基于域名的iptables防火墻設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李臣

摘要：網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)生活中變的愈發(fā)重要，而研究利用操作系統(tǒng)自帶的防火墻系統(tǒng)來(lái)阻斷異常流量是解決網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題最常使用且高效的手段。Linux操作系統(tǒng)作為一個(gè)開(kāi)源的操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于服務(wù)器和嵌入式領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域往往是網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的重災(zāi)區(qū)，研究Linux下的防火墻具有重要意義?，F(xiàn)有的防火墻系統(tǒng)中的配置規(guī)則一般是基于IP配置的，但是對(duì)于多個(gè)域名對(duì)應(yīng)一個(gè)IP的場(chǎng)景這種配置便不再適用，文章在Netfilter框架的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于域名進(jìn)行配置的內(nèi)核模塊來(lái)解決上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)安全; 異常流量；Linux操作系統(tǒng); 防火墻規(guī)則; Netfilter框架

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）06-0066-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

隨著虛擬主機(jī)的廣泛應(yīng)用，一個(gè)IP經(jīng)常會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)域名[1]。這樣導(dǎo)致我們?cè)谑褂梅阑饓M(jìn)行單個(gè)或多個(gè)IP流量阻斷時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤域名的阻斷。為了解決這一難題，本文基于Netfilter框架的可擴(kuò)展性開(kāi)發(fā)了一個(gè)Linux內(nèi)核模塊使得防火墻可以針對(duì)具體的域名或者域名集進(jìn)行流量的阻斷。

1? Netfilter/Iptables框架

Netfilter/Iptables 由三部分組成，分別是Netfilter框架，Iptables（內(nèi)核空間）和Iptables 命令行工具（用戶(hù)空間）[2]。

1.1? Netfilter框架

Netfilter是Linux內(nèi)核提供的一個(gè)框架[3]，它允許以自定義處理程序的形式實(shí)現(xiàn)各種與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的操作。Netfilter 在 Linux內(nèi)核中表現(xiàn)為一系列的hook， 并允許Linux 內(nèi)核模塊注冊(cè)為回調(diào)函數(shù)，Linux內(nèi)核模塊通過(guò)回調(diào)函數(shù)操作網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。Netfilter框架一共提供了5個(gè)hook，分別位于linux 網(wǎng)絡(luò)棧中的各個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，如圖1所示：

Netfilter Hook的意義：

NF_IP_PRE_ROUTING： 位于路由之前，報(bào)文一致性檢查之后（報(bào)文一致性檢查包括： 報(bào)文版本、報(bào)文長(zhǎng)度和checksum）。

NF_IP_LOCAL_IN： 位于報(bào)文經(jīng)過(guò)路由之后，并且目的是本機(jī)的。

NF_IP_FORWARD：位于在報(bào)文路由之后，目的地非本機(jī)的。

NF_IP_LOCAL_OUT： 由本機(jī)發(fā)出去的報(bào)文，并且在路由之前。

NF_IP_POST_ROUTING： 所有即將離開(kāi)本機(jī)的報(bào)文。

Linux 內(nèi)核模塊可以注冊(cè)到任何的hook，注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)也必須指定優(yōu)先級(jí)。當(dāng)一個(gè)報(bào)文通過(guò)hook的時(shí)候，hook將會(huì)依據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)用回調(diào)函數(shù)。注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)，可以有五種返回，每種返回代表對(duì)報(bào)文不同的操作：

NF_ACCEPT： 繼續(xù)正常處理此報(bào)文，即允許報(bào)文通過(guò)。

NF_DROP： 丟棄此報(bào)文，不再進(jìn)行繼續(xù)處理，即拒絕此報(bào)文。

NF_STOLEN： 取走這個(gè)報(bào)文，不再繼續(xù)處理。

NF_QUEUE： 報(bào)文進(jìn)行重新排隊(duì)，可以將報(bào)文發(fā)到用戶(hù)空間的程序，進(jìn)行修改或者決定是拒絕或者允許。

NF_REPEAT： 報(bào)文重新調(diào)用hook。

1.2 Iptables內(nèi)核空間

Iptables 是基于Netfilter框架實(shí)現(xiàn)的報(bào)文選擇系統(tǒng)[4]，其可以用于報(bào)文的過(guò)濾、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換和報(bào)文修改等功能。Iptables 本質(zhì)上是包含了5個(gè)規(guī)則表，而規(guī)則表則包含了一些列的報(bào)文的匹配規(guī)則以及操作目標(biāo)。以下對(duì)每個(gè)規(guī)則表進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明：

Filter Table： 是一個(gè)默認(rèn)的規(guī)則表，用于報(bào)文的過(guò)濾，注冊(cè)了三個(gè)鏈： INPUT、FORWARD和OUTPUT。

NAT Table： 主要用于NAT轉(zhuǎn)換，注冊(cè)了四個(gè)鏈：PREROUTING、INPUT、OUTPUT和POSTROUTING。

Mangle Table： 主要用于報(bào)文的修改，一共注冊(cè)了五個(gè)鏈： PREROUTING、OUTPUT、INPUT、FORWARD和POSTROUTING。

Raw Table： 可以對(duì)報(bào)文不進(jìn)行鏈路跟蹤，其優(yōu)先級(jí)在hook中注冊(cè)很高，注冊(cè)了兩個(gè)鏈： PREROUTING和OUTPUT。

Security Table： 用于強(qiáng)制網(wǎng)絡(luò)接入控制，注冊(cè)了三個(gè)鏈：INPUT、OUTPUT 和 FORWARD。

1.3 Iptables命令行工具（用戶(hù)空間）

Iptables命令行工具是工作在用戶(hù)空間的操作工具，用于修改內(nèi)核空間的規(guī)則表[5]。

2 SNI（服務(wù)器名稱(chēng)指示）

SNI 是 TLS 協(xié)議（以前稱(chēng)為 SSL 協(xié)議）的擴(kuò)展[6]，該協(xié)議在 HTTPS 中使用，它的出現(xiàn)是為了解決多個(gè)服務(wù)器域名對(duì)應(yīng)同一個(gè)IP而產(chǎn)生客戶(hù)端不知道鏈接哪個(gè)服務(wù)端的問(wèn)題。它包含在 TLS/SSL 握手流程中，以確保客戶(hù)端設(shè)備能夠看到他們嘗試訪問(wèn)的網(wǎng)站的正確 SSL 證書(shū)。該擴(kuò)展使得可以在 TLS 握手期間指定網(wǎng)站的主機(jī)名或域名 ，而不是在握手之后打開(kāi) HTTP 連接時(shí)指定。

3 SNI防火墻實(shí)現(xiàn)

基于Netfilter框架很好的擴(kuò)展性，用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)編寫(xiě)自定義的Linux內(nèi)核模塊并在Netfilter上注冊(cè)為回調(diào)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自定義的防火墻功能。

3.1? 匹配模塊的實(shí)現(xiàn)

每一條iptables配置的規(guī)則中都包含了匹配條件（match）和動(dòng)作（target），要定義一個(gè)新的匹配條件就要實(shí)現(xiàn)一個(gè)匹配條件模塊[7]。匹配模塊的職責(zé)是檢測(cè)每一個(gè)數(shù)據(jù)包確定是否滿足匹配條件。首先要定義一個(gè)xt_match結(jié)構(gòu)體類(lèi)型的變量，模塊初始化的時(shí)候調(diào)用xt_register_match函數(shù)將其注冊(cè)到netfilter框架中，xt_match結(jié)構(gòu)體的定義如下：

struct xt_match {

const char name[XT_EXTENSION_MAXNAMELEN];

unsigned short family;

bool （*match） （const struct sk_buff *sbk， struct xt_action_param *）;

int （*checkentry） （const struct xt_mtchk_param *）;

void （*destroy） （const struct xt_mtdtor_param *）;

}

3.1.1 自定義結(jié)構(gòu)體

我們?cè)趇ptables命令中支持的匹配條件包括域名精確匹配、域名模糊匹配和域名集匹配。域名集的匹配借鑒了ipsets[8]。為了支持這些功能自定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體xt_tls_info和host_set

struct xt_tls_info {

char host_or_set_name[MAX_HOSTNAME_LEN + 1]; //匹配條件中的單個(gè)域名和域名集

__s32 hostset_index; //域名集存儲(chǔ)在域名表中的位置

}

3.1.2 域名集數(shù)據(jù)的存入與查詢(xún)

域名集中的數(shù)據(jù)集合的存入使用Linux系統(tǒng)中的proc文件系統(tǒng)，每一個(gè)域名集對(duì)應(yīng)proc文件系統(tǒng)中的一個(gè)目錄。

host_set hs;

hs->proc_file = proc_create_data（name， 0644， proc_fs_hostset_dir， &proc_fops， hs）;

在做查詢(xún)的時(shí)候我們使用紅黑樹(shù)來(lái)做高性能查詢(xún)。

3.1.3 tls_mt_init函數(shù)

原型為：static int __init tls_mt_init （void）

主要完成xt_register_matches函數(shù)將xt_match類(lèi)型的變量tls_mt_regs[]注冊(cè)到netfilter框架中及host_set表的初始化：

static struct host_set *host_set_table;

host_set_table = kmalloc（sizeof （struct host_set） * max_host_sets， GFP_KERNEL）;

3.1.4 tls_mt_check函數(shù)

原型為：static int tls_mt_check （const struct xt_mtchk_param *par）

首先得到iptable命令中的匹配信息，對(duì)應(yīng)到代碼中的xt_tls_info類(lèi)型的變量match_info，判斷規(guī)則中的匹配信息是不是域名集，如果是則把該域名集信息存入到host_set_table中。存入到表中的索引位置也要放入match_info變量的hostset_index中。

3.1.5 tls_mt函數(shù)

原型為：static bool tls_mt（const struct sk_buff *skb， struct xt_action_param *par）

首先我們會(huì)根據(jù)HTTPS協(xié)議的格式從skb->data中解析出SNI中的域名，然后從par->mathchinfo中取出我們?cè)趇ptables中創(chuàng)建的匹配信息，從而進(jìn)行規(guī)則匹配。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式RFC6066[]，SNI字段的位置和多個(gè)字段有關(guān)。具體處理流程為：

在整個(gè)TCP報(bào)文中截取TCP報(bào)文頭之后的有效TLS協(xié)議負(fù)載報(bào)文數(shù)據(jù)data

檢測(cè)data數(shù)組的第一個(gè)元素Content Type判斷是否為0x16（Handshake）

檢測(cè)data數(shù)組的第六個(gè)元素Handshake協(xié)議判斷是否為0x01（Client Hello）

依次檢測(cè)Session ID長(zhǎng)度、ciphers長(zhǎng)度、compression types長(zhǎng)度是否小于報(bào)文頭長(zhǎng)度

檢測(cè)通過(guò)后得到所有擴(kuò)展數(shù)據(jù)項(xiàng)，依次遍歷這些擴(kuò)展數(shù)據(jù)得到SNI的數(shù)據(jù)

得到域名的信息之后我們?cè)倥c規(guī)則中的域名或者域名集信息進(jìn)行匹配。若是域名信息則直接使用glob_match函數(shù)進(jìn)行精確或者模糊匹配。若是域名集信息則根據(jù)match_info的索引信息精確定位到host_set_table表中的位置再進(jìn)行匹配。

3.1.6 tls_mt_destroy函數(shù)

原型為：static void tls_mt_destroy（const struct xt_mtdtor_param *par）

在iptables命令中刪除規(guī)則時(shí)根據(jù)par中的match_info信息刪除相應(yīng)的域名或者域名集信息。

3.2 用戶(hù)態(tài)功能實(shí)現(xiàn)

首先定義一個(gè)xtables_match類(lèi)型的變量：

static struct xtables_match tls_match = {

.name = "tls"，? ? // 擴(kuò)展名稱(chēng)與匹配模塊中的名稱(chēng)一致

.size = XT_ALIGN（sizeof（struct xt_tls_info）），

.userspacesize = XT_ALIGN（sizeof（struct xt_tls_info）），

.help = tls_help，? // 輸入iptables -m tls -h調(diào)用

.save = tls_save，

.x6_parse = tls_parse， // 解析命令行參數(shù)

};

使用iptables的示例如下：

1）阻止去往facebook的流量：

sudo iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 443 -m tls --tls-host "www.facebook.com" -j DROP

2）模糊匹配：

sudo iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 443 -m tls --tls-host "*.googlevideo.com" -j DROP

3）域名集匹配：

sudo iptables -A OUTPUT -p tcp --dport 443 -m tls --tls-hostset blacklist -j DROP

域名集中添加域名：

sudo echo +facebook.com > /proc/net/xt_tls/hostset/blacklist

sudo echo +googlevideo.com > /proc/net/xt_tls/hostset/blacklist

域名集中刪減域名：

sudo echo -facebook.com > /proc/net/xt_tls/hostset/blacklist

4 結(jié)論

針對(duì)一個(gè)IP經(jīng)常會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)域名在使用Linux系統(tǒng)自帶的防火前進(jìn)行IP阻斷會(huì)發(fā)生誤阻斷的問(wèn)題，基于Netfilter/Iptables框架開(kāi)發(fā)了一個(gè)Linux內(nèi)核模塊進(jìn)行基于域名或者域名集的阻斷，具體原理是使用HTTPS協(xié)議中的SNI標(biāo)示。實(shí)驗(yàn)表明，在配置了基于域名的相關(guān)規(guī)則后對(duì)應(yīng)的流量被正常阻斷，而且規(guī)則支持精準(zhǔn)匹配和模糊匹配。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：光文玲】