Linux连接跟踪源码分析报告

. . . Linux连接跟踪源码分析 IP Connection tracking 连接跟踪用来跟踪和记录连接状态，是netfilter的一部份，也是通过在hook点上注册相应的结构来工作的。

无论是发送，接收，还是转发的数据包，都要经过两个conntrack模块。 第一个conntrack点的优先级是最高的，所有数据包进入netfilter后都会首先被它处理，其作用是创建ip_conntrack结构。而最后一个conntrack的优先级最低，总是在数据包离开netfilter之前做最后的处理，它的作用是将该数据包的连接跟踪结构添加到系统的连接状态表中

1. ip_conntarck结构 ip_conntrack.h 内核中用一个ip_conntrack结构来描述一个连接的状态 struct ip_conntrack { /* nf_conntrack结构定义于include/linux/skbuff.h，Line89，其中包括一个计数器use和一个destroy函数。计数器use对本连接记录的公开引用次数进行计数 */ struct nf_conntrack ct_general;

/*其中的IP_CT_DIR_MAX是一个枚举类型ip_conntrack_dir（位于include/linux/netfilter_ipv4/ip_conntrack_tuple.h，Line65）的第3个成员，从这个结构实例在源码中的使用看来，实际上这是定义了两个tuple多元组的hash表项tuplehash[IP_CT_DIR_ORIGINAL/0]和tuplehash[IP_CT_DIR_REPLY/1]，利用两个不同方向的tuple定位一个连接，同时也可以方便地对ORIGINAL以及REPLY两个方向进行追溯*/ struct ip_conntrack_tuple_hash tuplehash[IP_CT_DIR_MAX];

/* 这是一个位图，是一个状态域。在实际的使用中，它通常与一个枚举类型ip_conntrack_status（位于include/linux/netfilter_ipv4/ip_conntrack.h，Line33）进行位运算来判断连接的状态。其中主要的状态包括： IPS_EXPECTED(_BIT)，表示一个预期的连接 IPS_SEEN_REPLY(_BIT)，表示一个双向的连接 . . .

IPS_ASSURED(_BIT)，表示这个连接即使发生超时也不能提早被删除 IPS_CONFIRMED(_BIT)，表示这个连接已经被确认（初始包已经发出） */ unsigned long status;

/*其类型timer_list位于include/linux/timer.h，Line11，其核心是一个处理函数。这个成员表示当发生连接超时时，将调用此处理函数*/ struct timer_list timeout;

/*所谓“预期的连接”的链表，其中存放的是我们所期望的其它相关连接*/ struct list_head sibling_list;

/*目前的预期连接数量*/ unsigned int expecting;

/*结构ip_conntrack_expect位于ip_conntrack.h，这个结构用于将一个预期的连接分配给现有的连接，也就是说本连接是这个master的一个预期连接*/ struct ip_conntrack_expect *master;

/* helper模块。这个结构定义于ip_conntrack_helper.h，这个模块提供了一个可以用于扩展Conntrack功能的接口。经过连接跟踪HOOK的每个数据报都将被发给每个已经注册的helper模块（注册以及卸载函数分别为ip_conntrack_helper_register()以及ip_conntrack_helper_unregister()，分别位于ip_conntrack_core.c）。这样我们就可以进行一些动态的连接管理了*/ struct ip_conntrack_helper *helper;

/*一系列的nf_ct_info类型（定义于include/linux/skbuff.h ，Line92，实际上就是nf_conntrack结构）的结构，每个结构对应于某种状态的连接。这一系列的结构会被sk_buff结构的nfct指针所引用，描述了所有与此连接有关系的数据报。其状态由枚举类型ip_conntrack_info定义（位于include/linux/netfilter_ipv4/ip_conntrack.h，Line12）共有5个成员： IP_CT_ESTABLISHED： 数据报属于已经完全建立的连接 IP_CT_RELATED： 数据报属于一个新的连接，但此连接与一个现有连接相关（预期连接）；或者是ICMP错误 IP_CT_NEW： 数据报属于一个新的连接 IP_CT_IS_REPLY： 数据报属于一个连接的回复 IP_CT_NUMBER： 不同IP_CT类型的数量，这里为7，NEW仅存于一个方向上 */ struct nf_ct_info infos[IP_CT_NUMBER];

/* 为其他模块保留的部分 */ union ip_conntrack_proto proto;

union ip_conntrack_help help; . . .

#ifdef CONFIG_IP_NF_NAT_NEEDED struct { struct ip_nat_info info; union ip_conntrack_nat_help help; #if defined(CONFIG_IP_NF_TARGET_MASQUERADE) || \ defined(CONFIG_IP_NF_TARGET_MASQUERADE_MODULE) int masq_index; #endif #if defined(CONFIG_IP_NF_RTSP) || defined(CONFIG_IP_NF_RTSP_MODULE) struct ip_nat_rtsp_info rtsp_info; #endif } nat; #endif /* CONFIG_IP_NF_NAT_NEEDED */

#if defined(CONFIG_IP_NF_CONNTRACK_MARK) unsigned long mark; #endif

}; struct ip_conntrack_tuple_hash结构描述链表中的节点，这个数组包含“初始”和“应答”两个成员（tuplehash[IP_CT_DIR_ORIGINAL]和tuplehash[IP_CT_DIR_REPLY]），所以，当一个数据包进入连接跟踪模块后，先根据这个数据包的套接字对转换成一个“初始的”tuple，赋值给tuplehash[IP_CT_DIR_ORIGINAL]，然后对这个数据包“取反”，计算出“应答”的tuple，赋值给tuplehash[IP_CT_DIR_REPLY]，这样，一条完整的连接已经跃然纸上了。 enum ip_conntrack_dir { IP_CT_DIR_ORIGINAL, IP_CT_DIR_REPLY, IP_CT_DIR_MAX };

2. 连接跟踪表 Netfilter用“来源地址/来源端口+目的地址/目的端口”，即一个“tuple”，来唯一标识一个连接。用一张连接跟踪表来描述所有的连接状态，该表用了hash算法。

hash表用一个全局指针来描述(ip_conntrack_core.c) . . .

struct list_head *ip_conntrack_hash; 表的大小，即hash节点的个数由ip_conntrack_htable_size全局变量决定，默认是根据内存计算出来的。而每个hash节点又是一条链表的首部，所以，连接跟踪表就是一个由ip_conntrack_htable_size 条链表构成的一个hash表，整个连接跟踪表大小使用全局变量ip_conntrack_max描述，与hash表的关系是ip_conntrack_max = 8 * ip_conntrack_htable_size。

链表的每个节点，都是一个ip_conntrack_tuple_hash结构： struct ip_conntrack_tuple_hash { /* 用来组织链表 */ struct list_head list; /* 用来描述一个tuple */ struct ip_conntrack_tuple tuple; /* this == &ctrack->tuplehash[DIRECTION(this)]. */ struct ip_conntrack *ctrack; };

实际描述一个tuple的是ip_conntrack_tuple结构 ip_conntrack_tuple.h struct ip_conntrack_tuple { /* 源 */ struct ip_conntrack_manip src;

/* These are the parts of the tuple which are fixed. */ struct { /* 目的地址 */ u_int32_t ip; union { /* Add other protocols here. */ u_int64_t all;

struct { u_int16_t port; } tcp; struct { u_int16_t port; } udp; struct { u_int8_t type, code; } icmp; struct { u_int16_t protocol;