走进Linux内核之XFRM框架

青旅半醒 2022-09-12 04:55 379阅读 0赞

# 走进Linux内核之XFRM框架 #

> 初次发表[掘金][Link 1]

> 笔者此前对Linux内核相关模块稍有研究，实现内核级通信加密、视频流加密等，涉及：Linux内核网络协议栈、Linux内核通信模块、Linux内核加密模块、秘钥生成分发等。  
> 后续考虑开设Linux内核专栏。

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### 目录 ###

*  走进Linux内核之XFRM框架
 *   *  概述：什么是XFRM框架
     *  XFRM初始：XFRM Init
     *  XFRM策略：XFRM Policy
     *  XFRM状态：XFRM State
     *  XFRM模板：XFRM TMPL
     *  扩展阅读

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在此前的文章中讨论了Linux内核中Netfilter子系统的基本架构及其实现原理，本篇文章将讨论Linux内核另一个重要的子系统——XFRM框架。

下面开始上才艺，带你走进Linux内核之XFRM框架。

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## 概述：什么是XFRM框架 ##

XFRM的正确读音是transform(转换), 这表示内核协议栈收到的IPsec报文需要经过转换才能还原为原始报文；

同样地，要发送的原始报文也需要转换为IPsec报文才能发送出去。

IPsec（Internet协议安全）应该很多人都听过，IPsec是一组协议，他们通过对通信会话中的每个数据包进行身份验证和加密，以确保IP流量的安全。

XFRM框架是IPsec的“基础设施”，IPsec通过XFRM框架实现的。XFRM源自USAGI项目，该项目旨在提供适用于生产环境的IPv6和IPsec协议栈。自内核2.5之后引入了XFRM框架，这个“基础设施”独立于协议簇，包含可同时应用于IPv4和IPv6的通用部分，位于源代码的`net/xfrm/`目录下。

XFRM框架支持网络命名空间。这是一种轻型的进程虚拟化，它可以使得一个或者一组进程有属于自己的网络栈。每个网络命名空间都含有一个名为`xfrm`的成员——一个`netns_xfrm`结构实例。这个对象包含着许多的数据结构和变量，例如：XFRM策略散列表、XFRM状态散列表、sysctl参数、XFRM状态垃圾收集器、计数器等。

`netns_xfrm`结构体定义，文件路径`include/net/netns/xfrm.h`

struct netns_xfrm {
        
            struct hlist_head       *state_bydst;
            struct hlist_head       *state_bysrc;
            struct hlist_head       *state_byspi;
            . . .
            unsigned int            state_num;
            . . .
     
            struct work_struct      state_gc_work;
     
            . . .
     
            u32                     sysctl_aevent_etime;
            u32                     sysctl_aevent_rseqth;
            int                     sysctl_larval_drop;
            u32                     sysctl_acq_expires;
    };

## XFRM初始：XFRM Init ##

在IPv4中，XFRM初始化是通过在`ip_rt_init()`函数（位于`net/ipv4/route.c`文件）调用相关函数完成，函数调用结构为：`ip_rt_init()->xfrm4_init()->xfrm_init()`。

而在IPv6中，在`ipv6_route_init()`函数中调用`xfrm6_init()`方法实现了XFRM的初始化。

用户空间和内核之间的通信创建`NETLINK_XFRM`类型`netlink`套接字(socket)以及发送和接收`netlink`消息来完成。内核`NETLINK_XFRM Netlink`套接字是在下面的函数中完成创建。

static int __net_init xfrm_user_net_init(struct net *net)
    {
        
            struct sock *nlsk;
            struct netlink_kernel_cfg cfg = {
        
                    .groups = XFRMNLGRP_MAX,
                    .input  = xfrm_netlink_rcv,
            };
     
            nlsk = netlink_kernel_create(net, NETLINK_XFRM, &cfg);
            . . .
            return 0;
    }

从用户空间发出的消息（比如XFRM\_MSG\_NEWPOLICY创建新的安全策略或者XFRM\_MSG\_NEWSA创建新的安全联盟）会被xfrm\_netlink\_rcv()方法处理，该方法又会被xfrm\_user\_rcv\_msg()方法调用（第二章曾讨论过netlink套接字）。

XFRM策略和XFRM状态是XFRM框架的基础数据结构，接下来我将陆续介绍什么是**XFRM策略**以及**XFRM状态**。

## XFRM策略：XFRM Policy ##

安全策略是一种规则，告诉IPsec一条特定流量是否应该处理或者旁路，xfrm\_policy结构用来描述IPsec策略。一个安全策略包含一个选择器（一个xfrm\_selector对象）。当其选择器匹配一条流时会提供一种策略。XFRM选择器有一系列属性组成：比如source和destination address、source和destination port、protocol等等，用这些属性来识别一条流：

文件路径：`include/uapi/linux/xfrm.h`

struct xfrm_selector {
        
            xfrm_address_t  daddr;
            xfrm_address_t  saddr;
            __be16  dport;
            __be16  dport_mask;
            __be16  sport;
            __be16  sport_mask;
            __u16   family;
            __u8    prefixlen_d;
            __u8    prefixlen_s;
            __u8    proto;
            int     ifindex;
            __kernel_uid32_t        user;
    };

xfrm\_selector\_match()方法使用XFRM selector、flow和family（IPv4对应AF\_INET，IPv6对应AF\_INET6）作为参数，当特定XFRM流量匹配中特定选择器时返回true。注意xfrm\_selector结构同样用在XFRM状态中。

安全策略（Security Policy）使用xfrm\_policy结构表示,xfrm\_policy结构用于描述SP在内核内部的具体实现:

文件路径：`include/net/xfrm.h`

struct xfrm_policy
    {
        
     struct xfrm_policy *next; // 下一个策略
     struct hlist_node bydst; // 按目的地址HASH的链表
     struct hlist_node byidx; // 按索引号HASH的链表
     /* This lock only affects elements except for entry. */
     rwlock_t  lock;  // 策略结构锁
     atomic_t  refcnt; // 引用次数
     struct timer_list timer; // 策略定时器
     u8   type;     // 类型
     u32   priority; // 策略优先级
     u32   index;    // 策略索引号
     struct xfrm_selector selector; // 选择子
     struct xfrm_lifetime_cfg lft;     // 策略生命期
     struct xfrm_lifetime_cur curlft;  // 当前的生命期数据
     struct dst_entry       *bundles;  // 路由链表
     __u16   family;   // 协议族
     __u8   action;   // 策略动作, 接受/加密/阻塞...
     __u8   flags;    // 标志
     __u8   dead;     // 策略死亡标志
     __u8   xfrm_nr;  // 使用的xfrm_vec的数量
     struct xfrm_sec_ctx *security; // 安全上下文
     struct xfrm_tmpl        xfrm_vec[XFRM_MAX_DEPTH]; // 状态模板
    };

这个结构的字段很多，但大部分并不用关心，我们重点关注下面列举出的这几个字段就行:

*  selector：表示该Policy匹配的流的特征
 *  action：取值为XFRM\_POLICY\_ALLOW(0)或XFRM\_POLICY\_BLOCK(1)，前者表示允许该流量，后者表示不允许。
 *  xfrm\_nr: 表示与这条Policy关联的template的数量，template可以理解为xfrm\_state的简化版本，xfrm\_nr决定了流量进行转换的次数，通常这个值为1
 *  xfrm\_vec: 表示与这条Policy关联的template，数组的每个元素是xfrm\_tmpl, 一个xfrm\_tmpl可以还原(resolve)成一个完成state.

用户可以通过下面命令，列出当前主机上的xfrm\_policy

ip xfrm policy ls

src 10.1.0.0/16 dst 10.2.0.0/16 uid 0
    	dir out action allow index 5025 priority 383615 ptype main share any flag  (0x00000000)
    	lifetime config:
    	  limit: soft (INF)(bytes), hard (INF)(bytes)
    	  limit: soft (INF)(packets), hard (INF)(packets)
    	  expire add: soft 0(sec), hard 0(sec)
    	  expire use: soft 0(sec), hard 0(sec)
    	lifetime current:
    	  0(bytes), 0(packets)
    	  add 2019-09-02 10:25:39 use 2019-09-02 10:25:39
    	tmpl src 192.168.0.1 dst 192.168.0.2
    		proto esp spi 0xc420a5ed(3290473965) reqid 1(0x00000001) mode tunnel
    		level required share any 
    		enc-mask ffffffff auth-mask ffffffff comp-mask ffffffff

## XFRM状态：XFRM State ##

结构`xfrm_state`表示IPsec安全关联(include/net/xfrm.h)。它表示的是单向流量，包含加密密钥、标志、请求ID、统计信息、重放参数等信息。要添加XFRM状态，可从用户空间套接字发送请求`XFRM_MSG_NEWSA`，在内核中，这种请求方法由`xfrm_state_add()`处理（位于文件net/xfrm/xfrm\_user.c）。同样，要删除状态，可发送`XFRM_MSG_NEWSAXFRM_MSG_DELSA`消息，在内核中，这种请求方法由`xfrm_del_sa()`处理。  
xfrm\_state状态结构用来描述SA在内核中的具体实现:

struct xfrm_state\
    {
        \
     /* Note: bydst is re-used during gc */\
    // 每个状态结构挂接到三个HASH链表中\
     struct hlist_node bydst; // 按目的地址HASH\
     struct hlist_node bysrc; // 按源地址HASH\
     struct hlist_node byspi; // 按SPI值HASH
    
     atomic_t  refcnt; // 所有使用计数\
     spinlock_t  lock;   // 状态锁
    
     struct xfrm_id  id; // ID结构， 即目的地址，SPI，协议三元组\
     struct xfrm_selector sel; // 状态选择子
    
     u32   genid; // 状态的标志值, 防止发生碰撞
    
     /* Key manger bits */\
     struct {
        \
      u8  state;\
      u8  dying;\
      u32  seq;\
     } km;  // KEY回调管理处理结构参数
    
     /* Parameters of this state. */\
     struct {
        \
      u32  reqid; // 请求ID\
      u8  mode;  // 模式: 传输/通道\
      u8  replay_window; // 回放窗口\
      u8  aalgo, ealgo, calgo; // 认证,加密,压缩算法ID值\
      u8  flags; // 一些标准\
      u16  family; // 协议族\
      xfrm_address_t saddr;  // 源地址\
      int  header_len;  // 添加的协议头长度\
      int  trailer_len; //\
     } props; // SA相关参数结构
    
     struct xfrm_lifetime_cfg lft; // 生存时间配置
    
     /* Data for transformer */\
     struct xfrm_algo *aalg; // hash算法\
     struct xfrm_algo *ealg; // 加密算法\
     struct xfrm_algo *calg; // 压缩算法
    
     /* Data for encapsulator */\
     struct xfrm_encap_tmpl *encap; // NAT-T封装信息
    
     /* Data for care-of address */\
     xfrm_address_t *coaddr;
    
     /* IPComp needs an IPIP tunnel for handling uncompressed packets */\
     struct xfrm_state *tunnel;  // 通道, 实际是另一个SA
    
     /* If a tunnel, number of users + 1 */\
     atomic_t  tunnel_users; // 通道的使用数
    
     /* State for replay detection */\
     struct xfrm_replay_state replay; // 回放检测结构,包含各种序列号掩码等信息
    
     /* Replay detection state at the time we sent the last notification */\
     struct xfrm_replay_state preplay; // 上次的回放记录值
    
     /* internal flag that only holds state for delayed aevent at the\
      * moment\
     */\
     u32   xflags; // 标志
    
     /* Replay detection notification settings */\
     u32   replay_maxage; // 回放最大时间间隔\
     u32   replay_maxdiff; // 回放最大差值
    
     /* Replay detection notification timer */\
     struct timer_list rtimer; // 回放检测定时器
    
     /* Statistics */\
     struct xfrm_stats stats; // 统计值
    
     struct xfrm_lifetime_cur curlft; // 当前时间计数器\
     struct timer_list timer;  // SA定时器
    
     /* Last used time */\
     u64   lastused; // 上次使用时间
    
     /* Reference to data common to all the instances of this\
      * transformer. */\
     struct xfrm_type *type;  // 协议, ESP/AH/IPCOMP\
     struct xfrm_mode *mode;  // 模式, 通道或传输
    
     /* Security context */\
     struct xfrm_sec_ctx *security; // 安全上下文, 加密时使用
    
     /* Private data of this transformer, format is opaque,\
      * interpreted by xfrm_type methods. */\
     void   *data; // 内部数据\
    };

xfrm\_state包含的字段很多，这里就不贴了，仅仅列出其中最重要的字段：

*  id: 它是一个xfrm\_id结构，包含该SA的目的地址、SPI、和协议(AH/ESP)
 *  props：表示该SA的其他属性，包括IPsec Mode(Transport/Tunnel)、源地址等信息

每个xfrm\_state在内核中会加入多个哈希表，因此，内核可以从多个特征查找到同一个个SA：

*  xfrm\_state\_lookup()： 通过指定的SPI信息查找SA
 *  xfrm\_state\_lookup\_byaddr(): 通过源地址查找SA
 *  xfrm\_state\_find(): 通过目的地址查找SA

用户可以通过下面命令，列出当前主机上的xfrm\_state

ip xfrm state ls

src 192.168.0.1 dst 192.168.0.2
    	proto esp spi 0xc420a5ed(3290473965) reqid 1(0x00000001) mode tunnel
    	replay-window 0 seq 0x00000000 flag af-unspec (0x00100000)
    	auth-trunc hmac(sha256) 0xa65e95de83369bd9f3be3afafc5c363ea5e5e3e12c3017837a7b9dd40fe1901f (256 bits) 128
    	enc cbc(aes) 0x61cd9e16bb8c1d9757852ce1ff46791f (128 bits)
    	anti-replay context: seq 0x0, oseq 0x1, bitmap 0x00000000
    	lifetime config:
    	  limit: soft (INF)(bytes), hard (INF)(bytes)
    	  limit: soft (INF)(packets), hard (INF)(packets)
    	  expire add: soft 1004(sec), hard 1200(sec)
    	  expire use: soft 0(sec), hard 0(sec)
    	lifetime current:
    	  84(bytes), 1(packets)
    	  add 2019-09-02 10:25:39 use 2019-09-02 10:25:39
    	stats:
    	  replay-window 0 replay 0 failed 0

## XFRM模板：XFRM TMPL ##

xfrm模板结构, 用于状态和策略的查询:

struct xfrm_tmpl\
    {
        \
    /* id in template is interpreted as:\
     * daddr - destination of tunnel, may be zero for transport mode.\
     * spi   - zero to acquire spi. Not zero if spi is static, then\
     *    daddr must be fixed too.\
     * proto - AH/ESP/IPCOMP\
     */\
    // SA三元组, 目的地址, 协议, SOI\
     struct xfrm_id  id;
    
    /* Source address of tunnel. Ignored, if it is not a tunnel. */\
    // 源地址\
     xfrm_address_t  saddr;
    
    // 请求ID\
     __u32   reqid;
    
    /* Mode: transport, tunnel etc. */\
     __u8   mode;
    
    /* Sharing mode: unique, this session only, this user only etc. */\
     __u8   share;
    
    /* May skip this transfomration if no SA is found */\
     __u8   optional;
    
    /* Bit mask of algos allowed for acquisition */\
     __u32   aalgos;\
     __u32   ealgos;\
     __u32   calgos;\
    };

## 扩展阅读 ##

《精通Linux内核》

[掘金：走进Linux内核之Netfilter框架][Linux_Netfilter]

[掘金：走进Linux内核之XFRM框架][Link 1]

[Linux内核网络：实现和理论][Linux]

[Linux内核中的IPSEC实现][Linux_IPSEC]

[xfrm框架][xfrm]

[Link 1]: https://juejin.cn/post/7009869273103335455
[Linux_Netfilter]: https://juejin.cn/post/7008945265021288484
[Linux]: https://blog.csdn.net/naipeng/article/details/71440014
[Linux_IPSEC]: https://blog.csdn.net/bytxl/article/details/48543347
[xfrm]: https://workerwork.github.io/posts/xfrm/