

这个过程中，先是经历接收数据的前半段。在 ip_rcv 中经过 PREROUTING 链，然后路由后发现不是本设备的包，那就进入 ip_forward 函数进行转发，在这里又会遇到 FORWARD 链。最后还会进入 ip_output 进行真正的发送，遇到 POSTROUTING 链。

我们来过一下源码，先是进入 IP 层入口 ip_rcv，在这里遇到 PREROUTING 链。

//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 链条上的规则都处理完后，进入 ip_rcv_finish，在这里路由选择，然后进入 dst_input。

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

转发过程的这几步和接收过程一模一样的。不过内核路径就要从上面的 input 方法调用开始分道扬镳了。非本设备的不会进入 ip_local_deliver，而是会进入到 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 里会送到 IP 层的发送函数 ip_output。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
 ...
 //再次交给 netfilter，完毕后回调 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 里会遇到 POSTROUTING 链。再后面的流程就和发送过程的下半段一样了。

总结下转发数据过程：PREROUTING链 -> 路由判断（不是本设备，找到下一跳） -> FORWARD链 -> POSTROUTING链 -> ...

1.4 iptables 汇总

理解了接收、发送和转发三个过程以后，让我们把上面三个流程汇总起来。

数据接收过程走的是 1 和 2，发送过程走的是 4 、5，转发过程是 1、3、5。有了这张图，我们能更清楚地理解 iptables 和内核的关系。

二、Iptables 的四表

在上一节中，我们介绍了 iptables 中的五个链。在每一个链上都可能是由许多个规则组成的。在 NF_HOOK 执行到这个链的时候，就会把规则按照优先级挨个过一遍。如果有符合条件的规则，则执行规则对应的动作。

而这些规则根据用途的不同，又可以raw、mangle、nat 和 filter。

• row 表的作用是将命中规则的包，跳过其它表的处理，它的优先级最高。
• mangle 表的作用是根据规则修改数据包的一些标志位，比如 TTL
• nat 表的作用是实现网络地址转换
• filter 表的作用是过滤某些包，这是防火墙工作的基础

例如在 PREROUTING 链中的规则中，分别可以执行 row、mangle 和 nat 三种功能。

我们再来聊聊，为什么不是全部四个表呢。这是由于功能的不同，不是所有功能都会完全使用到五个链。 Raw 表目的是跳过其它表，所以只需要在接收和发送两大过程的最开头处把关，所以只需要用到 PREROUTING 和 OUTPUT 两个钩子。

Mangle 表有可能会在任意位置都有可能会修改网络包，所以它是用到了全部的钩子位置。

NAT 分为 SNAT（Source NAT）和 DNAT（Destination NAT）两种，可能会工作在 PREROUTING、INPUT、OUTPUT、POSTROUTING 四个位置。

Filter 只在 INPUT、OUTPUT 和 FORWARD 这三步中工作就够了。

从整体上看，四链五表的关系如下图。

这里再多说一点，每个命名空间都是有自己独立的 iptables 规则的。我们拿 NAT 来举例，内核在遍历 NAT 规则的时候，是从 net（命名空间变量）的 ipv4.nat_table 上取下来的。NF_HOOK 最终会执行到 nf_nat_rule_find 函数。

//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 中存储着的
 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 容器就是基于命名空间来工作的，所以每个 Docker 容器中都可以配置自己独立的 iptables 规则。

三、Iptables 使用举例

看完前面两小节，大家已经理解了四表五链是如何实现的了。那我们接下来通过几个实际的功能来看下实践中是如何使用 iptables 的。

3.1 nat

假如说我们有一台 Linux，它的 eth0 的 IP 是10.162.0.100，通过这个 IP 可以访问另外其它服务器。现在我们在这台机器上创建了个 Docker 虚拟网络环境 net1 出来，它的网卡 veth1 的 IP 是 192.168.0.2。

如果想让 192.168.0.2 能访问外部网络，则需要宿主网络命名空间下的设备工作帮其进行网络包转发。由于这是个私有的地址，只有这台 Linux 认识，所以它是无法访问外部的服务器的。这个时候如果想要让 net1 正常访问 10.162.0.101，就必须在转发时执行 SNAT - 源地址替换。

SNAT 工作在路由之后，网络包发送之前，也就是 POSTROUTING 链。我们在宿主机的命名空间里增加如下这条 iptables 规则。这条规则判断如果源是 192.168.0 网段，且目的不是 br0 的，统统执行源 IP 替换判断。

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

有了这条规则，我们来看下整个发包过程。

当数据包发出来的时候，先从 veth 发送到 br0。由于 br0 在宿主机的命名空间中，这样会执行到 POSTROUTING 链。在这个链有我们刚配置的 snat 规则。根据这条规则，内核将网络包中 192.168.0.2（外界不认识） 替换成母机的 IP 10.162.0.100（外界都认识）。同时还要跟踪记录链接状态。

然后宿主机根据自己的路由表进行判断，选择默认发送设备将包从 eth0 网卡发送出去，直到送到 10.162.0.101。接下来在 10.162.0.100 上会收到来自 10.162.0.101 的响应包。由于上一步记录过链接跟踪，所以宿主机能知道这个回包是给 192.168.0.2 的。再反替换并通过 br0 将返回送达正确的 veth 上。这样 net1 环境中的 veth1 就可以访问外部网络服务了。

3.2 DNAT 目的地址替换

接着上面小节里的例子，假设我们想在 192.168.0.2 上提供 80 端口的服务。同样，外面的服务器是无法访问这个地址的。这个时候要用到 DNAT 目的地址替换。需要在数据包进来的时候，将其目的地址替换成 192.168.0.2:80 才行。

DNAT 工作在内核接收到网络包的第一个链中，也就是 PREROUTING。我们增加一条 DNAT 规则，具体的配置如下。

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

当有外界来的网络包到达 eth0 的时候。由于 eth0 在母机的命名空间中，所以会执行到 PREROUTING 链。

该规则判断如果端口是 8088 的 TCP 请求，则将目的地址替换为 192.168.0.2:80。再通过 br0（192.168.0.1）转发数据包，数据包将到达真正提供服务的 192.168.0.2:80 上。

同样在 DNAT 中也会有链接跟踪记录，所以 192.168.0.2 给 10.162.0.101 的返回包中的源地址会被替换成 10.162.0.100:8088。之后 10.162.0.101 收到包，它一直都以为自己是真的和 10.162.0.100:8088 通信。这样 net1 环境中的 veth1 也可以提供服务给外网使用了。事实上，单机的 Docker 就是通过这两小节介绍的 SNAT 和 DNAT 配置来进行网络通信的。

3.3 filter

Filter 表主要实现网络包的过滤。假如我们发现了一个恶意 IP 疯狂请求我们的服务器，对服务造成了影响。那么我们就可以用 filter 把它禁掉。其工作原理就是在接收包的 INPUT 链位置处进行判断，发现是恶意请求就尽早干掉不处理。避免进入到更上层继续浪费 CPU 开销。

具体的配置方法细节如下：

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

当然也可以封禁某个 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

再比如说假设你不想让别人任意 ssh 登录你的服务器，只允许你的 IP 访问。那就只放开你自己的 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 表中的规则可以绕开其它表的处理。在 nat 表中，为了保证双向的流量都能正常完成地址替换，会跟踪并且记录链接状态。每一条连接都会有对应的记录生成。使用以下两个命令可以查看。

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

但在高流量的情况下，可能会有连接跟踪记录满的问题发生。我就遇到过一次在测试单机百万并发连接的时候，发生因连接数超过了 nf_conntrack_max 而导致新连接无法建立的问题。

# ip_conntrack: table full, dropping packet

但其实如果不使用 NAT 功能的话，链接跟踪功能是可以关闭的，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

路由器在转发网络包的时候，ttl 值会减 1 ，该值为 0 时，最后一个路由就会停止再转发这个数据包。如若不想让本次路由影响 ttl，便可以在 mangel 表中加个 1，把它给补回来。

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

所有从 eth0 接口进来的数据包的 ttl 值加 1，以抵消路由转发默认减的 1。

总结

Iptables 是一个非常常用，也非常重要的工具。Linux 上的防火墙、nat 等基础功能都是基于它实现的。还有现如今流行的的 Docker、Kubernets、Istio 项目中也经常能见着对它的身影。正因为如此，所以深入理解 iptables 工作原理是非常有价值的事情。

今天我们先是在第一节里从内核接收、发送、转发三个不同的过程理解了五链的位置。

接着又根据描述了 iptables 从功能上看的另外一个维度，表。每个表都是在多个钩子位置处注册自己的规则。当处理包的时候触发规则，并执行。从整体上看，四链五表的关系如下图。

最后我们又分别在 raw、mangle、nat、filter 几个表上举了简单的应用例子。希望通过今天的学习，你能将 iptables 彻底融会贯通。相信这一定会对你的工作有很大的帮助的！

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