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。
