- 9. IPSEC封装流程
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- IPSEC
- 数据包的封装过程是在数据包发出前完成的, 是和路由选择密切相关的, 根据前面的发出分析可知封装是通过对数据设置安全路由链表来实现的, 因此对数据包的IPSEC封装流程可以简单描述如下:
- 1) 对于进入的数据包, 进行路由选择, 如果是转发的, 进入路由输入, 然后查找安全策略检查是否需要IPSEC封装, 如果需要封装, 就查找和创建相关的安全路由, 进入路由输出处理, 在路由输出时即按照安全路由一层层地封装数据包最后得到IPSEC包发出;
- 2) 对于自身发出的数据包, 需要进行路由选择, 选定路由后进入路由输入, 查找安全策略进行处理, 以后和转发的数据包IPSEC封装就是完全相同了。
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- 9.1 转发包的封装
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- 数据的转发入口点函数是ip_forward, 进入该函数的数据包还是普通数据包,数据包的路由也是普通路由:
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- int ip_forward(struct sk_buff *skb)
- {
- struct iphdr *iph;
- struct rtable *rt;
- struct ip_options * opt = &(IPCB(skb)->opt);
-
- if (!xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_FWD, skb))
- goto drop;
- if (IPCB(skb)->opt.router_alert && ip_call_ra_chain(skb))
- return NET_RX_SUCCESS;
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- if (skb->pkt_type != PACKET_HOST)
- goto drop;
- skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
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- if (skb->nh.iph->ttl <= 1)
- goto too_many_hops;
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- if (!xfrm4_route_forward(skb))
- goto drop;
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- rt = (struct rtable*)skb->dst;
- if (opt->is_strictroute && rt->rt_dst != rt->rt_gateway)
- goto sr_failed;
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- if (skb_cow(skb, LL_RESERVED_SPACE(rt->u.dst.dev)+rt->u.dst.header_len))
- goto drop;
- iph = skb->nh.iph;
-
- ip_decrease_ttl(iph);
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- if (rt->rt_flags&RTCF_DOREDIRECT && !opt->srr)
- ip_rt_send_redirect(skb);
- skb->priority = rt_tos2priority(iph->tos);
-
- return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_FORWARD, skb, skb->dev, rt->u.dst.dev,
- ip_forward_finish);
- sr_failed:
-
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- icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_SR_FAILED, 0);
- goto drop;
- too_many_hops:
-
- IP_INC_STATS_BH(IPSTATS_MIB_INHDRERRORS);
- icmp_send(skb, ICMP_TIME_EXCEEDED, ICMP_EXC_TTL, 0);
- drop:
- kfree_skb(skb);
- return NET_RX_DROP;
- }
-
- static inline int ip_forward_finish(struct sk_buff *skb)
- {
- struct ip_options * opt = &(IPCB(skb)->opt);
- IP_INC_STATS_BH(IPSTATS_MIB_OUTFORWDATAGRAMS);
- if (unlikely(opt->optlen))
- ip_forward_options(skb);
-
- return dst_output(skb);
- }
-
- 核心函数是xfrm4_route_forward函数
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- static inline int xfrm4_route_forward(struct sk_buff *skb)
- {
- return xfrm_route_forward(skb, AF_INET);
- }
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- static inline int xfrm_route_forward(struct sk_buff *skb, unsigned short family)
- {
-
- return !xfrm_policy_count[XFRM_POLICY_OUT] ||
-
- (skb->dst->flags & DST_NOXFRM) ||
- __xfrm_route_forward(skb, family);
- }
-
- int __xfrm_route_forward(struct sk_buff *skb, unsigned short family)
- {
- struct flowi fl;
-
-
- if (xfrm_decode_session(skb, &fl, family) < 0)
- return 0;
-
-
- return xfrm_lookup(&skb->dst, &fl, NULL, 0) == 0;
- }
-
- 因此数据进行转发处理后, 最终进入dst_output函数处理
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- 转发函数流程小结:
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- ip_forward
- -> xfrm4_route_forward (net/xfrm.h, get xfrm_dst)
- -> xfrm_route_forward
- -> __xfrm_route_forward
- -> xfrm_lookup
- -> xfrm_find_bundle
- -> afinfo->find_bundle == __xfrm4_find_bundle
- -> xfrm_bundle_create
- -> afinfo->bundle_create == __xfrm4_bundle_create
- tunnel mode
- -> xfrm_dst_lookup
- -> afinfo->dst_lookup == xfrm4_dst_lookup
- -> __ip_route_output_key
- -> dst_list: dst->list=policy_bundles, policy->bundles = dst
- -> NF_HOOK(NF_FORWARD)
- -> ip_forward_finish
- -> dst_output
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- 9.2 自身数据发出
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- 对于IPv4包的发出, 通常出口函数是ip_queue_xmit或ip_push_pending_frames, 如果是后者, 数据包是已经经过了路由选择的, 而前者还没有进行路由选择, 两者最后都会调用dst_output()函数进行数据的发出.
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-
- int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, int ipfragok)
- {
- struct sock *sk = skb->sk;
- struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
- struct ip_options *opt = inet->opt;
- struct rtable *rt;
- struct iphdr *iph;
-
-
-
-
- rt = (struct rtable *) skb->dst;
- if (rt != NULL)
- goto packet_routed;
-
- rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
- if (rt == NULL) {
- __be32 daddr;
-
- daddr = inet->daddr;
- if(opt && opt->srr)
- daddr = opt->faddr;
- {
- struct flowi fl = { .oif = sk->sk_bound_dev_if,
- .nl_u = { .ip4_u =
- { .daddr = daddr,
- .saddr = inet->saddr,
- .tos = RT_CONN_FLAGS(sk) } },
- .proto = sk->sk_protocol,
- .uli_u = { .ports =
- { .sport = inet->sport,
- .dport = inet->dport } } };
-
-
-
-
- security_sk_classify_flow(sk, &fl);
- if (ip_route_output_flow(&rt, &fl, sk, 0))
- goto no_route;
- }
- sk_setup_caps(sk, &rt->u.dst);
- }
- skb->dst = dst_clone(&rt->u.dst);
- packet_routed:
- if (opt && opt->is_strictroute && rt->rt_dst != rt->rt_gateway)
- goto no_route;
-
- iph = (struct iphdr *) skb_push(skb, sizeof(struct iphdr) + (opt ? opt->optlen : 0));
- *((__u16 *)iph) = htons((4 << 12) | (5 << 8) | (inet->tos & 0xff));
- iph->tot_len = htons(skb->len);
- if (ip_dont_fragment(sk, &rt->u.dst) && !ipfragok)
- iph->frag_off = htons(IP_DF);
- else
- iph->frag_off = 0;
- iph->ttl = ip_select_ttl(inet, &rt->u.dst);
- iph->protocol = sk->sk_protocol;
- iph->saddr = rt->rt_src;
- iph->daddr = rt->rt_dst;
- skb->nh.iph = iph;
-
- if (opt && opt->optlen) {
- iph->ihl += opt->optlen >> 2;
- ip_options_build(skb, opt, inet->daddr, rt, 0);
- }
- ip_select_ident_more(iph, &rt->u.dst, sk,
- (skb_shinfo(skb)->gso_segs ?: 1) - 1);
-
- ip_send_check(iph);
- skb->priority = sk->sk_priority;
-
- return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_OUT, skb, NULL, rt->u.dst.dev,
- dst_output);
- no_route:
- IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_OUTNOROUTES);
- kfree_skb(skb);
- return -EHOSTUNREACH;
- }
-
-
- int ip_route_output_flow(struct rtable **rp, struct flowi *flp, struct sock *sk, int flags)
- {
- int err;
-
- if ((err = __ip_route_output_key(rp, flp)) != 0)
- return err;
-
- if (flp->proto) {
-
- if (!flp->fl4_src)
- flp->fl4_src = (*rp)->rt_src;
- if (!flp->fl4_dst)
- flp->fl4_dst = (*rp)->rt_dst;
-
-
- return xfrm_lookup((struct dst_entry **)rp, flp, sk, flags);
- }
- return 0;
- }
-
- 对于不是进入ip_queue_xmit()发送的数据包, 在发送前必然也是经过ip_route_output_flow()函数的路由选择处理, 因此如果需要IPSEC封装的话, 也就设置了相关的安全路由链表.
-
- 这样, 对于自身发出的数据包, 最终也是进入dst_output()函数进行发送, 转发和自身发出的数据殊途同归了, 以后的处理过程就都是相同的了
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- 函数流程小结:
- ip_queue_xmit
- -> ip_route_output_flow
- -> xfrm_lookup
- -> xfrm_find_bundle
- -> bundle_create
- -> afinfo->bundle_create == __xfrm4_bundle_create
- -> xfrm_dst_lookup
- -> afinfo->dst_lookup == xfrm4_dst_lookup
- -> __ip_route_output_key
- -> dst_list
- -> dst->list=policy_bundles, policy->bundles = dst
- -> NF_HOOK(NF_OUTPUT)
- -> dst_output
- -> dst->output
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- 9.3 dst_output
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-
-
- static inline int dst_output(struct sk_buff *skb)
- {
- return skb->dst->output(skb);
- }
-
- dst_output()函数就是调用路由项的输出函数, 对于安全路由, 该函数是xfrm4_output()函数, 对于普通路由, 是ip_output()函数
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- 对于xfrm4_output()函数的分析见7.6, 执行完所有安全路由的输出函数, 每执行一个安全路由输出函数就是一次IPSEC封装处理过程, 封装结束后的数据包会设置IPSKB_REROUTED标志, 到路由链表的最后一项是普通路由, 进入普通路由的输出函数ip_output:
-
- int ip_output(struct sk_buff *skb)
- {
- struct net_device *dev = skb->dst->dev;
- IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_OUTREQUESTS);
- skb->dev = dev;
- skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
-
-
- return NF_HOOK_COND(PF_INET, NF_IP_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
- ip_finish_output,
- !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
- }
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- 因此对于封装的数据包而言, 在封装过程中可以进行OUTPUT点的过滤和POSTROUTING点的SNAT处理, 但一旦封装完成, 就不会再进行SNAT操作了.
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- 函数调用小结:
- xfrm_lookup: find xfrm_dst for the skb, create dst_list
- -> xfrm_sk_policy_lookup
- -> flow_cache_lookup
- -> xfrm_find_bundle
- -> xfrm_policy_lookup_bytype
- -> xfrm_tmpl_resolve
- -> xfrm_tmpl_resolve_one
- -> xfrm_get_saddr
- -> afinfo->get_saddr == xfrm4_get_saddr
- -> xfrm4_dst_lookup
- -> xfrm_state_find
- -> __xfrm_state_lookup
- -> xfrm_state_alloc
- -> km_query
- -> km->acquire (pfkey_acquire, xfrm_send_acquire)
- -> xfrm_state_sort
- -> afinfo->state_sort == NULL
- -> km_wait_queue
- -> xfrm_bundle_create
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- dst_output: loop dst_list
- -> dst->output == xfrm_dst->output == xfrm4_output == xfrm4_state_afinfo->output
- -> NF_HOOK(POSTROUTING)
- -> xfrm4_output_finish
- -> gso ?
- -> xfrm4_output_finish2
- -> xfrm4_output_one
- -> mode->output
- -> type->output
- -> skb->dst=dst_pop(skb->dst)
- -> nf_hook(NF_OUTPUT)
- -> !dst->xfrm
- -> dst_output
- -> nf_hook(POSTROUTING)
- -> dst->output == ip_output
- -> NF_HOOK(POSTROUTING)
- -> ip_finish_output
- -> ip_finish_output2
- -> hh_output == dev_queue_xmit
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- 10. 总结
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- Linux自带的native ipsec实现xfrm是通过路由来实现IPSEC封装处理的, 这和freeswan是类似的, 只不过freeswan构造了虚拟的ipsec*网卡设备, 这样就可以通过标准的网络工具如iproute2等通过配置路由和ip rule等实现安全策略, 进入该虚拟网卡的数据包就进行IPSEC解封, 从虚拟网卡发出的包就是进行IPSEC封装,因此实现比较独立,除了NAT-T需要修改udp.c源码外,其他基本不需要修改内核源码,对于进入的 IPSEC包,在物理网卡上可以抓到原始的IPSEC包,而从虚拟网卡上可以抓到解密后的数据包。而xfrm没有定义虚拟网卡,都是在路由查找过程中自动查找安全策略实现ipsec的解封或封装,因此该实现是必须和内核网络代码耦合在一起的,对于进入的IPSEC包,能在物理网卡抓到两次包,一次是 IPSEC原始包,一次是解密后的包。由于还是需要根据路由来进行封装,所以本质还不是基于策略的IPSEC,不过可以通过定义策略路由方式来实现基于策略IPSEC,要是能把IPSEC封装作为一个netfilter的target就好了,这样就可以进行标准的基于策略的IPSEC了。
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- xfrm和网络代码耦合,这样进行路由或netfilter过滤时都可以通过相关标志进行处理或旁路,如经过IPSEC处理后的数据包是自动不会进行SNAT操作的,而freeswan的实现就不能保证,如果设置SNAT规则不对,是有可能对封装好的包进行SNAT操作而造成错误。但两个实现对于封装前的数据包都是可以进行SNAT操作的,因此那种实现同网段VPN的特殊NAT可以在xfrm下实现。
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- 在RFC2367中只定义了SA相关操作的消息类型,而没有定义SP的操作类型,也没有定义其他扩展的IPSEC功能的相关消息类型,如NAT-T相关的类型,那些SADB_X_*的消息类型就是非标准的,这就造成各种IPSEC实现只能自己定义这些消息类型,因此可能会造成不兼容的现象,应该尽快出新的RFC来更新2367了。
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- 发表于: 2007-06-21,修改于: 2007-06-21 21:19,已浏览4125次,有评论4条 推荐 投诉
- 网友: Evan 时间:2008-04-21 10:52:26 IP地址:58.34.238.★
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- 发送数据的时候, 如果发现没有sa bundle,或者说没有SA,那么XFRM 如何启动IKE过程呢? 需要额外添加code吗?
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- 我看xfrm没有 sa的时候就返回err。 奇怪哈?
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- 网友: yfydz 时间:2008-04-21 21:05:13 IP地址:58.31.248.★
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