iptables的状态检测机制

1.什么是状态检测

每个网络连接包括以下信息：源地址、目的地址、源端口和目的端口，叫作套接字对(socket pairs)；协议类型、连接状态(TCP协议)和超时时间等。防火墙把这些信息叫作状态(stateful)，能够检测每个连接状态的防火墙叫作状态包过滤防火墙。它除了能够完成简单包过滤防火墙的包过滤工作外，还在自己的内存中维护一个跟踪连接状态的表，比简单包过滤防火墙具有更大的安全性。

iptables中的状态检测功能是由state选项来实现的。对这个选项，在iptables的手册页中有以下描述：

state

这个模块能够跟踪分组的连接状态(即状态检测)。

--state state

这里，state是一个用逗号分割的列表，表示要匹配的连接状态。有效的状态选项包括：INVAILD，表示分组对应的连接是未知的；ESTABLISHED，表示分组对应的连接已经进行了双向的分组传输，也就是说连接已经建立；NEW，表示这个分组需要发起一个连接，或者说，分组对应的连接在两个方向上都没有进行过分组传输；RELATED，表示分组要发起一个新的连接，但是这个连接和一个现有的连接有关，例如：FTP的数据传输连接和控制连接之间就是RELATED关系。

对于本地产生分组，在PREROUTING或者OUTPUT链中都可以对连接的状态进行跟踪。在进行状态检测之前，需要重组分组的分片。这就是为什么在iptables中不再使用ipchains的ip_always_defrag开关。

UDP和TCP连接的状态表由/proc/net/ip_conntrack进行维护。稍后我们再介绍它的内容。

状态表能够保存的最大连接数保存在/proc/sys/net/ipv4/ip_conntrack_max中。它取决于硬件的物理内存。

2.iptables的状态检测是如何工作的？

2.1.iptables概述

在讨论iptables状态检测之前，我们先大体看一下整个netfilter框架。如果要在两个网络接口之间转发一个分组，这个分组将以以下的顺序接收规则链的检查：

PREROUTING链

如果必要对这个分组进行目的网络地址转换(DNAT)和mangle处理。同时，iptables的状态检测机制将重组分组，并且以以下某种方式跟踪其状态：

分组是否匹配状态表中的一个已经实现(ESTABLISHED)的连接。

它是否是和状态表中某个UDP/TCP连接相关(RELATED)的一个ICMP分组。

这个分组是否要发起一个新(NEW)的连接。

如果分组和任何连接无关，就被认为是无效(INVALID)的。

FORWARD链

把分组的状态和过滤表中的规则进行匹配，如果分组与所有的规则都无法匹配，就使用默认的策略进行处理。

POSTROUTING链

如果有必要，就对分组进行源网络地址转换(SNAT)，

注意：所有的分组都必须和过滤表的规则进行比较。如果你修改了规则，要拒绝所有的网络流量，那么即使分组的状态匹配状态表中的一个ESTABLISHED条目，也将被拒绝。

下面，我们对UDP、TCP和ICMP三个协议分别进行分析。

2.2.UDP连接

UDP(用户数据包协议)是一种无状态协议，以为这个协议没有序列号。不过，这并不意味着我们不能跟踪UDP连接。虽然没有序列号，但是我们还可以使用其它的一些信息跟踪UDP连接的状态。下面是状态表中关于UDP连接的条目：

udp 17 19 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.50 sport=1032 dport=53 [UNREPLIED] src=192.168.1.50 dst=192.168.1.2 sport=53 dport=1032 use=1

这个状态表项只有在iptables过滤规则允许建立新的连接时，才能建立。以下的规则可以产生这类状态表项，这两条规则只允许向外的UDP连接：

iptables -A INPUT -p udp -m state --state ESTABLISHED -j ACCEPT

iptables -A OUTPUT -P udp -m state --state NEW,ESTABLISHED -j ACCEPT

上面的状态表项包含如下信息：

连接的协议是UDP(IP协议号17)。

这个状态表项还有19秒中就超时。

发起连接方向上的源、目的地址和源、目的端口。

应答方向上的源、目的地址和源、目的端口。这个连接使用UNREPLIED标记，表示还没有收到应答。

UDP连接的超时时间在/usr/src/linux/net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_proto_udp.c文件中设置，如果改变了这个值，需要重新编译Linux内核源代码才能生效。下面是UDP连接超时时间的相关的源代码：

#define UDP_TIMEOUT (30*HZ)

#define UDP_STREAM_TIMEOUT (180*HZ)

一个UDP请求等待应答的时间是30*HZ(这个值一般是30秒)。在上面的例子中，等待的时间已经消耗了11秒，还剩余19秒，如果在这段时间之内没有收到应答分组，这个表项就会被删除。一旦收到了应答，这个值就被重置为30，UNREPLIED标志也被删除。这个表项编程如下形式：

udp 17 28 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.50 sport=1032 dport=53 src=192.168.1.50 dst=192.168.1.2 sport=53 dport=1032 use=1

如果在这一对源、目的地址和源、目的端口上，发生了多个请求和应答，这个表项就作为一个数据流表项，它的超时时间是180秒。这种情况下，这个表项就变成如下形式：

udp 17 177 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.50 sport=1032 dport=53 src=192.168.1.50 dst=192.168.1.2 sport=53 dport=1032 [ASSURED] use=1

这时我们看到这个表项使用ASSURED标志。一旦连接表项使用ASSURED标志，那么即使在网络负沉重的情况下，也不会被丢弃。如果状态表已经饱和，当新的连接到达时，使用UNREPLIED标志的表项会受被丢弃。

2.3.TCP连接

一个TCP连接是通过三次握手的方式完成的。首先，客户程序发出一个同步请求(发出一个SYN分组)；接着，服务器端回应一个SYN|ACK分组；最后返回一个ACK分组，连接完成。整个过程如下所示：

Client Server

SYN --->

<--- SYN+ACK

ACK --->

<--- ACK

ACK --->

SYN和ACK是由TCP分组头的标志决定的。在每个TCP分组头还有32位的序列号和应答号用于跟踪会话。

为了跟踪一个TCP连接的状态，你需要使用下面这样的规则：

iptables -A INPUT -p tcp -m state --state ESTABLISHED -j ACCEPT

iptables -A OUTPUT -p tcp -m state --state NEW,ESTABLISHED -j ACCEPT

2.3.1.连接建立过程中状态表的变化

下面，我们详细讨论在连接建立的每个阶段中，状态表发生的变化：

一旦一个初始SYN分组进入OUTPUT链，并且输出规则允许这个分组建立一个新的连接，状态表的相关表项将如下所示：

cp 6 119 SYN_SENT src=140.208.5.62 dst=207.46.230.218 sport=1311 dport=80 [UNREPLIED] src=207.46.230.218 dst=140.208.5.62 sport=80 dport=1311 use=1

其中，TCP连接状态是SYN_SENT，连接被标记为UNREPLIED。

现在，我们等待SYN+ACK分组的响应。一旦得到响应，这个TCP连接表项就变为：

tcp 6 57 SYN_RECV src=140.208.5.62 dst=207.46.230.218 sport=1311 dport=80 src=207.46.230.218 dst=140.208.5.62 sport=80 dport=1311 use=1

连接的状态变为SYN_RECV，UNREPLIED标志被清除。

现在我们需要等待完成握手的ACK分组。ACK分组到达后，我们首先对其序列号进行一些检查，如果正确，就把这个连接的状态变为ESTABLISHED，并且使用ASSURED标记这个连接。这时，这个连接的状态如下所示：

cp 6 431995 ESTABLISHED src=140.208.5.62 dst=207.46.230.218 sport=1311 dport=80 src=207.46.230.218 dst=140.208.5.62 sport=80 dport=1311 [ASSURED] use=1

2.3.2.透视状态表

上面，我们涉及了很多CP连接的状态。现在，我们分析一下TCP连接的状态检测。实际上，状态表只知道NEW、ESTABLISHED、RELATED和INVALID。

要注意：状态检测的状态不等于TCP状态。当一个SYN分组的响应SYN+ACK分组到达，Netfilter的状态检测模块就会认为连接已经建立。但是，这时还没有完成三次握手，因此TCP连接还没有建立。

另外，包过滤规则不能删除状态表中的表项，只有连接超时，对应的状态表项才会被删除。ACK分组能够建立一个NEW状态表项。向防火墙之后一台并不存在主机发送ACK分组，并不会返回RST分组，可以证明这个结论。因此，你需要使用以下的规则明确新的TCP连接应该是SYN分组建立的：

iptables -A INPUT -p tcp !--syn -m state --state NEW -j DROP

这样可以阻止空会话的继续进行。

2.3.3.超时

所谓状态表项的超时值是指每个表项存在的最大时间，这些超时值的大小在/usr/src/linux/net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_proto_tcp.c文件中设置。以下是相关的代码：

unsigned long tcp_timeouts[]

= { 30 MINS, /* TCP_CONNTRACK_NONE, */

5 DAYS, /* TCP_CONNTRACK_ESTABLISHED, */

2 MINS, /* TCP_CONNTRACK_SYN_SENT, */

60 SECS, /* TCP_CONNTRACK_SYN_RECV, */

2 MINS, /* TCP_CONNTRACK_FIN_WAIT, */

2 MINS, /* TCP_CONNTRACK_TIME_WAIT, */