iptables在Docker和kubernetes网络中应用甚广。例如Docker容器和宿主机端口映射、Kubernetes Service默认模式、CNI中的portmap插件、Kubernetes网络策略都是通过iptables来实现的。iptables是与linux内核集成的包过滤防火墙系统，几乎所有的linux发行版本都会包含iptables功能。如果linux系统连接到因特网或LAN、服务器或连接LAN和Internet的代理服务器，则iptables有利于在linux系统上更好的控制IP信息包过滤和防火墙配置。

netfilter/iptables过滤防火墙系统是一种功能强大的工具，可用于添加、编辑和删除规则，这些规则信息是在做信息包过滤决定时，防火墙所遵循和组成的规则。这些规则存储在专用的信息包过滤表中，而这些表集成在linux内核。在信息包过滤表中，规则被分组放在链（chain）中。虽然netfilter/iptables被称为单个实体，但实际上由两个组件netfilter和iptable组成。

• netfilter 组件也被称为内核组件，是内核的一部分，由一些信息包过滤表组成，这些表包含内核用来控制信息包过滤处理的规则集。

• iptables 组件是一种用户空间工具，它使插入、修改和除去信息包过滤表中的规则变得容易。



什么是netfilter/iptables



netfilter 是指整个项目，官网地址是 www.netfilter.org。在这个项目里面，netfilter指特定内核中的netfilter框架。而iptables指用户空间中的配置工具。

netfilter在协议栈中添加了5个钩子，允许内核模块在这些钩子上注册回调函数，这样经过钩子的所有数据都会被注册在相应钩子上的函数处理，包括修改数据包内容，给数据包打标记或者丢弃数据包等。netfilter框架负责维护处理钩子上的函数或者模块，以及他们之间的优先级。netfilter框架负责在需要的时候动态加载其它的内核模块比如ip_conntrack 、 nf_conntrack、 NAT subsystem等。



在应用者角度，可能iptables代表了整个项目，代表了防火墙，但在开发者眼里，可能netfilter更能代表这个项目。



原理

netfilter Hooks

在内核协议栈中由5个与netfilter有关的Hooks，数据包经过每个hooks时，都会检查上面是否有注册函数，它们的位置见下图。



         |
         | Incoming
         ↓
+-------------------+
| NF_IP_PRE_ROUTING |
+-------------------+
         |
         |
         ↓
+------------------+
|                  |         +----------------+
| routing decision |-------->| NF_IP_LOCAL_IN |
|                  |         +----------------+
+------------------+                 |
         |                           |
         |                           ↓
         |                  +-----------------+
         |                  | local processes |
         |                  +-----------------+
         |                           |
         |                           |
         ↓                           ↓
 +---------------+          +-----------------+
 | NF_IP_FORWARD |          | NF_IP_LOCAL_OUT |
 +---------------+          +-----------------+
         |                           |
         |                           |
         ↓                           |
+------------------+                 |
|                  |                 |
| routing decision |<----------------+
|                  |
+------------------+
         |
         |
         ↓
+--------------------+
| NF_IP_POST_ROUTING |
+--------------------+
         |
         | Outgoing
         ↓

• NF_IP_PRE_ROUTING 系统接收的数据包刚进来，即未经过路由，不知道需要将数据包发送到本机还是其它机器。

• NF_IP_LOCAL_IN 已经经过路由选择，并且该数据包的目的IP是本机，进入本地数据包处理流程。

• NF_IP_FORWARD 已经经过路由选择，但该数据包的目的IP不是本机，进而是其它机器，进入forward流程。

• NF_IP_LOCAL_OUT 本地程序要发出的数据包刚到IP层，还未进行路由选择。

• NF_IP_POST_ROUTING 本地程序发出/转发的数据包已经过了路由选择，即将交由下层发送。



关于这些Hooks更具体的位置，请参考Linux网络数据包的接收过程和数据包的发送过程。



从上面的流程中，我们还可以看出，不考虑特殊情况的话，一个数据包只会经过下面三个路径中的一个：

• 本机收到目的IP是本机的数据包:NF_IP_PRE_ROUTING -> NF_IP_LOCAL_IN

• 本机收到目的IP不是本机的数据包: NF_IP_PRE_ROUTING -> NF_IP_FORWARD -> NF_IP_POST_ROUTING

• 本机发出去的数据包: NF_IP_LOCAL_OUT -> NF_IP_POST_ROUTING

注意： netfilter所有的钩子（hooks）都是在内核协议栈的IP层，由于IPv4和IPv6用的是不同的IP层代码，所以iptables配置的rules只会影响IPv4的数据包，而IPv6相关的配置需要使用ip6tables。



iptables 中的表

iptables用表（table）来分类管理它的规则（rule），根据rule的作用分成了好几个表，比如用来过滤数据包的rule就会放到filter表中，用于处理地址转换的rule就会放到nat表中，其中rule就是应用在netfilter钩子上的函数，用来修改数据包的内容或过滤数据包。

规则、表和链

rules

规则（rules）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，如放行（accept）、拒绝（reject）和丢弃（drop）等。配置防火墙的主要工作就是添加、修改和删除这些规则。



rule存放在特定表的特定chain上，每条rule包含下面两部分信息：

Matching

Matching就是如何匹配一个数据包，匹配条件很多，比如协议类型、源/目的IP、源/目的端口、in/out接口、包头里面的数据以及连接状态等，这些条件可以任意组合从而实现复杂情况下的匹配。详情请参考Iptables matches

Targets

Targets就是找到匹配的数据包之后怎么办，常见的有下面几种：



• DROP：直接将数据包丢弃，不再进行后续的处理

• RETURN： 跳出当前chain，该chain里后续的rule不再执行

• QUEUE： 将数据包放入用户空间的队列，供用户空间的程序处理

• ACCEPT： 同意数据包通过，继续执行后续的rule

• 跳转到其它用户自定义的chain继续执行



当然iptables包含的targets很多很多，但并不是每个表都支持所有的targets，rule所支持的target由它所在的表和chain以及所开启的扩展功能来决定，具体每个表支持的targets请参考Iptables targets and jumps。



chains

链（chains）是数据包传播的路径，每一条链其实就是众多规则中的一个检查清单，每一条链中可以有一条或数条规则。当一个数据包到达一个链时，iptables就会从链中第一条规则开始检查，看该数据包是否满足规则所定义的条件。如果满足，系统就会根据该条规则所定义的方法处理该数据包；否则iptables将继续检查下一条规则，如果该数据包不符合链中任一条规则，iptables就会根据该链预先定义的默认策略来处理数据包。

iptables 里有5个内置的chains，分别对应5个Hooks



• PREROUTING: 数据包经过NFIPPRE_ROUTING时会触发该chain上的rule.

• INPUT: 数据包经过NFIPLOCAL_IN时会触发该chain上的rule.

• FORWARD: 数据包经过NFIPFORWARD时会触发该chain上的rule.

• OUTPUT: 数据包经过NFIPLOCAL_OUT时会触发该chain上的rule.

• POSTROUTING: 数据包经过NFIPPOST_ROUTING时会触发该chain上的rule.



每个表里面都可以包含多个chains，但并不是每个表都能包含所有的chains，因为某些表在某些chain上没有意义或者有些多余，比如说raw表，它只有在connection tracking之前才有意义，所以它里面包含connection tracking之后的chain就没有意义。（connection tracking的位置会在后面介绍到）

多个表里面可以包含同样的chain，比如在filter和raw表里面，都有OUTPUT chain，那应该先执行哪个表的OUTPUT chain呢？这就涉及到后面会介绍的优先级的问题。

提示：可以通过命令iptables -L -t nat|grep policy|grep Chain查看到nat表所支持的chain，其它的表也可以用类似的方式查看到，比如修改nat为raw即可看到raw表所支持的chain。



image



用户自定义Chains

除了iptables预定义的5个chain之外，用户还可以在表中定义自己的chain，用户自定义的chain中的rule和预定义chain里的rule没有区别，不过由于自定义的chain没有和netfilter里面的钩子进行绑定，所以它不会自动触发，只能从其它chain的rule中跳转过来。



tables

表（tables）提供特定的功能，iptables主要内置了4个表，即raw表、filter表、nat表和mangle表，分别用于实现包过滤，网络地址转换和包重构的功能。



image



RAW表

只使用在PREROUTING链和OUTPUT链上,因为优先级最高，从而可以对收到的数据包在连接跟踪前进行处理。一但用户使用了RAW表,在 某个链上,RAW表处理完后,将跳过NAT表和 ip_conntrack处理,即不再做地址转换和数据包的链接跟踪处理了.

filter表

主要用于过滤数据包，该表根据系统管理员预定义的一组规则过滤符合条件的数据包。对于防火墙而言，主要利用在filter表中指定的规则来实现对数据包的过滤。Filter表是默认的表，如果没有指定哪个表，iptables 就默认使用filter表来执行所有命令，filter表包含了INPUT链（处理进入的数据包），RORWARD链（处理转发的数据包），OUTPUT链（处理本地生成的数据包）在filter表中只能允许对数据包进行接受，丢弃的操作，而无法对数据包进行更改

nat表

主要用于网络地址转换NAT，该表可以实现一对一，一对多，多对多等NAT 工作，iptables就是使用该表实现共享上网的，NAT表包含了PREROUTING链（修改即将到来的数据包），POSTROUTING链（修改即将出去的数据包），OUTPUT链（修改路由之前本地生成的数据包）

mangle表

主要用于对指定数据包进行更改，在内核版本2.4.18 后的linux版本中该表包含的链为：INPUT链（处理进入的数据包），RORWARD链（处理转发的数据包），OUTPUT链（处理本地生成的数据包）POSTROUTING链（修改即将出去的数据包），PREROUTING链（修改即将到来的数据包）



表的优先级

下图在上图的基础上标识了各个表的rule可以注册到哪个Hooks上（即表支持哪些chain），以及他们的优先级。

1. 图中每个钩子关联的表按照优先级高低，从上到下排列；

2. 图中将nat分成了SNAT和DNAT，便于区分；

3. 图中标出了connection tracking（可以简单的把connection tracking理解成一个不能配置chain和rule的表，它必须放在指定位置，只能enable和disable）。



                                    |
                                    | Incoming             ++---------------------++
                                    ↓                      || raw                 ||
                           +-------------------+           || connection tracking ||
                           | NF_IP_PRE_ROUTING |= = = = = =|| mangle              ||
                           +-------------------+           || nat (DNAT)          ||
                                    |                      ++---------------------++
                                    |
                                    ↓                                                ++------------++
                           +------------------+                                      || mangle     ||
                           |                  |         +----------------+           || filter     ||
                           | routing decision |-------->| NF_IP_LOCAL_IN |= = = = = =|| security   ||
                           |                  |         +----------------+           || nat (SNAT) ||
                           +------------------+                 |                    ++------------++
                                    |                           |
                                    |                           ↓
                                    |                  +-----------------+
                                    |                  | local processes |
                                    |                  +-----------------+
                                    |                           |
                                    |                           |                    ++---------------------++
 ++------------++                   ↓                           ↓                    || raw                 ||
 || mangle     ||           +---------------+          +-----------------+           || connection tracking ||
 || filter     ||= = = = = =| NF_IP_FORWARD |          | NF_IP_LOCAL_OUT |= = = = = =|| mangle              ||
 || security   ||           +---------------+          +-----------------+           || nat (DNAT)          ||
 ++------------++                   |                           |                    || filter              ||
                                    |                           |                    || security            ||
                                    ↓                           |                    ++---------------------++
                           +------------------+                 |
                           |                  |                 |
                           | routing decision |<----------------+
                           |                  |
                           +------------------+
                                    |
                                    |
                                    ↓
                           +--------------------+           ++------------++
                           | NF_IP_POST_ROUTING |= = = = = =|| mangle     ||
                           +--------------------+           || nat (SNAT) ||
                                    |                       ++------------++
                                    | Outgoing
                                    ↓



• 以NFIPPRE_ROUTING为例，数据包到了这个点之后，会先执行raw表中PREROUTING(chain)里的rule，然后执行connection tracking，接着再执行mangle表中PREROUTING(chain)里的rule，最后执行nat (DNAT)表中PREROUTING(chain)里的rule。

• 以filter表为例，它只能注册在NFIPLOCALIN、NFIP_FORWARD和NF_IPLOCALOUT上，所以它只支持INPUT、FORWARD和OUTPUT这三个chain。

• 以收到目的IP是本机的数据包为例，它的传输路径为：NFIPPRE_ROUTING -> NF_IPLOCALIN，那么它首先要依次经过NFIPPRE_ROUTING上注册的raw、connection tracking 、mangle和nat (DNAT)，然后经过NF_IPLOCALIN上注册的mangle、filter、security和nat (SNAT)。



总体来说，规则表之间的之间的优先顺序是：Raw——mangle——nat——filter

Connection Tracking

连接追踪(Connection Tracking) 发生在NF_IP_PRE_ROUTING和NF_IP_LOCAL_OUT这两个地方，一旦开启该功能，Connection Tracking模块将会追踪每个数据包（被raw表中的rule标记过的除外），维护所有的连接状态，然后这些状态可以供其它表中的rule引用，用户空间的程序也可以通过/proc/net/ip_conntrack来获取连接信息。下面是所有的连接状态：

这里的连接不仅仅是TCP的连接，两台设备的进程用UDP和ICMP（ping）通信也会被认为是一个连接



• NEW: 当检测到一个不和任何现有连接关联的新包时，如果该包是一个合法的建立连接的数据包（比如TCP的sync包或者任意的UDP包），一个新的连接将会被保存，并且标记为状态NEW。

• ESTABLISHED: 对于状态是NEW的连接，当检测到一个相反方向的包时，连接的状态将会由NEW变成ESTABLISHED，表示连接成功建立。对于TCP连接，意味着收到了一个SYN/ACK包， 对于UDP和ICMP，任何反方向的包都可以。

• RELATED: 数据包不属于任何现有的连接，但它跟现有的状态为ESTABLISHED的连接有关系，对于这种数据包，将会创建一个新的连接，且状态被标记为RELATED。这种连接一般是辅助连接，比如FTP的数据传输连接（FTP有两个连接，另一个是控制连接），或者和某些连接有关的ICMP报文。

• INVALID: 数据包不和任何现有连接关联，并且不是一个合法的建立连接的数据包，对于这种连接，将会被标记为INVALID，一般这种都是垃圾数据包，比如收到一个TCP的RST包，但实际上没有任何相关的TCP连接，或者别的地方误发过来的ICMP包。

• UNTRACKED: 被raw表里面的rule标记为不需要tracking的数据包，这种连接将会标记成UNTRACKED。



总结

下面一张图总结了iptables的工作原理