内核版本：2.6.34
前面章节介绍过Netfilter的框架，地址见： http://blog.csdn.net/qy532846454/article/details/6605592，本章节介绍的连接跟踪就是在Netfilter的框架上实现的，连 接跟踪是实现DNAT，SNAT还有有状态的防火墙的基础，
Linux内核分析 网络[十七]：NetFilter之连接跟踪
。它的本质就是记录一条连接，具体来说只要满足一来一回两个过程的都可 以算作连接，因此TCP是，UDP是，部分IGMP/ICMP也是，记录连接的作用需要结合它的相关应用(NAT等)来理解，不是本文的重点 ，本文主要分析连接跟踪是如何实现的。回想Netfilter框架中的hook点(下文称为勾子)，这些勾子相当于报文进出协议栈的 关口，报文会在这里被拦截，然后执行勾子结点的函数，连接跟踪利用了其中几个勾子，分别对应于报文在接收、发送和转发中 ，如下图所示：
连接跟踪正是在上述勾子上注册了相应函数(在nf_conntrack_l3proto_ipv4_init中被注册)，勾子为ipv4_conntrack_ops， 具体如下：
static struct nf_hook_ops ipv4_conntrack_ops[] __read_mostly = {
{
.hook = ipv4_conntrack_in,
.owner = THIS_MODULE,
.pf = NFPROTO_IPV4,
.hooknum = NF_INET_PRE_ROUTING,
.priority = NF_IP_PRI_CONNTRACK,
},
{
.hook = ipv4_conntrack_local,
.owner = THIS_MODULE,
.pf = NFPROTO_IPV4,
.hooknum = NF_INET_LOCAL_OUT,
.priority = NF_IP_PRI_CONNTRACK,
},
{
.hook = ipv4_confirm,
.owner = THIS_MODULE,
.pf = NFPROTO_IPV4,
.hooknum = NF_INET_POST_ROUTING,
.priority = NF_IP_PRI_CONNTRACK_CONFIRM,
},
{
.hook = ipv4_confirm,
.owner = THIS_MODULE,
.pf = NFPROTO_IPV4,
.hooknum = NF_INET_LOCAL_IN,
.priority = NF_IP_PRI_CONNTRACK_CONFIRM,
},
};
从下面的表格中可以看得更清楚：
开头说过，连接跟踪的目的是记录一条连接的信息，对应的数据结构就是tuple，它分为正向(tuple)和反向(repl_tuple)， 无论TCP还是UDP都是连接跟踪的目标，当A向B发送一个报文，A收到B的报文时，我们称一个连接建立，在连接跟踪中为 ESTABLISHED状态。特别要注意的是一条连接的信息对双方是相同的，无论谁是发起方，两边的连接信息都保持一致，以方向为 例，A发送报文给B，对A来说，它先发送报文，因此A->B是正向，B->A是反向；对B来说，它先收到报文，但同样A->B 是正向，B->A是反向。
弄清楚这一点后，每条连接都会有下面的信息相对应
tuple [sip sport tip tport proto]
UDP的过程
UDP的连接跟踪的建立实际是TCP的简化版本，没有了三次握手过程，只要收到+发送完成，连 接跟踪也随之完成。
TCP的过程
TCP涉及到三次握手才能建立连接，因此相对于UDP要更为复杂，下面以一个TCP建立连 接跟踪的例子来详细分析其过程。
场景：主机A与主机B，主机A向主机B发起TCP连接
站在B的角度，分析连接跟踪在 TCP三次握手中的过程。
1. 收到SYN报文 [pre_routing -> local_in]
勾子点PRE_ROUTEING [ipv4_conntrack_in]
ipv4_conntrack_in() -> nf_conntrack_in()
nf_ct_l3protos和nf_ct_protos分别存储注册其中的3层和4层协议的连 接跟踪操作，对ipv4而言，它们在__init_nf_conntrack_l3proto_ipv4_init()中被注册(包括tcp/udp/icmp/ipv4)，其中ipv4是 在nf_ct_l3protos中的，其余是在nf_ct_protos中的。下面函数__nf_ct_l3proto_find()根据协议簇(AF_INET)找到ipv4(即 nf_conntrack_l3proto_ipv4)并赋给l3proto；下面函数__nf_ct_l4proto_find()根据协议号(TCP)找到tcp(即 nf_conntrack_l4proto_tcp4)并赋给l4proto。
l3proto = __nf_ct_l3proto_find(pf); ret = l3proto->get_l4proto(skb, skb_network_offset(skb), &dataoff, &protonum); ...... l4proto = __nf_ct_l4proto_find(pf, protonum);
然后调用resolve_normal_ct()返回对应的连接跟踪ct(由于是第一 次，它会创建ct)，下面会详细分析这个函数。l4proto->packet()等价于tcp_packet()，作用是得到新的TCP状态，这里只要 知道ct->proto.tcp.state被设置为TCP_CONNTRACK_SYN_SENT，下面也会具体分析这个函数。
ct = resolve_normal_ct(net, tmpl, skb, dataoff, pf, protonum, l3proto, l4proto, &set_reply, &ctinfo); ...... ret = l4proto->packet(ct, skb, dataoff, ctinfo, pf, hooknum); ...... if (set_reply && !test_and_set_bit(IPS_SEEN_REPLY_BIT, &ct->status)) nf_conntrack_event_cache(IPCT_REPLY, ct);
resolve_normal_ct()
先调用nf_ct_get_tuple()从当前报文skb中 得到相应的tuple，然后调用nf_conntrack_find_get()来判断连接跟踪是否已存在，已记录连接的tuple都会存储在net- >ct.hash中。如果已存在，则直接返回；如果不存在，则调用init_conntrack()创建新的，最后设置相关的连接信息。
就 本例中收到SYN报文而言，是第一次收到报文，显然在hash表中是没有的，进而调用init_conntrack()创建新的连接跟踪，下面 会具体分析该函数；最后根据报文的方向及所处的状态，设置ctinfo和set_reply，此时方向是IP_CT_DIR_ORIGIN，ct- >status未置值，因此最终*ctinfo=IP_CT_NEW; *set_reply=0。ctinfo是很重要的，它表示连接跟踪所处的状态，如同TCP建 立连接，连接跟踪建立也要经历一系列的状态变更，skb->nfctinfo=*ctinfo记录了此时的状态(注意与TCP的状态相区别 ，两者没有必然联系)。
if (!nf_ct_get_tuple(skb, skb_network_offset(skb),
dataoff, l3num, protonum, &tuple, l3proto,
l4proto)) {
pr_debug("resolve_normal_ct: Can't get tuple\n");
return NULL;
}
h = nf_conntrack_find_get(net, zone, &tuple);
if (!h) {
h = init_conntrack(net, tmpl, &tuple, l3proto, l4proto, skb, dataoff);
……
}
ct = nf_ct_tuplehash_to_ctrack(h);
if (NF_CT_DIRECTION(h) == IP_CT_DIR_REPLY) {
*ctinfo = IP_CT_ESTABLISHED + IP_CT_IS_REPLY;
*set_reply = 1;
} else {
if (test_bit(IPS_SEEN_REPLY_BIT, &ct->status)) {
pr_debug("nf_conntrack_in: normal packet for %p\n", ct);
*ctinfo = IP_CT_ESTABLISHED;
} else if (test_bit(IPS_EXPECTED_BIT, &ct->status)) {
pr_debug("nf_conntrack_in: related packet for %p\n", ct);
*ctinfo = IP_CT_RELATED;
} else {
pr_debug("nf_conntrack_in: new packet for %p\n", ct);
*ctinfo = IP_CT_NEW;
}
*set_reply = 0;
}
skb->nfct = &ct->ct_general;
skb->nfctinfo = *ctinfo;
其中，连接的表示是用数据结构nf_conn，而存储tuple是用nf_conntrack_tuple_hash，两者的关系是：
init_conntrack()
该函数创建一个连接跟踪，由触发的报文得到了tuple，然后调用nf_ct_invert_tuple()将其反转，得到反向的repl_tuple， nf_conntrack_alloc()为新的连接跟踪ct分配空间，并设置了
ct->tuplehash[IP_CT_DIR_ORIGINAL].tuple = tuple;
ct->tuplehash[IP_CT_DIR_REPLY].tuple = repl_tuple;
l4_proto是根据报文中协议号来查找到的，这里是TCP 连接因此l4_proto对应于nf_conntrack_l4proto_tcp4；l4_proto->new()的作用在于设置TCP的状态，即ct- >proto.tcp.state，这个是TCP协议所特有的(TCP有11种状态的迁移图)，这里只要知道刚创建时ct->proto.tcp.state会 被设置为TCP_CONNTRACK_NONE，最后将ct->tuplehash加入到了net->ct.unconfirmed，因为这个连接还是没有被确认的， 所以加入的是uncorfirmed链表。
这样，init_conntrack()创建后的连接跟踪情况如下(列出了关键的元素)：
tuple A_ip A_port B_ip B_port ORIG
repl_tuple B_ip B_port A_ip A_port REPLY
tcp.state NONE
if (!nf_ct_invert_tuple(&repl_tuple, tuple, l3proto, l4proto)) {
pr_debug("Can't invert tuple.\n");
return NULL;
}
ct = nf_conntrack_alloc(net, zone, tuple, &repl_tuple, GFP_ATOMIC);
if (IS_ERR(ct)) {
pr_debug("Can't allocate conntrack.\n");
return (struct nf_conntrack_tuple_hash *)ct;
}
if (!l4proto->new(ct, skb, dataoff)) {
nf_conntrack_free(ct);
pr_debug("init conntrack: can't track with proto module\n");
return NULL;
}
…….
/* Overload tuple linked list to put us in unconfirmed list. */
hlist_nulls_add_head_rcu(&ct->tuplehash[IP_CT_DIR_ORIGINAL].hnnode,
&net->ct.unconfirmed);
tcp_packet()
函数的作用在于通过连接当前的状态，到达的新报文，得到连接新的状态并进行更新，其实就是一次查询 ，输入是方向+报文信息+旧状态，输出是新状态，因此可以用查询表来简单实现，tcp_conntracks[2][6][TCP_CONNTRACK_MAX] 就是这张查询表，它在nf_conntrack_proto_tcp.c中定义，
电脑资料
《Linux内核分析 网络[十七]：NetFilter之连接跟踪》(https://www.unjs.com)。第一维[2]代表连接的方向，第二维[6]代表6种当前报文所带的信息( 根椐TCP报头中的标志位)，第三维[TCP_CONNTRACK_MAX]代表旧状态，而每个元素存储的是新状态。下面代码完成了表查 询，old_state是旧状态，dir是当前报文的方向(它在resolve_normal_ct中赋值，简单来说是最初的发起方向作为正向)，index 是当前报文的信息，get_conntrack_index()函数代码也贴在下面，函数很简单，通过TCP报头的标志位得到报文信息。在此例中 ，收到SYN，old_state是NONE，dir是ORIG，index是TCP_SYN_SET，最终的结果new_state通过查看tcp_conntracks就可以得到了 ，它在nf_conntrack_proto_tcp.c中定义，结果可以自行对照查看，本例中查询的结果应为TCP_CONNTRACK_SYN_SENT。
然后 switch-case语句根据新状态new_state进行其它必要的设置。
old_state = ct->proto.tcp.state;
dir = CTINFO2DIR(ctinfo);
index = get_conntrack_index(th);
new_state = tcp_conntracks[dir][index][old_state];
switch (new_state) {
case TCP_CONNTRACK_SYN_SENT:
if (old_state < TCP_CONNTRACK_TIME_WAIT)
break;
……
}
static unsigned int get_conntrack_index(const struct tcphdr *tcph)
{
if (tcph->rst) return TCP_RST_SET;
else if (tcph->syn) return (tcph->ack ? TCP_SYNACK_SET : TCP_SYN_SET);
else if (tcph->fin) return TCP_FIN_SET;
else if (tcph->ack) return TCP_ACK_SET;
else return TCP_NONE_SET;
}
勾子点LOCAL_IN [ipv4_confirm]
ipv4_confirm() -> nf_conntrack_confirm() -> __nf_conntrack_confirm()
这里的ct是之前在PRE_ROUTING中创建的连接跟踪，然后调用hash_conntrack()取得连接跟踪ct的 正向和反向tuple的哈希值hash和repl_hash；报文到达这里表示被接收，即可以被确认，将它从net->ct.unconfirmed链中删 除(PRE_ROUTEING时插入的，那时还是未确认的)，然后置ct->status位IPS_CONFIRMED_BIT，表示它已被确认，同时将tuple 和repl_tuple加入net->ct.hash，这一步是由__nf_conntrack_hash_insert()完成的，net->ct.hash中存储所有的连接跟 踪。
zone = nf_ct_zone(ct); hash = hash_conntrack(net, zone, &ct->tuplehash[IP_CT_DIR_ORIGINAL].tuple); repl_hash = hash_conntrack(net, zone, &ct->tuplehash[IP_CT_DIR_REPLY].tuple); /* Remove from unconfirmed list */ hlist_nulls_del_rcu(&ct->tuplehash[IP_CT_DIR_ORIGINAL].hnnode); …… set_bit(IPS_CONFIRMED_BIT, &ct->status); …… __nf_conntrack_hash_insert(ct, hash, repl_hash); ……
至此，接收SYN报文完成，生成了一条新的连接记录ct，状态为TCP_CONNTRACK_SYN_SENT，status设置了 IPS_CONFIRMED_BIT位。
2. 发送SYN+ACK报文 [local_out -> post_routing]
勾子点LOCAL_OUT [ipv4_conntrack_local]
ipv4_conntrack_local() -> nf_conntrack_in()
这里可以看到PRE_ROUTEING和LOCAL_OUT的 连接跟踪的勾子函数最终都进入了nf_conntrack_in()。但不同的是，这次由于在收到SYN报文时已经创建了连接跟踪，并且已添 加到了net.ct->hash中，因此这次resolve_normal_ct()会查找到之前插入的ct而不会调用init_conntrack()创建，并且会设 置*ctinfo=IP_CT_ESTABLISHED+IP_CT_IS_REPLY，set_reply=1(参见resolve_normal_ct函数)。
ct =
resolve_normal_ct(net, tmpl, skb, dataoff, pf, protonum,
l3proto, l4proto, &set_reply, &ctinfo);
取得ct后，同样调用tcp_packet()更新连接跟踪状态 ，注意此时ct已处于TCP_CONNTRACK_SYN_SENT，在此例中，发送SYN+ACK，old_state是TCP_CONNTRACK_SYN_SENT，dir是REPLY， index是TCP_SYNACK_SET，最终的结果还是查看tcp_conntracks就可以得到了，为TCP_CONNTRACK_SYN_RECV。最后会设置ct- >status的IPS_SEEN_REPLY位，因为这次已经收到了连接的反向报文。
ret = l4proto->packet(ct, skb, dataoff, ctinfo, pf, hooknum); ...... if (set_reply && !test_and_set_bit(IPS_SEEN_REPLY_BIT, &ct->status)) nf_conntrack_event_cache(IPCT_REPLY, ct);
勾子点POST_ROUTING [ipv4_confirm]
ipv4_confirm() -> nf_conntrack_confirm()
这里可以看到POST_ROUTEING和LOCAL_IN的勾子函数是相同的。但在进入到nf_conntrack_confirm() 后会调用nf_ct_is_confirmed()，它检查ct->status的IPS_CONFIRMED_BIT，如果没有被确认，才会进入 __nf_conntrack_confirm()进行确认，而在收到SYN过程的LOCAL_IN节点设置了IPS_CONFIRMED_BIT，所以此处的ipv4_confirm() 不做任何动作。实际上，LOCAL_IN和POST_ROUTING勾子函数是确认接收或发送一个报文确实已完成，而不是在中途被丢弃，对完 成这样过程的连接都会进行记录即确认，而已确认的连接就没必要再次进行确认了。
static inline int
nf_conntrack_confirm(struct sk_buff *skb)
{
struct nf_conn *ct = (struct nf_conn *)skb->nfct;
int ret = NF_ACCEPT;
if (ct && ct != &nf_conntrack_untracked) {
if (!nf_ct_is_confirmed(ct) && !nf_ct_is_dying(ct))
ret = __nf_conntrack_confirm(skb);
if (likely(ret == NF_ACCEPT))
nf_ct_deliver_cached_events(ct);
}
return ret;
}
至此，发送SYN+ACK报文完成，没有生成新的连接记录ct，状态变更为TCP_CONNTRACK_SYN_RECV，status设置了 IPS_CONFIRMED_BIT+IPS_SEEN_REPLY位。
3. 收到ACK报文 [pre_routing -> local_in]
勾子点PRE_ROUTEING [ipv4_conntrack_in]
ipv4_conntrack_in() -> nf_conntrack_in()
由于之前已经详细分析了收到SYN报文的连接跟踪 处理的过程，这里收到ACK报文的过程与收到SYN报文是相同的，只要注意几个不同点就行了：连接跟踪已存在，连接跟踪状态不 同，标识位status不同。
resolve_normal_ct()会返回之前插入的ct，并且会设置*ctinfo=IP_CT_ESTABLISHED， set_reply=0(参见resolve_normal_ct函数)。
ct = resolve_normal_ct(net, tmpl, skb, dataoff, pf, protonum,
l3proto, l4proto, &set_reply, &ctinfo);
取得ct后，同样调用tcp_packet()更新连接跟踪状态 ，注意此时ct已处于TCP_CONNTRACK_SYN_RECV，在此例中，接收ACK，old_state是TCP_CONNTRACK_SYN_RECV，dir是ORIG，index 是TCP_ACK_SET，最终的结果查看tcp_conntracks得到为TCP_CONNTRACK_ESTABLISHED。
ret = l4proto->packet (ct, skb, dataoff, ctinfo, pf, hooknum); ......
勾子点LOCAL_IN [ipv4_confirm]
ipv4_confirm() -> nf_conntrack_confirm()
同发送SYN+ACK报文 时POST_ROUTING相同，由于连接是已被确认的，所以在nf_conntrack_confirm()函数中会退出，不会再次确认。
至此，接收 ACK报文完成，没有生成新的连接记录ct，状态变更为TCP_CONNTRACK_ESTABLISHED，status设置了 IPS_CONFIRMED_BIT+IPS_SEEN_REPLY位。
简单总结下，以B的角度，在TCP三次握手建立连接的过程中，连接跟踪的过程 如下：
本文开头提到连接跟踪对于连接双方是完全相同的，即以A的角度，在TCP三次握手建立连接的过程中，连接跟踪的过程也是 一样的，在此不再一一分析，最终的流程如下：
连接记录的建立只要一来一回两个报文就足够了，如B在收到SYN报文并发送SYN+ACK报文后，连接记录的 status=IPS_CONFIRMED+IPS_SEEN_REPLY，表示连接已建立，最后收到的ACK报文并没有对status再进行更新，它更新的是tcp自 身的状态，所以，连接记录建立需要的只是两个方向上的报文，在UDP连接记录的建立过程中尤为明显。
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