一般而言，防火墙都是嵌入在Linux内核协议栈的处理过程中，运行在内核地址空间。这就要求开发者深入理解和掌握内核，以及内核协议栈的代码。对于普通开发者来说，此要求显然过于苛刻。为此，Linux内核在Netfilter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。
下面详细阐述IP Queue的原理及其编程接口。
内核报文处理流程
首先，大致了解一下内核处理数据报文的流程。正确理解这个流程，对于编写完善的防火墙非常有帮助。
如图1所示，在内核的IP报文处理过程中，散布了一些HOOK点(图中椭圆形的节点)，在这些点上，可以挂载外部处理函数，进行定制的报文处理。
图1 Linux内核报文处理流程简图
数据报文从图1左边“接收”处进入内核协议栈，经过HOOK点PRE_ROUTING后，进行路由选择。若是发往本机的IP报文，则在经过HOOK点LOCAL_IN后提交给本地的上层协议处理。如果是需要转发的IP报文，则该报文在依次经过FORWARD和POST_ROUTING两个HOOK点后，被发往网络接口。
本地输出的IP报文将先通过HOOK点LOCAL_OUT，再根据路由选择，经过HOOK点POST_ROUTING以后，被发往网络接口。
上述这些HOOK点挂载的处理函数将返回适当的值，告知协议栈应该如何继续处理当前报文。具体分为以下各值：
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NF_QUEUE值时，内核协议栈将通过Linux NetLink通信机制把当前报文传递到用户态，由用户态的防火墙程序进行处理。这样，只要能够在相应的HOOK点上返回NF_QUEUE值，就可以安心地在用户态使用自己的程序来过滤报文了，这个功能可以由iptables实现。
NetLink机制
上面提到，使用IP Queue的用户态防火墙程序是通过NetLink机制和内核协议栈进行通信的。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“路由操作(NETLINK_ROUTE)”、“IP Queue操作(NETLINK_FIREWALL)”和“用户态ARP表操作(NETLINK_ARPD)”等通信协议。在创建IPQueue 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：
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)。
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。
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)，其数据类型为ipq_packet_msg_t，定义如下：
typedef struct ipq_packet_msg { unsigned long packet_id; /* 报文的标识号 */ unsigned long mark; /* Netfilter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; /* 所处的HOOK点 */ char indev_name[IFNAMSIZ]; /* 接收网络接口名 */ char outdev_name[IFNAMSIZ]; /*发送网络接口名*/ 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; /* 报文的长度 */ unsigned char payload[0]; /* 报文本身 */ } ipq_packet_msg_t; |
