• Înțelegerea arhitecturii subsistemului de networking la nivelul nucleului Linux
• Deprinderea unor abilități practice de gestiune a pachetelor IP în cadrul unui filtru de pachete/firewall
• Familiarizarea cu modul de utilizare al sockeților la nivelul nucleului Linux

• stiva TCP/IP
• protocol
• adresă IP
• port
• socket, BSD socket, INET socket
• PF_INET, AF_INET
• SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM
• IPPROTO_TCP, IPPROTO_UDP
• interfața loopback
• bind, connect, listen, accept
• send, sendto, recv, recvfrom
• struct socket, struct sock, struct sk_buff
• htons, htonl, ntohs, ntohl

• Slide-uri de suport pentru laborator
• SO2 Reference Card

Dezvoltarea Internet-ului a dus la creșterea exponențială a aplicațiilor de rețea și, drept consecință, la creșterea cerințelor de viteza și productivitate a subsistemului de rețea (networking) al unui sistem de operare. Subsistemul de networking nu este o componentă esențială a nucleului unui sistem de operare (kernel-ul de Linux poate fi compilat fără suport de rețea). Este, însă, destul de puțin probabil pentru un sistem de calcul (sau chiar un dispozitiv embedded) să conțină un sistem de operare fără suport de rețea, datorită nevoii de conectivitate. Atât sistemele Linux (Unix), cât și Windows folosesc stiva TCP/IP. Nucleul acestora va conține implementate protocoalele până la nivelul transport inclusiv, urmând ca protocoalele de nivel aplicație să fie implementate în user-space (HTTP, FTP, SSH, etc.).

În user-space abstracția comunicației în rețea este socket-ul. Socket-ul abstractizează un canal de comunicație și este interfața de interacțiune cu stiva TCP/IP implementată în kernel. Unui socket IP i se asociază o adresă IP, protocolul de nivel transport utilizat (TCP, UDP etc) și un port. Apelurile uzuale pe un socket sunt: apelul de creare (socket), de inițializare (bind), de conectare (connect), de așteptare de conexiuni (listen, accept) și de închidere (close).

Comunicația în rețea se realizează prin intermediul apelurilor read/write sau recv/send pentru sockeți TCP, respectiv recvfrom/sendto pentru sockeți UDP. Operațiile de transmitere și recepție sunt transparente aplicației, lăsând la latitudinea nucleului încapsularea și transmiterea acestora în rețea. Este, însă, posibilă implementarea stivei TCP/IP în user-space folosind sockeți raw (opțiunea PF_PACKET la crearea unui socket), sau implementarea unui protocol de nivel aplicație în kernel (TUX web server).

Pentru mai multe detalii despre programarea în user-space folosind sockeți, consultați Beej's Guide to Network Programming Using Internet Sockets .

Kernel-ul Linux oferă trei structuri fundamentale pentru lucrul cu pachetele de rețea: struct socket, struct sock și struct sk_buff.

Primele două reprezintă abstractizări ale unui socket:

• struct socket este o abstractizare foarte aproape de user-space, adică de sockeții BSD folosiți pentru programarea aplicațiilor de rețea.
• struct sock sau INET socket în terminologia Linux este reprezentarea la nivel rețea a unui socket.

Cele doua structuri sunt corelate: struct socket conține un câmp de INET socket, iar struct sock are un BSD socket care îl deține.

Structura struct sk_buff este reprezentarea unui pachet de rețea și a stării acestuia. O astfel de structură este creată la sosirea unui pachet în kernel, fie din user-space, fie de la placa de rețea.

Structura struct socket este reprezentarea în kernel a unui socket BSD, operațiile care pot fi executate asupra acestuia fiind similare cu cele expuse de kernel aplicațiilor (prin apeluri de sistem). Operațiile comune de lucru cu sockeții (creare, inițializare/bind, închidere, etc.), rezultă în apeluri de sistem specifice; acestea operează asupra unei structuri de tipul struct socket.

Operațiile asupra struct socket sunt descrise în net/socket.c și sunt independente de tipul de protocoale de mai jos. Structura struct socket este, astfel, o interfață generică peste implementări particulare de operații de rețea. De obicei, numele acestor operații încep cu șirul sock_.

Operații asupra unui socket sunt:

Crearea este asemănătoare apelului socket din user-space, dar socket-ul creat struct socket, va fi întors în parametrul res:

• int sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
  • funcție apelată pentru crearea unui socket în urma unui apel de sistem socket;
• int sock_create_kern(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
  • funcție apelată pentru crearea unui socket în kernel;
• int sock_create_lite(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
  • funcție 'lite' cu eliminarea verificării parametrilor.

Parametrii acestor apeluri sunt următorii:

• family reprezintă familia protocoalelor utilizate în transferul informației; de obicei, acestea încep cu șirul PF_ (Protocol Family); constantele care reprezintă familia de protocoale utilizate se găsesc în linux/socket.h, dintre care cea mai utilizată este PF_INET, pentru protocoalele TCP/IP.
• type reprezintă tipul de socket; constantele utilizate pentru acest parametru se găsesc în linux/net.h, dintre care cele mai utilizate sunt SOCK_STREAM pentru o comunicație bazată pe conexiune între sursă și destinație și SOCK_DGRAM pentru o comunicație fără conexiune.
• protocol reprezintă protocolul utilizat și este în strânsă legătură cu parametrul type; constatele utilizate pentru acest parametru se găsesc în linux/in.h, dintre care cele mai folosite sunt IPPROTO_TCP pentru TCP și IPPROTO_UDP pentru UDP.

Pentru crearea unui socket TCP în kernel se va apela:

struct socket *sock;
int err;
err = sock_create_kern(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP, &sock);
if(err < 0) {
    /* handle error */
}

iar pentru crearea unui socket UDP:

struct socket *sock;
int err;
err = sock_create_kern(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP, &sock);
if(err < 0) {
    /* error */
}

Un exemplu de utilizare poate fi urmărit în codul handler-ului pentru apelul de sistem sys_socket:

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
	int retval;
	struct socket *sock;
	int flags;
 
	/* Check the SOCK_* constants for consistency.  */
	BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
	BUILD_BUG_ON((SOCK_MAX | SOCK_TYPE_MASK) != SOCK_TYPE_MASK);
	BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC & SOCK_TYPE_MASK);
	BUILD_BUG_ON(SOCK_NONBLOCK & SOCK_TYPE_MASK);
 
	flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
	if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
		return -EINVAL;
	type &= SOCK_TYPE_MASK;
 
	if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
		flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;
 
	retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
	if (retval < 0)
		goto out;
 
	retval = sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
	if (retval < 0)
		goto out_release;
 
out:
	/* It may be already another descriptor 8) Not kernel problem. */
	return retval;
 
out_release:
	sock_release(sock);
	return retval;
}

Închiderea conexiunii (pentru socket cu conexiune) și eliberarea resurselor asociate:

• void sock_release(struct socket *sock) - această funcție va apela funcția release din câmpul ops al structurii socket-ului:

void sock_release(struct socket *sock)
{
	if (sock->ops) {
		struct module *owner = sock->ops->owner;
 
		sock->ops->release(sock);
		sock->ops = NULL;
		module_put(owner);
	}
	//...
}

Transmiterea/recepția mesajelor se face cu ajutorul funcțiilor:

• int sock_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size, int flags);
• int kernel_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, struct kvec *vec, size_t num, size_t size, int flags);
• int sock_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size);
• int kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, struct kvec *vec, size_t num, size_t size);

Funcțiile de transmitere/recepție de mesaj vor apela ulterior funcția sendmsg/recvmsg din câmpul ops al socket-ului. Funcțiile ce conțin kernel_ ca prefix sunt folosite în cazul în care socket-ul este utilizat în cadrul kernel-ului.

Parametrii acestor funcții sunt următorii:

• msg, o structura struct msghdr, ce conține mesajul de transmis/recepționat. Dintre componentele importante ale acestei structuri avem:
  • msg_name, msg_namelen, care pentru socket-i UDP trebuie completați cu adresa la care se transmite mesajul (struct sockaddr_in)
  • msg_iov, msg_iovlen, datele de transmis, într-un vector de structuri struct iovec. O structură iovec conține un pointer către buffer-ul ce conține datele și dimensiunea acestuia.
• vec, o structură kvec, ce conține un pointer către buffer-ul ce conține datele și dimensiunea acestuia; după cum se poate observa, are o structură similară cu structura struct iovec (structura iovec corespunde datelor user space, iar structura kvec corespunde datelor kernel space)

Modul de lucru cu funcțiile de transmitere poate fi urmărit în cadrul handler-ului pentru apelul de sistem sys_sendto:

SYSCALL_DEFINE6(sendto, int, fd, void __user *, buff, size_t, len,
                unsigned, flags, struct sockaddr __user *, addr,
                int, addr_len)
{
         struct socket *sock;
         char address[MAX_SOCK_ADDR];
         int err;
         struct msghdr msg;
         struct iovec iov;
         int fput_needed;
         struct file *sock_file;
 
         sock_file = fget_light(fd, &fput_needed);
         err = -EBADF;
         if (!sock_file)
                 goto out;
 
         sock = sock_from_file(sock_file, &err);
         if (!sock)
                 goto out_put;
         iov.iov_base = buff;
         iov.iov_len = len;
         msg.msg_name = NULL;
         msg.msg_iov = &iov;
         msg.msg_iovlen = 1;
         msg.msg_control = NULL;
         msg.msg_controllen = 0;
         msg.msg_namelen = 0;
         if (addr) {
                 err = move_addr_to_kernel(addr, addr_len, address);
                 if (err < 0)
                         goto out_put;
                 msg.msg_name = address;
                 msg.msg_namelen = addr_len;
         }
         if (sock->file->f_flags & O_NONBLOCK)
                 flags |= MSG_DONTWAIT;
         msg.msg_flags = flags;
         err = sock_sendmsg(sock, &msg, len);
 
out_put:
         fput_light(sock_file, fput_needed);
out:
         return err;
}

Structura struct socket:

/**
  *  struct socket - general BSD socket
  *  @state: socket state (%SS_CONNECTED, etc)
  *  @type: socket type (%SOCK_STREAM, etc)
  *  @flags: socket flags (%SOCK_ASYNC_NOSPACE, etc)
  *  @ops: protocol specific socket operations
  *  @fasync_list: Asynchronous wake up list
  *  @file: File back pointer for gc
  *  @sk: internal networking protocol agnostic socket representation
  *  @wait: wait queue for several uses
  */
struct socket {
        socket_state            state;
        short                   type;
        unsigned long           flags;
        /*
         * Please keep fasync_list & wait fields in the same cache line
         */
        struct fasync_struct    *fasync_list;
        wait_queue_head_t       wait;
 
        struct file             *file;
        struct sock             *sk;
        const struct proto_ops  *ops;
};

Câmpuri importante sunt:

• ops - structura ce conține pointeri la funcțiile specifice protocolului implementat;
• sk - INET socket-ul asociat.

Structura struct proto_ops conține implementările operațiilor specifice protocolului implementat (TCP, UDP, etc.); funcțiile de aici vor fi apelate din funcțiile generice de lucru cu struct socket (sock_release, sock_sendmsg, etc.)

Structura struct proto_ops conține, așadar, o serie de pointeri de funcții pentru implementări specifice de protocol:

struct proto_ops {
	int		family;
	struct module	*owner;
	int		(*release)   (struct socket *sock);
	int		(*bind)	     (struct socket *sock,
				      struct sockaddr *myaddr,
				      int sockaddr_len);
	int		(*connect)   (struct socket *sock,
				      struct sockaddr *vaddr,
				      int sockaddr_len, int flags);
	int		(*socketpair)(struct socket *sock1,
				      struct socket *sock2);
	int		(*accept)    (struct socket *sock,
				      struct socket *newsock, int flags);
	//...

Inițializarea câmpului ops din struct socket se realizează în funcția __sock_create, prin apelul funcției create specifică protocolului; un apel echivalent este următorul:

//...
        if ((err = net_families[family]->create(net, sock, protocol)) < 0) {
                sock->ops = NULL;
                goto out_module_put;
        }
//...

Se va realiza astfel instanțierea pointerilor de funcții cu apeluri specifice tipului de protocol asociat socket-ului. Apelurile sock_register și sock_unregister sunt folosite pentru completarea vectorului net_families.

Pentru restul operațiilor cu socketi (în afară de creare, închidere și transmitere/recepție mesaj, prezentate mai sus, în secțiunea Operații asupra structurii socket), se vor apela funcțiile date de pointerii din această structură. Spre exemplu, pentru operația bind, care asociază unui socket un port pe mașina locală, vom avea următoarea secvență de cod:

#define MY_PORT 60000
 
struct sockaddr_in addr = {
    .sin_family = AF_INET,
    .sin_port = htons (MY_PORT),
    .sin_addr = { htonl (INADDR_LOOPBACK) }
};
 
//...
 
err = sock->ops->bind (sock, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));
if (err < 0) {
    /* handle error */
}
//...

După cum se poate observa, pentru transmiterea informațiilor legate de adresa și portul care se vor asocia socket-ului, se completează o structură struct sockaddr_in. ¹⁾

Structura struct sock descrie un INET socket. O astfel de structură este asociată unui socket creat în user-space și, implicit, unei structuri struct socket. Structura este folosită pentru a menține informații despre starea unei conexiuni. Câmpurile structurii și operațiile asociate încep, de obicei, cu șirul sk_. Câteva câmpuri sunt prezentate mai jos:

struct sock {
	//...
	unsigned char		sk_protocol;
	unsigned short		sk_type;
	//...
	struct socket		*sk_socket;
	//...
	struct sk_buff		*sk_send_head;
	//...
	void			(*sk_state_change)(struct sock *sk);
	void			(*sk_data_ready)(struct sock *sk, int bytes);
	void			(*sk_write_space)(struct sock *sk);
	void			(*sk_error_report)(struct sock *sk);
  	int			(*sk_backlog_rcv)(struct sock *sk,
						  struct sk_buff *skb);
	void                    (*sk_destruct)(struct sock *sk);
};

• sk_protocol este tipul de protocol utilizat de socket;
• sk_type este tipul de socket (SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, etc.)
• sk_socket este socket-ul BSD care îl deține;
• sk_send_head este lista de structuri sk_buff pentru transmitere;
• pointerii de funcții de la sfârșit sunt callback-uri pentru diverse situații.

Inițializarea struct sock și atașarea acesteia la un socket BSD se face cu ajutorul callback-ului create din net_families (apelat in __sock_create). Mai jos este prezentat modul de inițializare a structurii struct sock pentru protocolul IP, în cadrul funcției inet_create:

/*
  *	Create an inet socket.
  */
 
static int inet_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol)
{
	struct sock *sk;
 
	//...
	err = -ENOBUFS;
	sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot);
	if (sk == NULL)
		goto out;
 
	err = 0;
	sk->sk_no_check = answer_no_check;
	if (INET_PROTOSW_REUSE & answer_flags)
		sk->sk_reuse = 1;
 
	//...
	sock_init_data(sock, sk);
 
	sk->sk_destruct	   = inet_sock_destruct;
	sk->sk_family	   = PF_INET;
	sk->sk_protocol	   = protocol;
	sk->sk_backlog_rcv = sk->sk_prot->backlog_rcv;
	//...
}

Structura struct sk_buff (socket buffer) descrie un pachet de rețea. Câmpurile structurii conțin informații atât despre antetele și conținutul pachetelor cât și protocoalele utilizate, dispozitivul de rețea utilizat, pointeri către celelalte structuri struct sk_buff. O descriere sumară a conținutului structurii este prezentată mai jos:

 struct sk_buff {
         /* These two members must be first. */
         struct sk_buff          *next;
         struct sk_buff          *prev;
 
         struct sock             *sk;
         ktime_t                 tstamp;
         struct net_device       *dev;
 
         struct  dst_entry       *dst;
         struct  sec_path        *sp;
 
         /*
          * This is the control buffer. It is free to use for every
          * layer. Please put your private variables there. If you
          * want to keep them across layers you have to do a skb_clone()
          * first. This is owned by whoever has the skb queued ATM.
          */
         char                    cb[48];
 
         unsigned int            len,
                                 data_len;
         __u16                   mac_len,
                                 hdr_len;
 
         /* ... */
 
         void                    (*destructor)(struct sk_buff *skb);
 
         /* ... */
 
         sk_buff_data_t          transport_header;
         sk_buff_data_t          network_header;
         sk_buff_data_t          mac_header;
 
         /* These elements must be at the end, see alloc_skb() for details.  */
         sk_buff_data_t          tail;
         sk_buff_data_t          end;
         unsigned char           *head,
                                 *data;
         unsigned int            truesize;
         atomic_t                users;
 };

unde:

• next și prev sunt pointeri către următorul, respectiv precedentul element din lista de buffer-e;
• dev este device-ul care transmite sau primește buffer-ul;
• sk este socket-ul asociat buffer-ului;
• destructor este apelul callback de dealocare a buffer-ului;
• transport_header, network header și mac_header sunt offset-uri între începutul pachetului si începutul diverselor headere din pachet. Ele sunt menținute intern de diversele niveluri de procesare prin care trece pachetul. Pentru a obține pointeri către headere, folosiți una din următoarele funcții: tcp_hdr, udp_hdr, ip_hdr, etc. În principiu, fiecare protocol oferă o funcție de a obține o referință la header-ul respectivului protocol din cadrul unui pachet primit. De reținut: câmpul network_header nu este setat decât după ce pachetul ajunge la nivelul rețea, iar câmpul transport_header nu este setat decât după ce pachetul ajunge la nivelul transport.

Structura unui antet IP (struct iphdr) are următoarele câmpuri:

struct iphdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
         __u8    ihl:4,
                 version:4;
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
         __u8    version:4,
                 ihl:4;
#else
#error  "Please fix <asm/byteorder.h>"
#endif
         __u8    tos;
         __be16  tot_len;
         __be16  id;
         __be16  frag_off;
         __u8    ttl;
         __u8    protocol;
         __sum16 check;
         __be32  saddr;
         __be32  daddr;
         /*The options start here. */
};

unde:

• protocol reprezintă protocolul de nivel transport utilizat;
• saddr reprezintă adresa IP a nodului sursă;
• daddr reprezintă adresa IP a nodului destinație.

Structura unui antet TCP (struct tcphdr) are următoarele câmpuri:

struct tcphdr {
         __be16  source;
         __be16  dest;
         __be32  seq;
         __be32  ack_seq;
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
         __u16   res1:4,
                 doff:4,
                 fin:1,
                 syn:1,
                 rst:1,
                 psh:1,
                 ack:1,
                 urg:1,
                 ece:1,
                 cwr:1;
#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
         __u16   doff:4,
                 res1:4,
                 cwr:1,
                 ece:1,
                 urg:1,
                 ack:1,
                 psh:1,
                 rst:1,
                 syn:1,
                 fin:1;
#else
#error  "Adjust your <asm/byteorder.h> defines"
#endif
         __be16  window;
         __sum16 check;
         __be16  urg_ptr;
};

• source reprezintă portul sursă
• dest reprezintă portul destinație
• syn, ack, fin sunt flag-uri folosite în protocolul TCP; pentru detalii studiați această diagramă.

Structura unui antet UDP (struct udphdr) are următoarele câmpuri:

struct udphdr {
         __be16  source;
         __be16  dest;
         __be16  len;
         __sum16 check;
};

• source reprezintă portul sursă
• dest reprezintă portul destinație

Un exemplu de accesare a informațiilor prezente în antetele unui pachet de rețea este următorul:

struct sk_buff *skb;
 
struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);                 /* IP header */
/* iph->saddr  - source IP address */
/* iph->daddr  - destination IP address */
if (iph->protocol == IPPROTO_TCP) {              /* TCP protocol */
    struct tcphdr *tcph = tcp_hdr(skb);          /* TCP header */
    /* tcph->source  - source TCP port */
    /* tcph->dest    - destination TCP port */
} else if (iph->protocol == IPPROTO_UDP) {       /* UDP protocol */
    struct udphdr *udph = udp_hdr(skb);          /* UDP header */
    /* udph->source  - source UDP port */
    /* udph->dest    - destination UDP port */
}

În sisteme diferite, există mai multe variante pentru ordonarea octeților într-un cuvânt (Endianness), printre care: Big Endian (cel mai semnificativ octet primul) și Little Endian (cel mai puțin semnificativ octet primul). Având în vedere că o rețea interconectează sisteme cu platforme diferite, Internet-ul a impus o secvență standard pentru stocarea datelor numerice, numită network byte-order. Spre deosebire, secvența octeților pentru reprezentarea datelor numerice pe calculatorul gazdă se numește host byte-order. Datele primite/trimise din/în rețea sunt în formatul network byte-order și trebuie facută conversia între acest format și host byte-order.

Pentru conversie există urmatoarele macrodefiniții:

• u16 htons(u16 x)
  • convertește un întreg pe 16 biți din host byte-order în network byte-order (host to network short)
• u32 htonl(u32 x)
  • convertește un întreg pe 32 de biți din host byte-order în network byte-order (host to network long)
• u16 ntohs(u16 x)
  • convertește un întreg pe 16 biți din network byte-order în host byte-order (network to host short)
• u32 ntohl(u32 x)
  • convertește un întreg pe 32 de biți din network byte-order în host byte-order (network to host long)

Netfilter este denumirea interfeței de kernel pentru captura pachetelor de rețea cu scopul de modificare/analiză a acestora (pentru filtrare, NAT, etc.). Interfața netfilter este utilizată în user-space de iptables.

În kernel-ul Linux, captura de pachete folosind netfilter se realizează prin atașarea unor hook-uri. Hook-urile pot fi precizate în diferite locații din traseul urmat de un pachet de rețea în kernel, în funcție de necesitate. O organigramă cu traseul urmat de un pachet și zonele posibile de plasare a unui hook găsiți aici.

Header-ul inclus atunci când se folosește netfilter este linux/netfilter.h.

Un hook se definește prin intermediul structurii struct nf_hook_ops:

struct nf_hook_ops {
	struct list_head        list;
 
	/* User fills in from here down. */
	nf_hookfn               *hook;
	struct net_device       *dev;
	void                    *priv;
	u_int8_t                pf;
	unsigned int            hooknum;
	/* Hooks are ordered in ascending priority. */
	int                     priority;
};

În cadrul structurii struct nf_hook_ops, pf este tipul pachetului (PF_INET, etc.). priority este prioritatea; prioritățile sunt definite în uapi/linux/netfilter_ipv4.h:

enum nf_ip_hook_priorities {
	NF_IP_PRI_FIRST = INT_MIN,
	NF_IP_PRI_CONNTRACK_DEFRAG = -400,
	NF_IP_PRI_RAW = -300,
	NF_IP_PRI_SELINUX_FIRST = -225,
	NF_IP_PRI_CONNTRACK = -200,
	NF_IP_PRI_MANGLE = -150,
	NF_IP_PRI_NAT_DST = -100,
	NF_IP_PRI_FILTER = 0,
	NF_IP_PRI_SECURITY = 50,
	NF_IP_PRI_NAT_SRC = 100,
	NF_IP_PRI_SELINUX_LAST = 225,
	NF_IP_PRI_CONNTRACK_HELPER = 300,
	NF_IP_PRI_CONNTRACK_CONFIRM = INT_MAX,
	NF_IP_PRI_LAST = INT_MAX,
};

net_device reprezintă dispozitivul (interfața de rețea) pe care se dorește realizată captura.

În momentul în care un pachet este capturat, modul de prelucrare este definit de câmpurile hooknum și hook. hooknum este tipul de hook utilizat; pentru IP, tipurile de hook-uri sunt definite în linux/netfilter.h:

enum nf_inet_hooks {
	NF_INET_PRE_ROUTING,
	NF_INET_LOCAL_IN,
	NF_INET_FORWARD,
	NF_INET_LOCAL_OUT,
	NF_INET_POST_ROUTING,
	NF_INET_NUMHOOKS
};

hook este handler-ul apelat in momentul capturării unui pachet de rețea (pachet transmis în forma unei structuri struct sk_buff). Câmpul priv reprezintă o informație privată transmisă handler-ului. Prototipul handler-ului de captură este definit de tipul nf_hookfn:

struct nf_hook_state {
	unsigned int hook;
	int thresh;
	u_int8_t pf;
	struct net_device *in;
	struct net_device *out;
	struct sock *sk;
	struct net *net;
	struct nf_hook_entry __rcu *hook_entries;
	int (*okfn)(struct net *, struct sock *, struct sk_buff *);
};
 
typedef unsigned int nf_hookfn(void *priv,
			       struct sk_buff *skb,
			       const struct nf_hook_state *state);

În cazul funcției de captură de tipul nf_hookfn, câmpul priv reprezintă informația privată cu care a fost inițializată structura de tipul struct nf_hook_ops. skb este pointer la pachet-ul de rețea capturat; pe baza informațiilor din skb se iau deciziile de filtrare a pachetului. Parametrul state al funcției reprezintă informațiile de stare legate de captura pachetului, incluzând interfața de intrare, interfața de ieșire, prioritatea, numărul hook-ului. Prioritatea și numărul hook-ului sunt utile pentru a permite ca aceeași funcție să fie apelată de mai multe hook-uri.

Un handler de captură poate întoarce una din constantele NF_*:

/* Responses from hook functions. */
#define NF_DROP 0
#define NF_ACCEPT 1
#define NF_STOLEN 2
#define NF_QUEUE 3
#define NF_REPEAT 4
#define NF_STOP 5
#define NF_MAX_VERDICT NF_STOP

NF_DROP este folosit pentru a filtra (ignora) un pachet, iar NF_ACCEPT este folosit pentru a accepta un pachet și a-l transmite mai departe.

Înregistrarea/deînregistrarea unui hook se realizează cu ajutorul funcțiilor definite în linux/netfilter.h:

/* Function to register/unregister hook points. */
int nf_register_hook(struct nf_hook_ops *reg);
void nf_unregister_hook(struct nf_hook_ops *reg);
int nf_register_hooks(struct nf_hook_ops *reg, unsigned int n);
void nf_unregister_hooks(struct nf_hook_ops *reg, unsigned int n);

// Pentru pachete TCP (iph->protocol == IPPROTO_TCP)
tcph = (struct tcphdr*)((__u32*)iph + iph->ihl);
// Pentru pachete UDP (iph->protocol == IPPROTO_UDP)
udph = (struct udphdr*)((__u32*)iph + iph->ihl);

Un exemplu de utilizare a unui hook netfilter este prezentat mai jos:

#include <linux/netfilter.h>
#include <linux/netfilter_ipv4.h>
#include <linux/net.h>
#include <linux/in.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/tcp.h>
 
static unsigned int my_nf_hookfn(void *priv,
		struct sk_buff *skb,
		const struct nf_hook_state *state)
{
	/* process packet */
	//...
 
	return NF_ACCEPT;
}
 
static struct nf_hook_ops my_nfho = {
	.hook        = my_nf_hookfn,
	.hooknum     = NF_INET_LOCAL_OUT,
	.pf          = PF_INET,
	.priority    = NF_IP_PRI_FIRST
};
 
int __init my_hook_init(void)
{
	return nf_register_hook(&my_nfho);
}
 
void __exit my_hook_exit(void)
{
	nf_unregister_hook(&my_nfho);
}
 
module_init(my_hook_init);
module_exit(my_hook_exit);

Cand se dezvolta aplicații care includ o parte de networking, una din cele mai folosite unelte este netcat. Supranumit și “Swiss-army knife for TCP/IP”, netcat permite printre altele:

• Inițierea de conexiuni TCP;
• Așteptarea unei conexiuni TCP;
• Trimiterea și primirea de pachete UDP;
• Afișarea traficului sub forma de hexdump;
• Execuția unui program la stabilirea conexiunii (de exemplu, un shell);
• Setarea unor opțiuni speciale în pachetele trimise.

Pentru a iniția o conexiune TCP:

nc hostname port

Pentru a asculta pe un port TCP:

nc -l -p port

Primirea și trimiterea pachetelor UDP se realizează adăugând opțiunea -u în linia de comandă.

Observație: numele comenzii este nc; de multe ori netcat este un alias pentru această comandă. Există și alte implementări ale comenzii netcat, unele având parametrii puțin diferiți față de implementarea clasică. Consultați man nc sau rulați nc -h pentru a vedea modul de utilizare.

Pentru mai multe informații despre netcat, citiți acest tutorial.

• Understanding Linux Network Internals
• Linux IP networking
• Linux Networking Kernel
• The TUX Web Server
• Beej's Guide to Network Programming Using Internet Sockets
• Kernel Korner - Network Programming in the Kernel
• Hacking the Linux Kernel Network Stack
• The netfilter.org project
• Using Netfilter hooks
• The Netfilter Architecture of Linux 2.4
• Linux Foundation Networking Page