nftables 基础教程:使用 nftables 作为防火墙


使用 nftables 搭建一个简单的模块化防火墙

nftables 基础教程:使用 nftables 作为防火墙

使用 nftables 搭建一个简单的模块化防火墙

搬瓦工

上篇文章 给大家介绍了 nftables 的优点以及基本的使用方法,它的优点在于直接在用户态把网络规则编译成字节码,然后由内核的虚拟机执行,尽管和 iptables 一样都是基于 netfilter,但 nftables 的灵活性更高。

之前用 iptables 匹配大量数据时,还得需要 ipset 配合,而 nftables 直接内置了集合和字典,可以直接匹配大量的数据,这一点比 iptables 方便多了,拿来练练魔法真是极好的,不多解释,请直接看 Linux全局智能分流方案

本文将会教你如何配置 nftables 来为服务器实现一个简单的防火墙,本文以 CentOS 7 为例,其他发行版类似。

1. 安装 nftables


首先需要安装 nftables:

$ yum install -y nftables

由于 nftables 默认没有内置的链,但提供了一些示例配置,我们可以将其 include 到主配置文件中。主配置文件为 /etc/sysconfig/nftables.conf,将下面一行内容取消注释:

# include "/etc/nftables/inet-filter"

然后启动 nftables 服务:

$ systemctl start nftables

现在再次查看规则,就会发现多了一张 filter 表和几条链:

$ nft list ruleset

table inet filter {
	chain input {
		type filter hook input priority 0; policy accept;
	}

	chain forward {
		type filter hook forward priority 0; policy accept;
	}

	chain output {
		type filter hook output priority 0; policy accept;
	}
}

在 nftables 中,ipv4ipv6 协议可以被合并到一个单一的地址簇 inet 中,使用了 inet 地址簇,就不需要分别为 ipv4 和 ipv6 指定两个不同的规则了。

2. 添加 INPUT 规则


和 iptables 一样,nftables 的 filter 表包含三条链:INPUTFORWARDOUTPUT,一般配置防火墙只需要配置 INPUT 链就好了。

回环接口

首先允许访问 localhost:

$ nft add rule inet filter input iif "lo" accept
$ nft add rule inet filter input iif != "lo" ip daddr 127.0.0.0/8 drop

可以再优化一下,加上注解(comment)和计数器(counter):

$ nft add rule inet filter input \
   iif "lo" \
   accept \
   comment \"Accept any localhost traffic\"

$ nft add rule inet filter input \
   iif != "lo" ip daddr 127.0.0.0/8 \
   counter \
   drop \
   comment \"drop connections to loopback not coming from loopback\"

查看规则:

$ nft list chain inet filter input

table inet filter {
	chain input {
		type filter hook input priority 0; policy accept;
		iif "lo" accept comment "Accept any localhost traffic"
		iif != "lo" ip daddr 127.0.0.0/8 counter packets 0 bytes 0 drop comment "drop connections to loopback not coming from loopback"
	}
}

连接跟踪模块

接下来的规则用到一个内核模块叫 conntrack(connection tracking),它被用来跟踪一个连接的状态。最常见的使用场景是 NAT,为什么需要跟踪记录连接的状态呢?因为 nftables 需要记住数据包的目标地址被改成了什么,并且在返回数据包时再将目标地址改回来。

和 iptables 一样,一个 TCP 连接在 nftables 中总共有四种状态:NEWESTABLISHEDRELATEDINVALID

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。如果收到回应的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。

还有其他两种状态:

  • RELATED : RELATED 状态有点复杂,当一个连接与另一个已经是 ESTABLISHED 的连接有关时,这个连接就被认为是 RELATED。这意味着,一个连接要想成为 RELATED,必须首先有一个已经是 ESTABLISHED 的连接存在。这个 ESTABLISHED 连接再产生一个主连接之外的新连接,这个新连接就是 RELATED 状态了。
  • INVAILD : 表示分组对应的连接是未知的,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。我们需要 DROP 这个状态的任何东西,并打印日志:

    $ nft add rule inet filter input \
    ct state invalid \
    log prefix \"Invalid-Input: \" level info flags all \
    counter \
    drop \
    comment \"Drop invalid connections\"
    

查看规则:

$ nft list chain inet filter input

table inet filter {
	chain input {
		type filter hook input priority 0; policy accept;
		iif "lo" accept comment "Accept any localhost traffic"
		iif != "lo" ip daddr 127.0.0.0/8 counter packets 0 bytes 0 drop comment "drop connections to loopback not coming from loopback"
		ct state invalid log prefix "Invalid-Input: " level info flags all counter packets 0 bytes 0 drop comment "Drop invalid connections"
	}
}

令牌桶

为了防止有恶意攻击者利用 ping 泛洪(ping flood)来进行攻击,可以利用令牌桶模型来对 ping 包限速。ping 泛洪的原理很简单,就是采用多线程的方法一次性发送多个 ICMP 请求报文,让目的主机忙于处理大量这些报文而造成速度缓慢甚至宕机。

先来介绍一下令牌桶模型。

熟悉 iptables 的朋友应该知道,iptables 通过 hashlimit 模块来实现限速的功能,而 hashlimit 的匹配方式就是基于令牌桶(Token bucket)的模型,nftables 也类似, 令牌桶是一种网络通讯中常见的缓冲区工作原理,它有两个重要的参数,令牌桶容量 n令牌产生速率 s

  • 令牌桶容量 n:可以把令牌当成是门票,而令牌桶则是负责制作和发放门票的管理员,它手里最多有n张令牌。初始时,管理员开始手里有 n 张令牌,每当一个数据包到达后,管理员就看看手里是否还有可用的令牌。如果有,就把令牌发给这个数据包,limit 就告诉nftables,这个数据包被匹配了,而当管理员把手上所有的令牌都发完了,再来的数据包就拿不到令牌了;这时,limit 模块就告诉 nftables ,这个数据包不能被匹配。
  • 令牌产生速率 s:当令牌桶中的令牌数量少于 n,它就会以速率 s 来产生新的令牌,直到令牌数量到达 n 为止。

通过令牌桶机制,可以有效的控制单位时间内通过(匹配)的数据包数量,又可以容许短时间内突发的大量数据包的通过(只要数据包数量不超过令牌桶 n),真是妙哉啊。

nftables 比 iptables 做的更绝,它不仅可以基于数据包来限速,也可以基于字节来限速。为了更精确地验证令牌桶模型,我们选择基于字节来限速:

$ nft add rule inet filter input \
   ip protocol icmp icmp type echo-request \
   limit rate 20 bytes/second burst 500 bytes \
   counter \
   accept \
   comment \"No ping floods\"

上面的规则表示:

  • 为所有 echo-request 类型的 ICMP 包建立一个匹配项;
  • 匹配项对应的令牌桶容量为 500 个字节;
  • 令牌产生速率为 20 字节/s

再添加一条规则,拒绝不满足上诉条件的数据包:

$ nft add rule inet filter input \
   ip protocol icmp icmp type echo-request \
   drop \
  comment \"No ping floods\"

同时还要接收状态为 ESTABLISHED 和 RELATED 的数据包:

$ nft add rule inet filter input \
   ct state \{ established, related \} \
   counter \
   accept \
   comment \"Accept traffic originated from us\"

下面来做个实验,直接 ping 该服务器的 IP 地址,ping 包大小设置为 100 字节,每秒发送一次:

$ ping -s 92 192.168.57.53 -i 1

PING 192.168.57.53 (192.168.57.53) 92(120) bytes of data.
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.402 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.373 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.465 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.349 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=5 ttl=64 time=0.411 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=11 ttl=64 time=0.425 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=17 ttl=64 time=0.383 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=23 ttl=64 time=0.442 ms
100 bytes from 192.168.57.53: icmp_seq=29 ttl=64 time=0.464 ms
...

首先我们能看到前 5 个包的回应都非常正常,然后从第 6 个包开始,我们每 6 秒能收到一个正常的回应。这是因为我们设定了令牌桶的容量为 500 个字节,令牌产生速率为 20 字节/s,而发包的速率是每秒钟 100 个字节,即每个包 100 个字节,当发完 5 个包后,令牌桶的容量变为 0,这时开始以 20 字节/s 的速率产生新令牌(和前面提到的令牌桶算法不太一样,只有当令牌桶容量为 0 才开始产生新的令牌),5 秒钟之后,令牌桶的容量变为 100 个字节,所以 6 秒钟后又能收到正常回应。

ICMP & IGMP

接收其他类型的 ICMP 协议数据包:

$ nft add rule inet filter input \
   ip protocol icmp icmp type \{ destination-unreachable, router-advertisement, router-solicitation, time-exceeded, parameter-problem \} \
   accept \
   comment \"Accept ICMP\"

接收 IGMP 协议数据包:

$ nft add rule inet filter input \
   ip protocol igmp \
   accept \
   comment \"Accept IGMP\"

分别处理 TCP 和 UDP

这一步我们将 TCP 和 UDP 的流量拆分,然后分别处理。先创建两条链:

$ nft add chain inet filter TCP
$ nft add chain inet filter UDP

然后创建一个命名字典:

$ nft add map inet filter input_vmap \{ type inet_proto : verdict \; \}

字典的键表示协议类型,值表示判决动作。

往字典中添加元素:

$ nft add element inet filter input_vmap \{ tcp : jump TCP, udp : jump UDP \}

最后创建一条规则拆分 TCP 和 UDP 的流量:

$ nft add rule inet filter input meta l4proto vmap @input_vmap

其中,meta l4proto 用来匹配协议的类型。

最后再瞄一眼规则:

$ nft list ruleset

table inet filter {
	map input_vmap {
		type inet_proto : verdict
		elements = { tcp : jump TCP, udp : jump UDP }
	}

	chain input {
		type filter hook input priority 0; policy accept;
		iif "lo" accept comment "Accept any localhost traffic"
		iif != "lo" ip daddr 127.0.0.0/8 counter packets 0 bytes 0 drop comment "drop connections to loopback not coming from loopback"
		ct state invalid log prefix "Invalid-Input: " level info flags all counter packets 95 bytes 6479 drop comment "Drop invalid connections"
		icmp type echo-request limit rate 20 bytes/second burst 500 bytes counter packets 17 bytes 2040 accept comment "No ping floods"
		icmp type echo-request drop comment "No ping floods"
		ct state { established, related } counter packets 172135 bytes 99807569 accept comment "Accept traffic originated from us"
		icmp type { destination-unreachable, router-advertisement, router-solicitation, time-exceeded, parameter-problem } accept comment "Accept ICMP"
		ip protocol igmp accept comment "Accept IGMP"
		meta l4proto vmap @input_vmap
	}

	chain forward {
		type filter hook forward priority 0; policy accept;
	}

	chain output {
		type filter hook output priority 0; policy accept;
	}

	chain TCP {
	}

	chain UDP {
	}
}

3. 处理 TCP 流量


这一步我们来处理 TCP 流量,首当其冲的就是 ssh 了,必须得给这位大哥放行啊:

$ nft add rule inet filter TCP \
   tcp dport 22 \
   ct state new \
   limit rate 15/minute \
   log prefix \"New SSH connection: \" \
   counter \
   accept \
   comment \"Avoid brute force on SSH\"

其次需要放行 Web 服务,和上面一样,为了易于管理,方便后续动态添加端口,需要先创建一个命名集合:

$ nft add set inet filter web \{ type inet_service \; flags interval \; \}

查看集合:

$ nft list set inet filter web

table inet filter {
	set web {
		type inet_service
		flags interval
	}
}

向集合中添加元素:

$ nft add element inet filter web \{ 80, 443 \}

查看集合:

$ nft list set inet filter web

table inet filter {
	set web {
		type inet_service
		flags interval
		elements = { http, https }
	}
}

放行 Web 服务:

$ nft add rule inet filter TCP \
   tcp dport @web \
   counter \
   accept \
   comment \"Accept web server\"

如果你还有其他不可描述的应用,比如 v-2-r-a-y 之类的代理,可以按照上面的方式添加规则,先创建集合:

$ nft add set inet filter v-2-r-a-y \{ type inet_service \; flags interval \; \}

再添加元素:

$ nft add element inet filter v-2-r-a-y \{ 9000-9005, 9007 \}

查看集合:

$ nft list set inet filter v-2-r-a-y

table inet filter {
	set v-2-r-a-y {
		type inet_service
		flags interval
		elements = { 9000-9005, 9007 }
	}
}

现在体会到 nftables 集合的强大了吧,可以是区间,可以是单个元素组成的集合,也可以混合,iptables 麻烦让一让。

放行不可描述的服务:

$ nft add rule inet filter TCP \
   tcp dport @v-2-r-a-y \
   counter \
   accept \
   comment \"Accept v-2-r-a-y\"

4. 处理 UDP 流量


这一步我们来处理 UDP 流量,比如上面举例的不可描述的应用,除了 TCP 端口还有 UDP 端口,具体用处我就不解释了,自己面向谷歌找答案吧。

到了这一步,连集合都不用创建, 直接复用之前创建的集合,放行不可描述应用的 UDP 数据:

$ nft add rule inet filter UDP \
   udp dport @v-2-r-a-y \
   counter \
   accept \
   comment \"Accept v-2-r-a-y\"

查看规则:

$ nft list chain inet filter UDP

table inet filter {
	chain UDP {
		udp dport @v-2-r-a-y counter packets 0 bytes 0 accept comment "Accept v-2-r-a-y"
	}
}

其他 UDP 数据都可按此套路模块化,简直不要太赏心悦目。

为了使系统或 nftables 重启后能够继续生效,我们需要将这些规则持久化,直接将规则写入 /etc/nftables/inet-filter

$ echo "#! /usr/sbin/nft -f" > /etc/nftables/inet-filter
$ nft list ruleset >> /etc/nftables/inet-filter

开机自动加载 nftables 服务:

$ systemctl enable nftables

5. 在 rsyslog 中记录日志


默认情况下,开启日志记录后,日志会直接进入 syslog,和系统日志混在一起,不好读取。最好的办法是将 nftables 的日志重定向到单独的文件。

以本文为例,我们只开启了 ct state invalidssh 的日志记录,先在 /var/log 目录中创建一个名为 nftables 的目录,并在其中创建两个名为 invalid.logssh.log 的文件,分别存储各自的日志。

$ mkdir /var/log/nftables
$ touch /var/log/nftables/{ssh.log,invalid.log}

确保系统中已安装 rsyslog。现在进入 /etc/rsyslog.d 目录并创建一个名为 nftables.conf 的文件,其内容如下:

:msg,regex,"Invalid-Input: " -/var/log/nftables/invalid.log
:msg,regex,"New SSH connection: " -/var/log/nftables/ssh.log

最后,为了确保日志是可管理的,需要在 /etc/logrotate.d 中创建一个 nftables 文件:

$ cat /etc/logrotate.d/nftables

/var/log/nftables/* { rotate 5 daily maxsize 50M missingok notifempty delaycompress compress postrotate invoke-rc.d rsyslog rotate > /dev/null endscript }

重新通过 ssh 连接服务器,就能看到日志了:

$ tail -f /var/log/nftables/ssh.log

Dec 19 17:15:33 [localhost] kernel: New SSH connection: IN=ens192 OUT= MAC=00:50:56:bd:2f:3d:00:50:56:bd:d7:24:08:00 SRC=192.168.57.2 DST=192.168.57.53 LEN=60 TOS=0x00 PREC=0x00 TTL=64 ID=43312 DF PROTO=TCP SPT=41842 DPT=22 WINDOW=29200 RES=0x00 SYN URGP=0

6. 总结


本文教你如何使用 nftables 搭建一个简单的防火墙,并通过集合和字典将规则集模块化,后续可动态添加端口和 IP 等元素,而不用修改规则。更复杂的规则将会在后面的文章介绍,下篇文章将会教你如何使用 nftables 来防 DDoS 攻击,敬请期待。


-------他日江湖相逢 再当杯酒言欢-------

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米开朗基杨

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