linux内核ipqueue机制的分析(一)——用户态接收数据包

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1、笔者将会通过包括本文在内的三篇文章，对IPQueue机制从用户态的应用到内核态的模块程序设计进行分析。三篇文章的题目分别是：Linux内核IPQueue机制的分析（一）——用户态接收数据包Linux内核IPQueue机制的分析（二）——用户态处理并回传数据包Linux内核IPQueue机制的分析（三）——内核态ip_queue代码分析     笔者希望通过这三篇文章，能够给不熟悉或者对IPQueue使用有问题的朋友一些帮助。文章中分析不妥或错误之处，希望各位朋友可以及时指出。     本文欢迎自由转载，但请标明出处，并保证本文的完整性。    

2、 作者：Godbach     日期：2008/11/27      本文的大纲如下：一、基础知识1.Netfilter2.Netlink机制二、IPQueue编程接口三、一个实现接收内核态发送的IPQueue数据包的用户态例程1.libipq.h2.libipq.c3.ipq_user.c四、应用程序的测试1.测试环境的建立2.程序的测试 一、基础知识基础知识部分的很多部分内容都重点参考或者直接引用了《如何用IP Queue机制编写用户态防火墙》，原文的链接为：http://www.syue.com/Firewall/HTML/3357.html。

3、在此，向该文的作者表示感谢。 1.NetfilterLinux内核在Netfilter（下文简称NF）框架的基础上提供了IPQueue机制，使得基于用户态（UserMode）的防火墙开发成为可能。 内核中NF对网络报文的处理这里不做详细描述。假设读者已经熟悉NF的工作原理和工作流程。但这里还是要简单介绍一下NF中各个钩子（hook）函数对数据包处理的返回值，即该函数告诉内核对该数据包的处理意见。所有的返回值如下： NF_DROP：丢弃该报文，释放所有与该报文相关的资源；NF_ACCEPT：接受该报文，并继续处理；NF_STOLEN：该报文已经被HOO

4、K函数接管，协议栈无须继续处理；NF_QUEUE：将该报文传递到用户态去做进一步的处理；NF_REPEAT：再次调用本HOOK函数。 当HOOK处理函数返回值为NF_QUEUE时，内核协议栈将通过IPQueue机制把当前报文传递到用户态，由用户态的应用程序进行处理。这样，只要能够在相应的HOOK点上返回NF_QUEUE值，就可以将符合要求的报文传送到用户态去做进一步对报文行处理。随后，用户态程序会将处理后的报文以及对报文的处理意见（ACCEPT，DROP等）传递给内核协议栈。内核协议栈就会按照用户态对报文的处理意见将报文做接受、丢弃等处理。整个处理的

5、过程就相当于一个用户态的防火墙，所有数据包的实质性处理都放在用户态进行。这样，即使是不具有深入内核知识的开发人员，也可以开发出适应一定应用场合的用户态防火墙。 2.Netlink机制     前面讲到，所谓IPQueue机制，只是当NF上Hook函数对数据包处理的返回值为NF_QUEUE时，协议栈会将数据包交给内核中的ip_queue模块。而ip_queue又是怎么将数据包传递给用户态的呢？这里就涉及到在内核开发中常见的问题，如何将内核态的数据传递到用户态，实现内核空间和用户空间的通信。具体实现的方法有多种。本人的博客中也总结了若干种，并配有测试的例

6、程：http://blog.chinaunix.net/u/33048/article.html.对于IPQueue，则是使用Netlink机制实现内核态和用户态的交互。NetLink是Linux系统特有的、基于socket编程接口的通信机制。它是一个面向数据报文的服务，并提供NETLINK_ROUTE（更新和修改路由操作）、NETLINK_FIREWALL（接受和发送IPv4协议NF传输的包，基于内核的ip_queue模块），NETLINK_ARPD（用户态ARP表操作）等多种通信协议。在创建基于IPQueue的NetLinkSocket时，将采用

7、如下系统调用：fd=socket(PF_NETLINK,SOCK_RAW,NETLINK_FIREWALL);　　这里，PF_NETLINK指明要创建NetLinkSocket；SOCK_RAW指明采用原始套接字，也可以采用SOCK_DGRAM，因为NetLink机制的实现并不区分SOCK_RAW和SOCK_DGRAM；参数NETLINK_FIREWALL则指明通信协议采用IPQueue。既然IPQueue是基于NetLink的，其消息格式自然也遵从NetLink的规范。NetLink消息由两部分组成：消息头(structnlmsghdr)和数据负载

8、(datapayload)。消息头的定义如下（include/linux/netlink.h）：[quote