Linux2.6下ESP包解析流程
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1. 前言在Linux2.6中自带了ipsec的实现，可以不再使用freeswan及其变种了，freeswan通过建立ipsec*的虚拟网卡来将发送和接收ipsec数据包，通过ipsec*网卡看到的数据是明文数据，而2.6中的ipsec实现是不建立ipsec*虚拟网卡的，本文分析一下ESP包进入系统协议栈的处理流程。以下Linux内核代码版本为2.6.19.2。2. 流程分析2.1 esp协议结构esp协议结构定义，对于每个IPv4上层的协议，如TCP、UDP、ICMP、IGMP、ESP、AH等都需要定义这个结构挂接到IPv4的协议链表中，当接收到IP数据包时，会根据包中定义的IP协议号找到该结构，然后调用其成员handler函数进行处理。/* net/ipv4/esp4.c */static struct net_protocol esp4_protocol = { .handler = xfrm4_rcv, .err_handler = esp4_err, .no_policy = 1,};esp协议的handler函数是xfrm4_rcv()2.2 xfrm4_rcv/* net/ipv4/xfrm4_input.c */int xfrm4_rcv(struct sk_buff *skb){ return xfrm4_rcv_encap(skb, 0);}实际就是xfrm4_rcv_encap，封装类型参数设置为0，即没封装数据2.3 xfrm4_rcv_encap/* net/ipv4/xfrm4_input.c */int xfrm4_rcv_encap(struct sk_buff *skb, __u16 encap_type){ int err; __be32 spi, seq; struct xfrm_state *xfrm_vec[XFRM_MAX_DEPTH]; struct xfrm_state *x; int xfrm_nr = 0; int decaps = 0;// 获取skb中的spi和序列号信息 if ((err = xfrm4_parse_spi(skb, skb->nh.iph->protocol, &spi, &seq)) != 0) goto drop;// 进入循环进行解包操作 do { struct iphdr *iph = skb->nh.iph;// 循环解包次数太深的话放弃 if (xfrm_nr == XFRM_MAX_DEPTH) goto drop;// 根据地址, SPI和协议查找SA x = xfrm_state_lookup((xfrm_address_t *)&iph->daddr, spi, iph->protocol,AF_INET); if (x == NULL) goto drop;// 以下根据SA定义的操作对数据解码 spin_lock(&x->lock); if (unlikely(x->km.state != XFRM_STATE_VALID)) goto drop_unlock;// 检查由SA指定的封装类型是否和函数指定的封装类型相同 if ((x->encap ? x->encap->encap_type : 0) != encap_type) goto drop_unlock;// SA重放窗口检查 if (x->props.replay_window && xfrm_replay_check(x, seq)) goto drop_unlock;// SA生存期检查 if (xfrm_state_check_expire(x)) goto drop_unlock;// type可为esp,ah,ipcomp, ipip等, 对输入数据解密 if (x->type->input(x, skb)) goto drop_unlock; /* only the first xfrm gets the encap type */ encap_type = 0;// 更新重放窗口 if (x->props.replay_window) xfrm_replay_advance(x, seq);// 包数,字节数统计 x->curlft.bytes += skb->len; x->curlft.packets++; spin_unlock(&x->lock); xfrm_vec[xfrm_nr++] = x;// mode可为通道,传输等模式, 对输入数据解封装 if (x->mode->input(x, skb)) goto drop;// 如果是IPSEC通道模式，将decaps参数置1，否则表示是传输模式 if (x->props.mode == XFRM_MODE_TUNNEL) { decaps = 1; break; }// 看内层协议是否还要继续解包, 不需要解时返回1, 需要解时返回0, 错误返回负数// 协议类型可以多层封装的,比如用AH封装ESP, 就得先解完AH再解ESP if ((err = xfrm_parse_spi(skb, skb->nh.iph->protocol, &spi, &seq)) < 0) goto drop; } while (!err); /* Allocate new secpath or COW existing one. */// 为skb包建立新的安全路径(struct sec_path) if (!skb->sp || atomic_read(&skb->sp->refcnt) != 1) { struct sec_path *sp; sp = secpath_dup(skb->sp); if (!sp) goto drop; if (skb->sp) secpath_put(skb->sp); skb->sp = sp; } if (xfrm_nr + skb->sp->len > XFRM_MAX_DEPTH) goto drop;// 将刚才循环解包用到的SA拷贝到安全路径// 因此检查一个数据包是否是普通明文包还是解密后的明文包就看skb->sp参数是否为空 memcpy(skb->sp->xvec + skb->sp->len, xfrm_vec, xfrm_nr * sizeof(xfrm_vec[0])); skb->sp->len += xfrm_nr; nf_reset(skb); if (decaps) {// 通道模式 if (!(skb->dev->flags&IFF_LOOPBACK)) { dst_release(skb->dst); skb->dst = NULL; }// 重新进入网卡接收函数 netif_rx(skb); return 0; } else {// 传输模式#ifdef CONFIG_NETFILTER// 如果定义NETFILTER, 进入PRE_ROUTING链处理,然后进入路由选择处理// 其实现在已经处于INPUT点, 但解码后需要将该包作为一个新包看待// 可能需要进行目的NAT操作, 这时候可能目的地址就会改变不是到自身// 的了, 因此需要将其相当于是放回PRE_PROUTING点去操作, 重新找路由// 这也说明可以制定针对解码后明文包的NAT规则,在还是加密包的时候不匹配// 但解码后能匹配上 __skb_push(skb, skb->data - skb->nh.raw); skb->nh.iph->tot_len = htons(skb->len); ip_send_check(skb->nh.iph); NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL, xfrm4_rcv_encap_finish); return 0;#else// 内核不支持NETFILTER, 该包肯定就是到自身的了// 返回IP协议的负值, 表示重新进行IP层协议的处理// 用解码后的内层协议来处理数据 return -skb->nh.iph->protocol;#endif }drop_unlock: spin_unlock(&x->lock); xfrm_state_put(x);drop: while (--xfrm_nr >= 0) xfrm_state_put(xfrm_vec[xfrm_nr]); kfree_skb(skb); return 0;}最后说一下返回负协议值的处理, IP上层协议的handler是在ip_local_deliver_finish()函数中调用的:/* net/ipv4/ip_input.c */static inline int ip_local_deliver_finish(struct sk_buff *skb){ int ihl = skb->nh.iph->ihl*4; __skb_pull(skb, ihl); /* Point into the IP datagram, just past the header. */ skb->h.raw = skb->data; rcu_read_lock(); { /* Note: See raw.c and net/raw.h, RAWV4_HTABLE_SIZE==MAX_INET_PROTOS */ int protocol = skb->nh.iph->protocol; int hash; struct sock *raw_sk; struct net_protocol *ipprot; resubmit:// 协议hash值, IPv4最大支持255种协议 hash = protocol & (MAX_INET_PROTOS - 1); raw_sk = sk_head(&raw_v4_htable[hash]); /* If there maybe a raw socket we must check - if not we * don't care less */ if (raw_sk && !raw_v4_input(skb, skb->nh.iph, hash)) raw_sk = NULL;// 直接在协议数组中获取协议指针 if ((ipprot = rcu_dereference(inet_protos[hash])) != NULL) { int ret; if (!ipprot->no_policy) { if (!xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_IN, skb)) { kfree_skb(skb); goto out; } nf_reset(skb); }// 调用协议handler ret = ipprot->handler(skb); if (ret < 0) {// 如果返回值为负, 取反后重新跳回resubmit点进行选协议处理 protocol = -ret; goto resubmit; } IP_INC_STATS_BH(IPSTATS_MIB_INDELIVERS); } else { if (!raw_sk) { if (xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_IN, skb)) { IP_INC_STATS_BH(IPSTATS_MIB_INUNKNOWNPROTOS); icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_PROT_UNREACH, 0); } } else IP_INC_STATS_BH(IPSTATS_MIB_INDELIVERS); kfree_skb(skb); } } out: rcu_read_unlock(); return 0;}3. 结论虽然在2.6的native ipsec中没支持虚拟网卡，但在通道模式下也用到了netif_rx函数将解码后的数据包重新接收处理的过程，并没有改变skb包的dev网卡参数，因此如果在该网卡上抓包，就会同时抓到最初的加密包和解码后的明文包；而用freeswan的实现，在普通网卡上抓包抓到的是加密包，由于freeswan在解码后将skb包的dev参数改为了ipsec*，因此是通过在ipsec*网卡上能抓到解密包。对于传输模式，由于没有调用netif_rx函数，因此在实际网卡抓包只能抓到加密包，解密包只能在netfilter架构中看到了。 另外，在此情况下NAT规则仍然是有效的，制定NAT规则时根据解密后的地址端口等信息来处理就可以了。识别一个明文包是否是解密过的就看skb的sp参数即可，该指针为空表示是普通明文包，非空表示是解密后的明文包。