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iptables介绍及其在k8s中的应用-k8s_8

iptables是一个很复杂内容很多的概念,而且有很多的命令,想要在一篇文章中清晰的介绍它有点难度。本篇博客也无法能对iptables说的很清楚。本篇博客记录一些iptables的要点,并记录一些自己在使用过程中的理解。

iptables的介绍

我们知道,linux系统中有route,用来和其他网络连接。如果没有它,linux就无法和外部通信了。

iptables是一系列的规则,用来对内核中的数据进行处理。没有它,linux可以正常工作,有了它,linux可以对网络中的数据的操作更加多样化,可见iptables是一个辅助角色,可以让linux的网络系统更强大。

iptables其实不是真正的防火墙,我们可以把它理解成一个客户端代理,用户通过iptables这个代理,将用户的安全设定执行到对应的"安全框架"中,这个"安全框架"才是真正的防火墙,这个框架的名字叫netfilter

netfilter才是防火墙真正的安全框架(framework),netfilter位于内核空间。

iptables其实是一个命令行工具,位于用户空间,我们用这个工具操作真正的框架。

netfilter/iptables(下文中简称为iptables)组成Linux平台下的包过滤防火墙,与大多数的Linux软件一样,这个包过滤防火墙是免费的,它可以代替昂贵的商业防火墙解决方案,完成封包过滤、封包重定向和网络地址转换(NAT)等功能。

Netfilter是Linux操作系统核心层内部的一个数据包处理模块,它具有如下功能:

  • 网络地址转换(Network Address Translate)
  • 数据包内容修改
  • 数据包过滤的防火墙功能

所以说,虽然我们使用service iptables start启动iptables"服务",但是其实准确的来说,iptables并没有一个守护进程,所以并不能算是真正意义上的服务,而应该算是内核提供的功能。

iptables基础

我们知道iptables是按照规则来办事的,我们就来说说规则(rules),规则其实就是网络管理员预定义的条件,规则一般的定义为"如果数据包头符合这样的条件,就这样处理这个数据包"。规则存储在内核空间的信息包过滤表中,这些规则分别指定了源地址、目的地址、传输协议(如TCP、UDP、ICMP)和服务类型(如HTTP、FTP和SMTP)等。当数据包与规则匹配时,iptables就根据规则所定义的方法来处理这些数据包,如接收(accept)、拒绝(reject)和丢弃(drop)等。配置iptables的主要工作就是添加、修改和删除这些规则。

当客户端访问服务器的web服务时,客户端发送报文到网卡,而tcp/ip协议栈是属于内核的一部分,所以,客户端的信息会通过内核的TCP协议传输到用户空间中的web服务中,而此时,客户端报文的目标终点为web服务所监听的套接字(IP:Port)上,当web服务需要响应客户端请求时,web服务发出的响应报文的目标终点则为客户端,这个时候,web服务所监听的IP与端口反而变成了原点,我们说过,netfilter才是真正的防火墙,它是内核的一部分,所以,如果我们想要防火墙能够达到"防火"的目的,则需要在内核中设置关卡,所有进出的报文都要通过这些关卡,经过检查后,符合放行条件的才能放行,符合阻拦条件的则需要被阻止,于是,就出现了input关卡和output关卡,而这些关卡在iptables中不被称为"关卡",而被称为"链"。

其实我们上面描述的场景并不完善,因为客户端发来的报文访问的目标地址可能并不是本机,而是其他服务器,当本机的内核支持IP_FORWARD时,我们可以将报文转发给其他服务器,所以,这个时候,我们就会提到iptables中的其他"关卡",也就是其他"链",他们就是 "路由前"、"转发"、"路由后",他们的英文名是

PREROUTING、FORWARD、POSTROUTING

也就是说,当我们启用了防火墙功能时,报文需要经过如下关卡,也就是说,根据实际情况的不同,报文经过"链"可能不同。如果报文需要转发,那么报文则不会经过input链发往用户空间,而是直接在内核空间中经过forward链和postrouting链转发出去的。

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根据上图,我们能够想象出某些常用场景中,报文的流向:

到本机某进程的报文:PREROUTING --> INPUT

由本机转发的报文:PREROUTING --> FORWARD --> POSTROUTING

由本机的某进程发出报文(通常为响应报文):OUTPUT --> POSTROUTING

链(chain)的概念

现在,我们想象一下,这些"关卡"在iptables中为什么被称作"链"呢?我们知道,防火墙的作用就在于对经过的报文匹配"规则",然后执行对应的"动作",所以,当报文经过这些关卡的时候,则必须匹配这个关卡上的规则,但是,这个关卡上可能不止有一条规则,而是有很多条规则,当我们把这些规则串到一个链条上的时候,就形成了"链",所以,我们把每一个"关卡"想象成如下图中的模样 ,这样来说,把他们称为"链"更为合适,每个经过这个"关卡"的报文,都要将这条"链"上的所有规则匹配一遍,如果有符合条件的规则,则执行规则对应的动作。

表(table)的概念

把具有相同功能的规则的集合叫做"表",不同功能的规则,可以放置在不同的表中进行管理,而iptables已经定义了4种表,每种表对应了不同的功能,所有的规则都在这4种功能的范围,所以,学习iptables之前,要搞明白每种表的作用。

iptables为我们提供了如下规则的分类,或者说,iptables为我们提供了如下"表"

  • filter表:负责过滤功能,防火墙;内核模块:iptables_filter
  • nat表:network address translation,网络地址转换功能;内核模块:iptable_nat
  • mangle表:拆解报文,做出修改,并重新封装 的功能;iptable_mangle
  • raw表:关闭nat表上启用的连接追踪机制;iptable_raw

也就是说,我们自定义的所有规则,都是这四种分类中的规则,或者说,所有规则都存在于这4张"表"中。

表链关系

但是我们需要注意的是,某些"链"中注定不会包含"某类规则",就像某些"关卡"天生就不具备某些功能一样,比如,A"关卡"只负责打击陆地敌人,没有防空能力,B"关卡"只负责打击空中敌人,没有防御步兵的能力,C"关卡"可能比较NB,既能防空,也能防御陆地敌人,D"关卡"最屌,海陆空都能防。

那让我们来看看,每个"关卡"都有哪些能力,或者说,让我们看看每个"链"上的规则都存在于哪些"表"中。

我们还是以图为例,先看看prerouting"链"上的规则都存在于哪些表中。

注意:下图只用于说明prerouting链上的规则存在于哪些表中,并没有描述表的顺序。

这幅图是什么意思呢,它的意思是说,prerouting"链"只拥有nat表、raw表和mangle表所对应的功能,所以,prerouting中的规则只能存放于nat表、raw表和mangle表中。

那么,根据上述思路,我们来总结一下,每个"关卡"都拥有什么功能,

或者说,每个"链"中的规则都存在于哪些"表"中。

可以包含链规则的表
PREROUTING raw表,mangle表,nat表
INPUT mangle表,filter表,(centos7中还有nat表,centos6中没有)
FORWARD mangle表,filter表
OUTPUT raw表mangle表,nat表,filter表
POSTROUTING mangle表,nat表

但是,我们在实际的使用过程中,往往是通过"表"作为操作入口,对规则进行定义的,之所以按照上述过程介绍iptables,是因为从"关卡"的角度更容易从入门的角度理解,但是为了以便在实际使用的时候,更加顺畅的理解它们,此处我们还要将各"表"与"链"的关系罗列出来,

表(功能)<--> 链(钩子):

raw 表中的规则可以被哪些链使用:PREROUTING,OUTPUT

mangle 表中的规则可以被哪些链使用:PREROUTING,INPUT,FORWARD,OUTPUT,POSTROUTING

nat 表中的规则可以被哪些链使用:PREROUTING,OUTPUT,POSTROUTING(centos7中还有INPUT,centos6中没有)

filter 表中的规则可以被哪些链使用:INPUT,FORWARD,OUTPUT

其实我们还需要注意一点,因为数据包经过一个"链"的时候,会将当前链的所有规则都匹配一遍,但是匹配时总归要有顺序,我们应该一条一条的去匹配,而且我们说过,相同功能类型的规则会汇聚在一张"表"中,那么,哪些"表"中的规则会放在"链"的最前面执行呢,这时候就需要有一个优先级的问题,我们还拿prerouting"链"做图示。

prerouting链中的规则存放于三张表中,而这三张表中的规则执行的优先级如下:

raw --> mangle --> nat

但是我们知道,iptables为我们定义了4张"表",当他们处于同一条"链"时,执行的优先级如下。

优先级次序(由高而低):

raw --> mangle --> nat --> filter

但是我们前面说过,某些链天生就不能使用某些表中的规则,所以,4张表中的规则处于同一条链的目前只有output链,它就是传说中海陆空都能防守的关卡。

为了更方便的管理,我们还可以在某个表里面创建自定义链,将针对某个应用程序所设置的规则放置在这个自定义链中,但是自定义链接不能直接使用,只能被某个默认的链当做动作去调用才能起作用,我们可以这样想象,自定义链就是一段比较"短"的链子,这条"短"链子上的规则都是针对某个应用程序制定的,但是这条短的链子并不能直接使用,而是需要"焊接"在iptables默认定义链子上,才能被IPtables使用,这就是为什么默认定义的"链"需要把"自定义链"当做"动作"去引用的原因。这是后话,后面再聊,在实际使用时我们即可更加的明白。

数据经过防火墙流程

结合上述所有的描述,我们可以将数据包通过防火墙的流程总结为下图:

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我们在写Iptables规则的时候,要时刻牢记这张路由次序图,灵活配置规则。

规则的概念

规则(rule):根据指定的匹配条件来尝试匹配每个流经此处的报文,一旦匹配成功,则由规则后面指定的处理动作进行处理;

规则由匹配条件和处理动作组成。

  • 匹配条件
    • 匹配条件分为基本匹配条件与扩展匹配条件
      • 基本匹配条件:
      • 源地址Source IP,目标地址 Destination IP
      • 上述内容都可以作为基本匹配条件。
      • 扩展匹配条件:
        • 除了上述的条件可以用于匹配,还有很多其他的条件可以用于匹配,这些条件泛称为扩展条件,这些扩展条件其实也是netfilter中的一部分,只是以模块的形式存在,如果想要使用这些条件,则需要依赖对应的扩展模块。
        • 源端口Source Port, 目标端口Destination Port
        • 上述内容都可以作为扩展匹配条件
  • 处理动作
    • 处理动作在iptables中被称为target(这样说并不准确,我们暂且这样称呼),动作也可以分为基本动作和扩展动作。
    • 此处列出一些常用的动作,之后的文章会对它们进行详细的示例与总结:
      • ACCEPT:允许数据包通过。
      • DROP:直接丢弃数据包,不给任何回应信息,这时候客户端会感觉自己的请求泥牛入海了,过了超时时间才会有反应。
      • REJECT:拒绝数据包通过,必要时会给数据发送端一个响应的信息,客户端刚请求就会收到拒绝的信息。
      • SNAT:源地址转换,解决内网用户用同一个公网地址上网的问题。
      • MASQUERADE:是SNAT的一种特殊形式,适用于动态的、临时会变的ip上。
      • DNAT:目标地址转换。
      • REDIRECT:在本机做端口映射。

LOG:在/var/log/messages文件中记录日志信息,然后将数据包传递给下一条规则,也就是说除了记录以外不对数据包做任何其他操作,仍然让下一条规则去匹配。

参考

iptables详解(1):iptables概念