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來(lái)，今天飛哥帶你理解 Iptables 原理！

大家好，我是飛哥!

現(xiàn)在 iptables 這個(gè)工具的應(yīng)用似乎是越來(lái)越廣了。不僅僅是在傳統(tǒng)的防火墻、NAT 等功能出現(xiàn)，在今天流行的的 Docker、Kubernets、Istio 項(xiàng)目中也經(jīng)常能見(jiàn)著對(duì)它的身影。正因?yàn)槿绱耍陨钊肜斫?iptables 工作原理是非常有價(jià)值的事情。

Linux 內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)棧是一個(gè)純內(nèi)核態(tài)的東西，和用戶層功能是天然隔離。但為了迎合各種各樣用戶層不同的需求，內(nèi)核開(kāi)放了一些口子出來(lái)供用戶干預(yù)。使得用戶層可以通過(guò)一些配置，改變內(nèi)核的工作方式，從而實(shí)現(xiàn)特殊的需求。

Linux 在內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)組件中很多關(guān)鍵位置布置了 netfilter 過(guò)濾器。Iptables 就是基于 netfilter 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以本文中 iptables 和 netfilter 這兩個(gè)名詞有時(shí)候就混著用了。

飛哥也在網(wǎng)上看過(guò)很多關(guān)于 netfilter 技術(shù)文章，但是我覺(jué)得都寫的不夠清晰。所以咱們擼起袖子，自己寫一篇。Netfilter 的實(shí)現(xiàn)可以簡(jiǎn)單地歸納為四表五鏈。我們來(lái)詳細(xì)看看四表、五鏈究竟是啥意思。

一、Iptables 中的五鏈

Linux 下的 netfilter 在內(nèi)核協(xié)議棧的各個(gè)重要關(guān)卡埋下了五個(gè)鉤子。每一個(gè)鉤子都對(duì)應(yīng)是一系列規(guī)則，以鏈表的形式存在，所以俗稱五鏈。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)包在協(xié)議棧中流轉(zhuǎn)到這些關(guān)卡的時(shí)候，就會(huì)依次執(zhí)行在這些鉤子上注冊(cè)的各種規(guī)則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)包的各種處理。

要想把五鏈理解好，飛哥認(rèn)為最關(guān)鍵是要把內(nèi)核接收、發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)過(guò)程分開(kāi)來(lái)看。

1.1 接收過(guò)程

Linux 在網(wǎng)絡(luò)包接收在 IP 層的入口函數(shù)是 ip_rcv。網(wǎng)絡(luò)在這里包碰到的第一個(gè) HOOK 就是 PREROUTING。當(dāng)該鉤子上的規(guī)則都處理完后，會(huì)進(jìn)行路由選擇。如果發(fā)現(xiàn)是本設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)包，進(jìn)入 ip_local_deliver 中，在這里又會(huì)遇到 INPUT 鉤子。

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我們來(lái)看下詳細(xì)的代碼，先看 ip_rcv。

//file: net/ipv4/ip_input.c
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, ......){
......
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL,
ip_rcv_finish);
}

NF_HOOK 這個(gè)函數(shù)會(huì)執(zhí)行到 iptables 中 pre_routing 里的各種表注冊(cè)的各種規(guī)則。當(dāng)處理完后，進(jìn)入 ip_rcv_finish。在這里函數(shù)里將進(jìn)行路由選擇。這也就是 PREROUTING 這一鏈名字得來(lái)的原因，因?yàn)槭窃诼酚汕皥?zhí)行的。

//file: net/ipv4/ip_input.c
static int ip_rcv_finish(struct sk_buff *skb){
...
if (!skb_dst(skb)) {
int err = ip_route_input_noref(skb, iph->daddr, iph->saddr,
iph->tos, skb->dev);
...
}
...
return dst_input(skb);
}

如果發(fā)現(xiàn)是本地設(shè)備上的接收，會(huì)進(jìn)入 ip_local_deliver 函數(shù)。接著是又會(huì)執(zhí)行到 LOCAL_IN 鉤子，這也就是我們說(shuō)的 INPUT 鏈。

//file: net/ipv4/ip_input.c
int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb){
......
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_IN, skb, skb->dev, NULL,
ip_local_deliver_finish);
}

簡(jiǎn)單總結(jié)接收數(shù)據(jù)的處理流程是：PREROUTING鏈 -> 路由判斷(是本機(jī))-> INPUT鏈 -> ...

1.2 發(fā)送過(guò)程

Linux 在網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送的過(guò)程中，首先是發(fā)送的路由選擇，然后碰到的第一個(gè) HOOK 就是 OUTPUT，然后接著進(jìn)入 POSTROUTING 鏈。

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來(lái)大致過(guò)一下源碼，網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的入口函數(shù)是 ip_queue_xmit。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
{
// 路由選擇過(guò)程
// 選擇完后記錄路由信息到 skb 上
rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
if (rt == NULL) {
// 沒(méi)有緩存則查找路由項(xiàng)
rt = ip_route_output_ports(...);
sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
}
skb_dst_set_noref(skb, &rt->dst);
...
//發(fā)送
ip_local_out(skb);
}

在這里先進(jìn)行了發(fā)送時(shí)的路由選擇，然后進(jìn)入發(fā)送時(shí)的 IP 層函數(shù) __ip_local_out。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int __ip_local_out(struct sk_buff *skb)
{
struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
iph->tot_len = htons(skb->len);
ip_send_check(iph);
return nf_hook(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT, skb, NULL,
skb_dst(skb)->dev, dst_output);
}

上面的 NF_HOOK 將發(fā)送數(shù)據(jù)包送入到 NF_INET_LOCAL_OUT (OUTPUT) 鏈。執(zhí)行完后，進(jìn)入 dst_output。

//file: include/net/dst.h
static inline int dst_output(struct sk_buff *skb)
{
return skb_dst(skb)->output(skb);
}

在這里獲取到之前的選路，并調(diào)用選到的 output 發(fā)送。將進(jìn)入 ip_output。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
...
//再次交給 netfilter，完畢后回調(diào) ip_finish_output
return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
ip_finish_output,
!(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}

總結(jié)下發(fā)送數(shù)據(jù)包流程是：路由選擇 -> OUTPUT鏈 -> POSTROUTING鏈 -> ...

1.3 轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

其實(shí)除了接收和發(fā)送過(guò)程以外，Linux 內(nèi)核還可以像路由器一樣來(lái)工作。它將接收到網(wǎng)絡(luò)包(不屬于自己的)，然后根據(jù)路由表選到合適的網(wǎng)卡設(shè)備將其轉(zhuǎn)發(fā)出去。

這個(gè)過(guò)程中，先是經(jīng)歷接收數(shù)據(jù)的前半段。在 ip_rcv 中經(jīng)過(guò) PREROUTING 鏈，然后路由后發(fā)現(xiàn)不是本設(shè)備的包，那就進(jìn)入 ip_forward 函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在這里又會(huì)遇到 FORWARD 鏈。最后還會(huì)進(jìn)入 ip_output 進(jìn)行真正的發(fā)送，遇到 POSTROUTING 鏈。

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我們來(lái)過(guò)一下源碼，先是進(jìn)入 IP 層入口 ip_rcv，在這里遇到 PREROUTING 鏈。

//file: net/ipv4/ip_input.c
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, ......){
......
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL,
ip_rcv_finish);
}

PREROUTING 鏈條上的規(guī)則都處理完后，進(jìn)入 ip_rcv_finish，在這里路由選擇，然后進(jìn)入 dst_input。

//file: include/net/dst.h
static inline int dst_input(struct sk_buff *skb)
{
return skb_dst(skb)->input(skb);
}

轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的這幾步和接收過(guò)程一模一樣的。不過(guò)內(nèi)核路徑就要從上面的 input 方法調(diào)用開(kāi)始分道揚(yáng)鑣了。非本設(shè)備的不會(huì)進(jìn)入 ip_local_deliver，而是會(huì)進(jìn)入到 ip_forward。

//file: net/ipv4/ip_forward.c
int ip_forward(struct sk_buff *skb)
{
......
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_FORWARD, skb, skb->dev,
rt->dst.dev, ip_forward_finish);
}

在 ip_forward_finish 里會(huì)送到 IP 層的發(fā)送函數(shù) ip_output。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
...
//再次交給 netfilter，完畢后回調(diào) ip_finish_output
return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
ip_finish_output,
!(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}

在 ip_output 里會(huì)遇到 POSTROUTING 鏈。再后面的流程就和發(fā)送過(guò)程的下半段一樣了。

總結(jié)下轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程：PREROUTING鏈 -> 路由判斷(不是本設(shè)備，找到下一跳) -> FORWARD鏈 -> POSTROUTING鏈 -> ...

1.4 iptables 匯總

理解了接收、發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)過(guò)程以后，讓我們把上面三個(gè)流程匯總起來(lái)。

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數(shù)據(jù)接收過(guò)程走的是 1 和 2，發(fā)送過(guò)程走的是 4 、5，轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程是 1、3、5。有了這張圖，我們能更清楚地理解 iptables 和內(nèi)核的關(guān)系。

二、Iptables 的四表

在上一節(jié)中，我們介紹了 iptables 中的五個(gè)鏈。在每一個(gè)鏈上都可能是由許多個(gè)規(guī)則組成的。在 NF_HOOK 執(zhí)行到這個(gè)鏈的時(shí)候，就會(huì)把規(guī)則按照優(yōu)先級(jí)挨個(gè)過(guò)一遍。如果有符合條件的規(guī)則，則執(zhí)行規(guī)則對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

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而這些規(guī)則根據(jù)用途的不同，又可以raw、mangle、nat 和 filter。

row 表的作用是將命中規(guī)則的包，跳過(guò)其它表的處理，它的優(yōu)先級(jí)最高。

mangle 表的作用是根據(jù)規(guī)則修改數(shù)據(jù)包的一些標(biāo)志位，比如 TTL

nat 表的作用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

filter 表的作用是過(guò)濾某些包，這是防火墻工作的基礎(chǔ)

例如在 PREROUTING 鏈中的規(guī)則中，分別可以執(zhí)行 row、mangle 和 nat 三種功能。

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我們?cè)賮?lái)聊聊，為什么不是全部四個(gè)表呢。這是由于功能的不同，不是所有功能都會(huì)完全使用到五個(gè)鏈。

Raw 表目的是跳過(guò)其它表，所以只需要在接收和發(fā)送兩大過(guò)程的最開(kāi)頭處把關(guān)，所以只需要用到 PREROUTING 和 OUTPUT 兩個(gè)鉤子。

Mangle 表有可能會(huì)在任意位置都有可能會(huì)修改網(wǎng)絡(luò)包，所以它是用到了全部的鉤子位置。

NAT 分為 SNAT(Source NAT)和 DNAT(Destination NAT)兩種，可能會(huì)工作在 PREROUTING、INPUT、OUTPUT、POSTROUTING 四個(gè)位置。

Filter 只在 INPUT、OUTPUT 和 FORWARD 這三步中工作就夠了。

從整體上看，四鏈五表的關(guān)系如下圖。

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這里再多說(shuō)一點(diǎn)，每個(gè)命名空間都是有自己獨(dú)立的 iptables 規(guī)則的。我們拿 NAT 來(lái)舉例，內(nèi)核在遍歷 NAT 規(guī)則的時(shí)候，是從 net(命名空間變量)的 ipv4.nat_table 上取下來(lái)的。NF_HOOK 最終會(huì)執(zhí)行到 nf_nat_rule_find 函數(shù)。

//file: net/ipv4/netfilter/iptable_nat.c
static unsigned int nf_nat_rule_find(...)
{
struct net *net = nf_ct_net(ct);
unsigned int ret;
//重要!!!!!! nat_table 是在 namespace 中存儲(chǔ)著的
ret = ipt_do_table(skb, hooknum, in, out, net->ipv4.nat_table);
if (ret == NF_ACCEPT) {
if (!nf_nat_initialized(ct, HOOK2MANIP(hooknum)))
ret = alloc_null_binding(ct, hooknum);
}
return ret;
}

Docker 容器就是基于命名空間來(lái)工作的，所以每個(gè) Docker 容器中都可以配置自己獨(dú)立的 iptables 規(guī)則。

三、Iptables 使用舉例

看完前面兩小節(jié)，大家已經(jīng)理解了四表五鏈?zhǔn)侨绾螌?shí)現(xiàn)的了。那我們接下來(lái)通過(guò)幾個(gè)實(shí)際的功能來(lái)看下實(shí)踐中是如何使用 iptables 的。

3.1 nat

假如說(shuō)我們有一臺(tái) Linux，它的 eth0 的 IP 是10.162.0.100，通過(guò)這個(gè) IP 可以訪問(wèn)另外其它服務(wù)器。現(xiàn)在我們?cè)谶@臺(tái)機(jī)器上創(chuàng)建了個(gè) Docker 虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 net1 出來(lái)，它的網(wǎng)卡 veth1 的 IP 是 192.168.0.2。

如果想讓 192.168.0.2 能訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)，則需要宿主網(wǎng)絡(luò)命名空間下的設(shè)備工作幫其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)發(fā)。由于這是個(gè)私有的地址，只有這臺(tái) Linux 認(rèn)識(shí)，所以它是無(wú)法訪問(wèn)外部的服務(wù)器的。這個(gè)時(shí)候如果想要讓 net1 正常訪問(wèn) 10.162.0.101，就必須在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)執(zhí)行 SNAT - 源地址替換。

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SNAT 工作在路由之后，網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送之前，也就是 POSTROUTING 鏈。我們?cè)谒拗鳈C(jī)的命名空間里增加如下這條 iptables 規(guī)則。這條規(guī)則判斷如果源是 192.168.0 網(wǎng)段，且目的不是 br0 的，統(tǒng)統(tǒng)執(zhí)行源 IP 替換判斷。

# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 ! -o br0 -j MASQUERADE

有了這條規(guī)則，我們來(lái)看下整個(gè)發(fā)包過(guò)程。

當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)出來(lái)的時(shí)候，先從 veth 發(fā)送到 br0。由于 br0 在宿主機(jī)的命名空間中，這樣會(huì)執(zhí)行到 POSTROUTING 鏈。在這個(gè)鏈有我們剛配置的 snat 規(guī)則。根據(jù)這條規(guī)則，內(nèi)核將網(wǎng)絡(luò)包中 192.168.0.2(外界不認(rèn)識(shí)) 替換成母機(jī)的 IP 10.162.0.100(外界都認(rèn)識(shí))。同時(shí)還要跟蹤記錄鏈接狀態(tài)。

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然后宿主機(jī)根據(jù)自己的路由表進(jìn)行判斷，選擇默認(rèn)發(fā)送設(shè)備將包從 eth0 網(wǎng)卡發(fā)送出去，直到送到 10.162.0.101。

接下來(lái)在 10.162.0.100 上會(huì)收到來(lái)自 10.162.0.101 的響應(yīng)包。由于上一步記錄過(guò)鏈接跟蹤，所以宿主機(jī)能知道這個(gè)回包是給 192.168.0.2 的。再反替換并通過(guò) br0 將返回送達(dá)正確的 veth 上。

這樣 net1 環(huán)境中的 veth1 就可以訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)了。

3.2 DNAT 目的地址替換

接著上面小節(jié)里的例子，假設(shè)我們想在 192.168.0.2 上提供 80 端口的服務(wù)。同樣，外面的服務(wù)器是無(wú)法訪問(wèn)這個(gè)地址的。這個(gè)時(shí)候要用到 DNAT 目的地址替換。需要在數(shù)據(jù)包進(jìn)來(lái)的時(shí)候，將其目的地址替換成 192.168.0.2:80 才行。

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DNAT 工作在內(nèi)核接收到網(wǎng)絡(luò)包的第一個(gè)鏈中，也就是 PREROUTING。我們?cè)黾右粭l DNAT 規(guī)則，具體的配置如下。

# iptables -t nat -A PREROUTING ! -i br0 -p tcp -m tcp --dport 8088 -j DNAT --to-destination 192.168.0.2:80

當(dāng)有外界來(lái)的網(wǎng)絡(luò)包到達(dá) eth0 的時(shí)候。由于 eth0 在母機(jī)的命名空間中，所以會(huì)執(zhí)行到 PREROUTING 鏈。

該規(guī)則判斷如果端口是 8088 的 TCP 請(qǐng)求，則將目的地址替換為 192.168.0.2:80。再通過(guò) br0(192.168.0.1)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包將到達(dá)真正提供服務(wù)的 192.168.0.2:80 上。

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同樣在 DNAT 中也會(huì)有鏈接跟蹤記錄，所以 192.168.0.2 給 10.162.0.101 的返回包中的源地址會(huì)被替換成 10.162.0.100:8088。之后 10.162.0.101 收到包，它一直都以為自己是真的和 10.162.0.100:8088 通信。

這樣 net1 環(huán)境中的 veth1 也可以提供服務(wù)給外網(wǎng)使用了。事實(shí)上，單機(jī)的 Docker 就是通過(guò)這兩小節(jié)介紹的 SNAT 和 DNAT 配置來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的。

3.3 filter

Filter 表主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)包的過(guò)濾。假如我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)惡意 IP 瘋狂請(qǐng)求我們的服務(wù)器，對(duì)服務(wù)造成了影響。那么我們就可以用 filter 把它禁掉。其工作原理就是在接收包的 INPUT 鏈位置處進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)是惡意請(qǐng)求就盡早干掉不處理。避免進(jìn)入到更上層繼續(xù)浪費(fèi) CPU 開(kāi)銷。

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具體的配置方法細(xì)節(jié)如下：

# iptables -I INPUT -s 1.2.3.4 -j DROP //封禁
# iptables -D INPUT -s 1.2.3.4 -j DROP //解封

當(dāng)然也可以封禁某個(gè) IP 段。

# iptables -I INPUT -s 121.0.0.0/8 -j DROP //封禁
# iptables -I INPUT -s 121.0.0.0/8 -j DROP //解封

再比如說(shuō)假設(shè)你不想讓別人任意 ssh 登錄你的服務(wù)器，只允許你的 IP 訪問(wèn)。那就只放開(kāi)你自己的 IP，其它的都禁用掉就好了。

# iptables -t filter -I INPUT -s 1.2.3.4 -p tcp --dport 22 -j ACCEPT
# iptables -t filter -I INPUT -p tcp --dport 22 -j DROP

3.4 raw

Raw 表中的規(guī)則可以繞開(kāi)其它表的處理。在 nat 表中，為了保證雙向的流量都能正常完成地址替換，會(huì)跟蹤并且記錄鏈接狀態(tài)。每一條連接都會(huì)有對(duì)應(yīng)的記錄生成。使用以下兩個(gè)命令可以查看。

# conntrack -L
# cat /proc/net/ip_conntrack

但在高流量的情況下，可能會(huì)有連接跟蹤記錄滿的問(wèn)題發(fā)生。我就遇到過(guò)一次在測(cè)試單機(jī)百萬(wàn)并發(fā)連接的時(shí)候，發(fā)生因連接數(shù)超過(guò)了 nf_conntrack_max 而導(dǎo)致新連接無(wú)法建立的問(wèn)題。

# ip_conntrack: table full, dropping packet

但其實(shí)如果不使用 NAT 功能的話，鏈接跟蹤功能是可以關(guān)閉的，例如。

# iptables -t raw -A PREROUTING -d 1.2.3.4 -p tcp --dport 80 -j NOTRACK
# iptables -A FORWARD -m state --state UNTRACKED -j ACCEPT

3.5 mangle

路由器在轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)包的時(shí)候，ttl 值會(huì)減 1 ，該值為 0 時(shí)，最后一個(gè)路由就會(huì)停止再轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)數(shù)據(jù)包。如若不想讓本次路由影響 ttl，便可以在 mangel 表中加個(gè) 1，把它給補(bǔ)回來(lái)。

# ptables -t mangle -A PREROUTING -i eth0 -j TTL --ttl-inc 1

所有從 eth0 接口進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包的 ttl 值加 1，以抵消路由轉(zhuǎn)發(fā)默認(rèn)減的 1。

總結(jié)

Iptables 是一個(gè)非常常用，也非常重要的工具。Linux 上的防火墻、nat 等基礎(chǔ)功能都是基于它實(shí)現(xiàn)的。還有現(xiàn)如今流行的的 Docker、Kubernets、Istio 項(xiàng)目中也經(jīng)常能見(jiàn)著對(duì)它的身影。正因?yàn)槿绱耍陨钊肜斫?iptables 工作原理是非常有價(jià)值的事情。

今天我們先是在第一節(jié)里從內(nèi)核接收、發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)不同的過(guò)程理解了五鏈的位置。

來(lái)，今天飛哥帶你理解 Iptables 原理！