Chapter 4. 状态机制

本章将详细介绍状态机制。通读本章，你会对状态机制是如何工作的有一个全面的了解。我们用一些例 子来进行说明状态机制。实践出真知嘛。

 

4.1. 概述

状态机制是iptables中特殊的一部分，其实它不应该叫状态机制，因为它只是一种连接跟踪机制。但 是，很多人都认可状态机制这个名字。文中我也或多或或少地用这个名字来表示和连接跟踪相同的意思。这 不应该引起什么混乱的。连接跟踪可以让Netfilter知道某个特定连接的状态。运行连接跟踪的防火墙称作 带有状态机制的防火墙，以下简称为状态防火墙。状态防火墙比非状态防火墙要安全，因为它允许我们编写 更严密的规则。

 

在iptables里，包是和被跟踪连接的四种不同状态有关的。它们是NEW，ESTABLISHED，RELATED和INVALID。 后面我们会深入地讨论每一个状态。使用--state匹配操作，我们能很容易地控制 “谁或什么能发起新的会话”。

 

所有在内核中由Netfilter的特定框架做的连接跟踪称作conntrack（译者注：就是connection tracking 的首字母缩写）。conntrack可以作为模块安装，也可以作为内核的一部分。大部分情况下，我们想要，也 需要更详细的连接跟踪，这是相比于缺省的conntrack而言。也因为此，conntrack中有许多用来处理TCP， UDP或ICMP协议的部件。这些模块从数据包中提取详细的、唯一的信息，因此能保持对每一个数据流的跟 踪。这些信息也告知conntrack流当前的状态。例如，UDP流一般由他们的目的地址、源地址、目的端口和源 端口唯一确定。

 

在以前的内核里，我们可以打开或关闭重组功能。然而，自从iptables和Netfilter，尤其是连接跟踪被 引入内核，这个选项就被取消了。因为没有包的重组，连接跟踪就不能正常工作。现在重组已经整合入 conntrack，并且在conntrack启动时自动启动。不要关闭重组功能，除非你要关闭连接跟踪。

 

除了本地产生的包由OUTPUT链处理外，所有连接跟踪都是在PREROUTING链里进行处理的，意思就是， iptables会在PREROUTING链里从新计算所有的状态。如果我们发送一个流的初始化包，状态就会在OUTPUT链 里被设置为NEW，当我们收到回应的包时，状态就会在PREROUTING链里被设置为ESTABLISHED。如果第一个包不是本地产生的，那就会在PREROUTING链里被设置为NEW状 态。综上，所有状态的改变和计算都是在nat表中的PREROUTING链和OUTPUT链里完成的。

 

4.2. conntrack记录

我们先来看看怎样阅读/proc/net/ip_conntrack里的conntrack记录。这些记 录表示的是当前被跟踪的连接。如果安装了ip_conntrack模块，cat /proc/net/ip_conntrack 的显示类似：

 

tcp      6 117 SYN_SENT src=192.168.1.6 dst=192.168.1.9 sport=32775 /

     dport=22 [UNREPLIED] src=192.168.1.9 dst=192.168.1.6 sport=22 /

     dport=32775 use=2

     

conntrack模块维护的所有信息都包含在这个例子中了，通过它们就可以知道某个特定的连接处于什么状 态。首先显示的是协议，这里是tcp，接着是十进制的6（译者注：tcp的协议类型代码是6）。之后的117是 这条conntrack记录的生存时间，它会有规律地被消耗，直到收到这个连接的更多的包。那时，这个值就会 被设为当时那个状态的缺省值。接下来的是这个连接在当前时间点的状态。上面的例子说明这个包处在状态 SYN_SENT，这个值是iptables显示的，以便我们好理解，而内部用的值稍有不同。SYN_SENT说明我们正在观 察的这个连接只在一个方向发送了一TCP SYN包。再下面是源地址、目的地址、源端口和目的端口。其 中有个特殊的词UNREPLIED，说明这个连接还没有收到任何回应。最后，是希望接收的应答包的信息，他们 的地址和端口和前面是相反的。

 

连接跟踪记录的信息依据IP所包含的协议不同而不同，所有相应的值都是在头文件linux/include/netfilter-ipv4/ip_conntrack*.h中定义的。IP、TCP、UDP、ICMP协 议的缺省值是在linux/include/netfilter-ipv4/ip_conntrack.h里定义的。具 体的值可以查看相应的协议，但我们这里用不到它们，因为它们大都只在conntrack内部使用。随着状态的 改变，生存时间也会改变。

 

 

 

Note

最近patch-o-matic里有一个新的补丁，可以把上面提到的超时时间也作为系统变量，这样我们就 能够在系统空闲时改变它们的值。以后，我们就不必为了改变这些值而重编译内核了。

 

这些可通过/proc/sys/net/ipv4/netfilter下的一些特殊的系统调用 来改变。仔细看看/proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_ct_*里的变量吧。

 

当一个连接在两个方向上都有传输时，conntrack记录就删除[UNREPLIED]标志，然后重置。在末尾有 [ASSURED]的记录说明两个方向已没有流量。这样的记录是确定的，在连接跟踪表满时，是不会被删除的， 没有[ASSURED]的记录就要被删除。连接跟踪表能容纳多少记录是被一个变量控制的，它可由内核中的ip- sysctl函数设置。默认值取决于你的内存大小，128MB可以包含8192条目录，256MB是16376条。你也可以在 /proc/sys/net/ipv4/ip_conntrack_max里查看、设置。

 

4.3. 数据包在用户空间的状态

就象前面说的，包的状态依据IP所包含的协议不同而不同，但在内核外部，也就是用户空间里，只有4种 状态：NEW，ESTABLISHED，RELATED 和INVALID。它们主要是和状态匹配一起使用。下面就简要地介绍以下这几种状态：

 

Table 4-1. 数据包在用户空间的状态

 

State（状态） Explanation（注释）

NEW NEW说明这个包是我们看到的第一个 包。意思就是，这是conntrack模块看到的某个连接第一个包，它即将被匹配了。比如，我们看到一个SYN 包，是我们所留意的连接的第一个包，就要匹配它。第一个包也可能不是SYN包，但它仍会被认为是NEW状态。这样做有时会导致一些问题，但对某些情况是有非常大的帮助的。例如，在 我们想恢复某条从其他的防火墙丢失的连接时，或者某个连接已经超时，但实际上并未关闭时。

ESTABLISHED ESTABLISHED已经注意到两个方向上 的数据传输，而且会继续匹配这个连接的包。处于ESTABLISHED状态的连接是非常容 易理解的。只要发送并接到应答，连接就是ESTABLISHED的了。一个连接要从NEW变 为ESTABLISHED，只需要接到应答包即可，不管这个包是发往防火墙的，还是要由防 火墙转发的。ICMP的错误和重定向等信息包也被看作是ESTABLISHED，只要它们是我 们所发出的信息的应答。

RELATED RELATED是个比较麻烦的状态。当一 个连接和某个已处于ESTABLISHED状态的连接有关系时，就被认为是RELATED的了。换句话说，一个连接要想 是RELATED的，首先要有一个ESTABLISHED的连接。这个ESTABLISHED连接再产生一个主连接之外的连接，这 个新的连接就是RELATED的了，当然前提是conntrack模块要能理解RELATED。ftp是个很好的例子，FTP-data 连接就是和FTP-control有RELATED的。还有其他的例子，比如，通过IRC的DCC连接。有了这个状态，ICMP应 答、FTP传输、DCC等才能穿过防火墙正常工作。注意，大部分还有一些UDP协议都依赖这个机制。这些协议 是很复杂的，它们把连接信息放在数据包里，并且要求这些信息能被正确理解。

INVALID INVALID说明数据包不能被识别属于 哪个连接或没有任何状态。有几个原因可以产生这种情况，比如，内存溢出，收到不知属于哪个连接的ICMP 错误信息。一般地，我们DROP这个状态的任何东西。

这些状态可以一起使用，以便匹配数据包。这可以使我们的防火墙非常强壮和有效。以前，我们经常打 开1024以上的所有端口来放行应答的数据。现在，有了状态机制，就不需再这样了。因为我们可以只开放那 些有应答数据的端口，其他的都可以关闭。这样就安全多了。

 

4.4. TCP 连接

本节和下面的几节，我们来详细讨论这些状态，以及在TCP、UDP和ICMP这三种基本的协议里怎样操作它 们。当然，也会讨论其他协议的情况。我们还是从TCP入手，因为它本身就是一个带状态的协议，并且具有 很多关于iptables状态机制的详细信息。

 

一个TCP连接是经过三次握手协商连接信息才建立起来的。整个会话由一个SYN包开始，然后是一个 SYN/ACK包，最后是一个ACK包，此时，会话才建立成功，能够发送数据。最大的问题在于连接跟踪怎样控制 这个过程。其实非常简单。

 

默认情况下，连接跟踪基本上对所有的连接类型做同样的操作。看看下面的图片，我们就能明白在连接 的不同阶段，流是处于什么状态的。就如你看到的，连接跟踪的代码不是从用户的观点来看待TCP连接建立 的流程的。连接跟踪一看到SYN包，就认为这个连接是NEW状态，一看到返回的SYN/ACK包，就认为连接是 ESTABLISHED状态。如果你仔细想想第二步，应该能理解为什么。有了这个特殊处理，NEW和ESTABLISHED包 就可以发送出本地网络，且只有ESTABLISHED的连接才能有回应信息。如果把整个建立连接的过程中传输的 数据包都看作NEW，那么三次握手所用的包都是NEW状态的，这样我们就不能阻塞从外部到本地网络的连接 了。因为即使连接是从外向内的，但它使用的包也是NEW状态的，而且为了其他连接能正常传输，我们不得 不允许NEW状态的包返回并进入防火墙。更复杂的是，针对TCP连接内核使用了很多内部状态，它们的定义在 RFC 793 - Transmission Control Protocol的21-23页。但好在我们在用 户空间用不到。后面我们会详细地介绍这些内容。

 

 

 

 

 

 

 

正如你看到的，以用户的观点来看，这是很简单的。但是，从内核的角度看这一块还有点困难的。我们 来看一个例子。认真考虑一下在/proc/net/ip_conntrack里，连接的状态是如何 改变的。

 

tcp      6 117 SYN_SENT src=192.168.1.5 dst=192.168.1.35 sport=1031 /

     dport=23 [UNREPLIED] src=192.168.1.35 dst=192.168.1.5 sport=23 /

     dport=1031 use=1

   

从上面的记录可以看出，SYN_SENT状态被设置了，这说明连接已经发出一个SYN包，但应答还没发送过 来，这可从[UNREPLIED]标志看出。

 

tcp      6 57 SYN_RECV src=192.168.1.5 dst=192.168.1.35 sport=1031 /

     dport=23 src=192.168.1.35 dst=192.168.1.5 sport=23 dport=1031 /

     use=1

   

现在我们已经收到了相应的SYN/ACK包，状态也变为SYN_RECV，这说明最初发出的SYN包已正确传输，并 且SYN/ACK包也到达了防火墙。 这就意味着在连接的两方都有数据传输，因此可以认为两个方向都有相应的 回应。当然，这是假设的。

 

tcp      6 431999 ESTABLISHED src=192.168.1.5 dst=192.168.1.35 /

     sport=1031 dport=23 src=192.168.1.35 dst=192.168.1.5 /

     sport=23 dport=1031 use=1

   

现在我们发出了三步握手的最后一个包，即ACK包，连接也就进入ESTABLISHED状态了。再传输几个数据 包，连接就是[ASSURED]的了。

 

下面介绍TCP连接在关闭过程中的状态。

 

 

 

 

 

 

 

如上图，在发出最后一个ACK包之前，连接（指两个方向）是不会关闭的。注意，这只是针对一般的情 况。连接也可以通过发送关闭，这用在拒绝一个连接的时候。在RST包发送之后，要经过预先设定的一段时 间，连接才能断掉。

 

连接关闭后，进入TIME_WAIT状态，缺省时间是2分钟。之所以留这个时间，是为了让数据包能完全通过 各种规则的检查，也是为了数据包能通过拥挤的路由器，从而到达目的地。

 

如果连接是被RST包重置的，就直接变为CLOSE了。这意味着在关闭之前只有10秒的默认时间。RST包是不 需要确认的，它会直接关闭连接。针对TCP连接，还有其他一些状态我们没有谈到。下面给出一个完整的状 态列表和超时值。

 

Table 4-2. 内部状态

 

State Timeout value

NONE 30 minutes

ESTABLISHED 5 days

SYN_SENT 2 minutes

SYN_RECV 60 seconds

FIN_WAIT 2 minutes

TIME_WAIT 2 minutes

CLOSE 10 seconds

CLOSE_WAIT 12 hours

LAST_ACK 30 seconds

LISTEN> 2 minutes

这些值不是绝对的，可以随着内核的修订而变化，也可以通过/proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_ct_tcp_*的变量更改。这些默认值都是经过实践 检验的。它们的单位是jiffies（百分之一秒），所以3000就代表30秒。

 

 

 

Note

注意状态机制在用户空间里的部分不会查看TCP包的标志位（也就是说TCP标志对它而言是透明 的）。如果我们想让NEW状态的包通过防火墙，就要指定NEW状态，我们理解的NEW状态的意思就是指SYN包， 可是iptables又不查看这些标志位。这就是问题所在。有些没有设置SYN或ACK的包，也会被看作NEW状态 的。这样的包可能会被冗余防火墙用到，但对只有一个防火墙的网络是很不利的（可能会被攻击哦）。那我 们怎样才能不受这样的包的影响呢？你可以使用未设置SYN的NEW状态包 里的命令。还有一个办法，就是安装patch-o-matic里的tcp-window-tracking扩展功能，它可以使防火墙能 根据TCP的一些标志位来进行状态跟踪。

 

4.5. UDP连接

UDP连接是无状态的，因为它没有任何的连接建立和关闭过程，而且大部分是无序列号的。以某个顺序收 到的两个数据包是无法确定它们的发出顺序的。但内核仍然可以对UDP连接设置状态。我们来看看是如何跟 踪UDP连接的，以及conntrack的相关记录。

 

 

 

 

 

 

 

从上图可以看出，以用户的角度考虑，UDP连接的建立几乎与TCP的一样。虽然conntrack信息看起来有点 儿不同，但本质上是一样的。下面我们先来看看第一个UDP包发出后的conntrack记录。

 

udp      17 20 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.5 sport=137 dport=1025 /

     [UNREPLIED] src=192.168.1.5 dst=192.168.1.2 sport=1025 /

     dport=137 use=1

   

从前两个值可知，这是一个UDP包。第一个是协议名称，第二个是协议号，第三个是此状态的生存时间， 默认是30秒。接下来是包的源、目地址和端口，还有期待之中回应包的源、目地址和端口。[UNREPLIED]标 记说明还未收到回应。

 

udp      17 170 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.5 sport=137 /

     dport=1025 src=192.168.1.5 dst=192.168.1.2 sport=1025 /

     dport=137 use=1

   

一旦收到第一个包的回应，[UNREPLIED]标记就会被删除，连接就被认为是ESTABLISHED的，但在记录里 并不显示ESTABLISHED标记。相应地，状态的超时时间也变为180秒了。在本例中，只剩170秒了，10秒后， 就会减少为160秒。有个东西是不可少的，虽然它可能会有些变化，就是前面提过的[ASSURED]。要想变为 [ASSURED]状态，连接上必须要再有些流量。

 

udp      17 175 src=192.168.1.5 dst=195.22.79.2 sport=1025 /

     dport=53 src=195.22.79.2 dst=192.168.1.5 sport=53 /

     dport=1025 [ASSURED] use=1

   

可以看出来，[ASSURED]状态的记录和前面的没有多大差别，除了标记由[UNREPLIED]变成[ASSURED]。如 果这个连接持续不了180秒，那就要被中断。180秒是短了点儿，但对大部分应用足够了。只要遇到这个连接 的包穿过防火墙，超时值就会被重置为默认值，所有的状态都是这样的。

 

4.6. ICMP 连接

ICMP也是一种无状态协议，它只是用来控制而不是建立连接。ICMP包有很多类型，但只有四种类型有应 答包，它们是回显请求和应答（Echo request and reply），时间戳请求和应答（Timestamp request and reply），信息请求和应答（Information request and reply），还有地址掩码请求和应答（Address mask request and reply），这些包有两种状态，NEW和ESTABLISHED 。时间戳请求和信息请求已经废除不用了，回显请求还是常用的，比如ping命令就用的到，地址掩码请 求不太常用，但是可能有时很有用并且值得使用。看看下面的图，就可以大致了解ICMP连接的NEW和ESTABLISHED状态了。

 

 

 

 

 

 

 

如图所示，主机向目标发送一个回显请求，防火墙就认为这个包处于NEW状态。 目标回应一个回显应答，防火墙就认为包处于ESTABLISHED了。当回显请求被发送 时，ip_conntrack里就有这样的记录了：

 

icmp     1 25 src=192.168.1.6 dst=192.168.1.10 type=8 code=0 /

     id=33029 [UNREPLIED] src=192.168.1.10 dst=192.168.1.6 /

     type=0 code=0 id=33029 use=1

   

可以看到，ICMP的记录和TCP、UDP的有点区别，协议名称、超时时间和源、目地址都一样，不同之处在 于没有了端口，而新增了三个新的字段：type，code和id。字段type说明ICMP的类型。code说明ICMP的代 码，这些代码在附录ICMP类型里有说明。id是ICMP包的ID。每个ICMP包被发送时都被分配一个ID，接受方把同样的ID 分配给应答包，这样发送方能认出是哪个请求的应答。

 

[UNREPLIED]的含义和前面一样，说明数的传输只发生在一个方向上，也就是说未收到应答。再往后，是 应答包的源、目地址，还有相应的三个新字段，要注意的是type和code是随着应答包的不同而变化的，id和 请求包的一样。

 

和前面一样，应答包被认为是ESTABLISHED的。然而，在应答包之后，这个ICMP 连接就不再有数据传输了。所以，一旦应答包穿过防火墙，ICMP的连接跟踪记录就被销毁了。

 

以上各种情况，请求被认为NEW，应答是ESTABLISHED。 换句话说，就是当防火墙看到一个请求包时，就认为连接处于NEW状态，当有应答 时，就是ESTABLISHED状态。

 

 

 

Note

注意，应答包必须符合一定的标准，连接才能被认作established的，每个传输类型都是这样。

 

ICMP的缺省超时是30秒，可以在/proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_ct_icmp_timeout中修改。这个值是比较合适 的，适合于大多数情况。

 

ICMP的另一个非常重要的作用是，告诉UDP、TCP连接或正在努力建立的连接发生了什么，这时ICMP应答 被认为是RELATED的。主机不可达和网络不可达就是这样的例子。当试图连接某台机 子不成功时（可能那台机子被关上了），数据包所到达的最后一台路由器就会返回以上的ICMP信息，它们就 是RELATED的，如下图：

 

 

 

 

 

 

 

我们发送了一个SYN包到某一地址，防火墙认为它的状态是NEW。但是，目标网络 有问题不可达，路由器就会返回网络不可达的信息，这是RELATED的。连接跟踪会认 出这个错误信息是哪个连接的，连接会中断，同时相应的记录删除会被删除。

 

当UDP连接遇到问题时，同样会有相应的ICMP信息返回，当然它们的状态也是RELATED ，如下图：

 

 

 

 

 

 

 

我们发送一个UDP包，当然它是NEW的。但是，目标网络被一些防火墙或路由器所 禁止。我们的防火墙就会收到网络被禁止的信息。防火墙知道它是和哪个已打开的UDP连接相关的，并且把 这个信息（状态是RELATED）发给它，同时，把相应的记录删除。客户机收到网络被 禁止的信息，连接将被中断。

 

4.7. 缺省的连接操作

有时，conntrack机制并不知道如何处理某个特殊的协议，尤其是在它不了解这个协议或不知道协议如何 工作时，比如，NETBLT，MUX还有EGP。这种情况下，conntrack使用缺省的操作。这种操作很象对UDP连接的 操作，就是第一个包被认作NEW，其后的应答包等等数据都是 ESTABLISHED。

 

使用缺省操作的包的超时值都是一样的，600秒，也就是10分钟。当然，这个值可以通过/proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_ct_generic_timeout更改，以便适应你的通信 量，尤其是在耗时较多、流量巨大的情况下，比如使用卫星等。

 

4.8. 复杂协议和连接跟踪

有些协议比其他协议更复杂，这里复杂的意思是指连接跟踪机制很难正确地跟踪它们，比如，ICQ、IRC 和FTP，它们都在数据包的数据域里携带某些信息，这些信息用于建立其他的连接。因此，需要一些特殊的 helper来完成工作。

 

下面以FTP作为例子。FTP协议先建立一个单独的连接——FTP控制会话。我们通过这个连接发布命令，其 他的端口就会打开以便传输和这个命令相关的数据。这些连接的建立方法有两种：主动模式和被动模式。先 看看主动模式，FTP客户端发送端口和IP地址信 息给服务器端，然后，客户端打开这个端口，服务器端从它自己的20端口（FTP-Data端口号）建立与这个端 口的连接，接着就可以使用这个连接发送数据了。

 

问题在于防火墙不知道这些额外的连接（相对于控制会话而言），因为这些连接在建立时的磋商信息都 在协议数据包的数据域内，而不是在可分析的协议头里。因此，防火墙就不知道是不是该放这些从服务器到 客户机的连接过关。

 

解决的办法是为连接跟踪模块增加一个特殊的helper，以便能检测到那些信息。这样，那些从FTP服务器 到客户机的连接就可以被跟踪了，状态是RELATED，过程如下图所示：

 

 

 

 

 

 

 

被动FTP工作方式下，data连接的建立过程和主动FTP的相反。客户机告诉服务器需要某些数据，服务器 就把地址和端口发回给客户机，客户机据此建立连接接受数据。如果FTP服务器在防火墙后面，或你对用户 限制的比较严格，只允许他们访问HTTP和FTP，而封闭了其他所有端口，为了让在Internet是的客户机能访 问到FTP，也需要增加上面提到的helper。下面是被动模式下data连接的建立过程：

 

 

 

 

 

 

 

有些conntrack helper已经包含在内核中，在写这篇文章时，FTP和IRC已有了相应的conntrack helper。如果在内核里没有你想要的helper，可以到iptables用户空间的patch-o-matic目录中看看，那里 有很多的helper，比如针对ntalk或H.323协议的等等。如果没找到，还有几个选择：可以查查iptables的 CVS，或者联系Netfilter-devel问问有没有你要的。还不行的话，只有你 自己写了，我可以给你介绍一篇好文章，Rusty Russell's Unreliable Netfilter Hacking HOW-TO，连接放在附录里其他资源和 链接。

 

Conntrack helper即可以被静态地编译进内核，也可以作为模块，但要用下面的命令装载：

 

modprobe ip_conntrack_*

   

注意连接跟踪并不处理NAT，因此要对连接做NAT就需要增加相应的模块。比如，你想NAT并跟踪FTP连 接，除了FTP的相应模块，还要有NAT的模块。所有的NAT helper名字都是以ip_nat_开头的，这是一个命名 习惯：FTP NAT helper叫做ip_nat_ftp，IRC的相应模块就是ip_nat_irc。conntrack helper 的命名也遵循 一样的习惯：针对IRC的conntrack helper叫ip_conntrack_irc，FTP的叫作ip_conntrack_ftp。

(责任编辑：IT)