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nftables weiter gemacht

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Alfred Krohmer 2014-02-15 11:58:16 +01:00
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commit 5aa914d39f
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326
bericht/abschnitte/nftables/nftables-perf.tex
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@ -1,124 +1,238 @@
\subsubsection{Performance-Vergleich}
Außerdem habe ich iptables unter dem Performance-Aspekt verglichen. Die Benchmarks liefen auf zwei der Zotac-Boards als Nodes und einem Rechner mit Intel Core 2 Duo-Prozessor als Firewall, auf dem die beiden Firewalllösungen liefen um den Datenverkehr zwischen den beiden Nodes zu kontrollieren.
\paragraph{Testaufbau}
\paragraph{Einfache Drop-Regeln} Für den nachfolgenden Benchmark habe ich entsprechend viele Regeln generieren lassen, die besagen, dass von (zufällig gewählten) IP-Adressen alle Pakete gedropt werden sollen.
Um die Performance der beiden Firewall-Lösungen vergleichen zu könne, habe ich jeweils zwei unserer Zotac-Boards mit der Onboard-Netzwerkkarte an einen zusätzlichen Firewall-Rechner, der mir bereitgestellt wurde, verbunden. Die Spezifikationen der Zotac-Boards sind dem Abschnitt »Hardware« zu entnehmen. \\
Der zusätzliche Rechner war mit einem Intel Core 2 Duo E6750 mit 2,66 GHz, 2 GiB RAM ausgestattet und zwei Intel Gigabit-Netzwerkkarten ausgestattet (Intel 82566DM-2 und 82572EI). Die beiden Intel-Netzwerkkarten wurden direkt mit den beiden Zotac-Boards verbunden.
Der Firewall-Rechner wurde über die Onboard-Netzwerkkarte und die beiden Zotac-Boards über USB-Netzwerkkarten mit einem Switch und darüber mit der Headnode verbunden um einen Zugriff von außen bereitzustellen. \\
Der Firewall-Rechner soll nun über \texttt{iptables} und \texttt{nftables} den Datenverkehr zwischen den beiden Nodes kontrollieren. Die beiden Netzwerk-Interfaces der Firewall waren im Bridge-Modus verbunden. \\
\includegraphics{bilder/nft-layout.pdf}
\paragraph{Verwendete Software} Um schnell genug eine große Anzahl an Paketen pro Sekunde (PPS) erzeugen zu können um die Firewall-Lösungen zu benchmarken, habe ich \texttt{pktgen} verwendet. Hierbei handelt es sich um einen Paketgenerator, der als Kernel-Modul geladen wird und dadurch direkt im Kernel (ohne teure Kontext-Switches ins Userland) ausgeführt wird.
Zur Überwachung der Messdaten (Datenrate und PPS) habe ich auf allen vier Netzwerkschnittstellen das Tool \texttt{ifpps} aus dem \texttt{netsniff-ng}-Bundle laufen lassen.
\pagebreak
\paragraph{Testeinstellung} Zunächst habe ich die Datenrate und die PPS in Abhängigkeit der Ethernet Frame-Größe gemessen um festzustellen, mit welcher Paketgröße die Messungen am besten durchzuführen sind. \\ \\
\pgfplotstableread{
0 33333
500 33333
1000 33333
1500 33333
2000 33333
2500 33333
3000 33333
3500 33333
4000 33333
4500 31952
5000 28936
5500 26422
6000 24331
6500 22422
7000 20868
7500 19467
8000 18212
8500 17109
9000 16174
9500 15349
10000 14621
10500 13960
11000 13351
11500 12781
12000 12265
12500 11788
13000 11346
13500 10915
14000 10554
14500 10187
15000 9847
15500 9526
16000 8772
16500 8974
17000 8483
17500 8433
18000 8238
18500 7369
19000 7371
19500 7433
20000 6400
20500 7074
21000 5486
21500 4512
22000 5172
22500 5003
}\nftipt
\pgfplotstableread{
0 33333
500 33333
1000 33333
1500 33333
2000 33333
2500 29107
3000 24655
3500 21367
4000 18912
4500 16928
5000 15318
5500 13979
6000 12886
6500 11973
7000 11129
7500 10436
8000 9823
8500 9259
9000 8821
9500 8371
10000 7948
10500 7584
11000 7256
11500 6944
12000 6656
12500 6410
13000 6161
13500 5924
14000 5696
14500 5538
15000 5345
15500 5160
16000 5000
16500 4824
17000 4720
17500 4575
18000 4455
18500 4221
19000 4213
19500 4060
}\nftnft
size rate pps
1500 986.004 82167
1450 985.7216 84976
1400 984.7376 87923
1350 984.2904 91138
1300 983.4968 94567
1250 982.78 98278
1200 982.08 102300
1150 981.18 106650
1100 980.2496 111392
1050 979.2384 116576
1000 978.304 122288
950 977.36 128600
900 975.0024 135417
850 974.27 143275
800 972.5888 151967
750 970.572 161762
700 968.3856 172926
650 966.2328 185814
600 963.1056 200647
550 959.7588 218127
500 955.604 238901
450 951.588 264330
400 945.3248 295414
350 937.3336 334762
300 923.2584 384691
250 855.588 427794
200 662.5952 433335
150 527.3604 439467
100 354.96 443700
50 207.176 446500
}\sizeratepps
\begin{tikzpicture}
\pgfplotsset{
y axis style/.style={
yticklabel style=#1,
y axis line style=#1,
ylabel style=#1,
ytick style=#1
}
}
\begin{axis}[
xmin=0,
xmax=23000,
ymin=0,
xlabel={Anzahl der Firewall-Regeln},
ylabel={Verarbeitete Pakete pro Sekunde},
width=15cm, height=10cm,
legend entries={iptables,nftables}
title=Sender,
xmin=1,
xmax=1500,
xlabel={Ethernet Frame-Größe},
xtick={100,300,500,700,900,1100,1300,1500},
ymin=0,
axis y line*=left,
ylabel={Datenrate [MBit/s]},
y axis style=blue!75!black,
tick label style={/pgf/number format/fixed,/pgf/number format/1000 sep = \thinspace},
scaled ticks=false
]
\addplot[smooth,blue] table {\nftipt};
\addplot[smooth,red] table {\nftnft};
\addplot[smooth,blue] table[x={size}, y={rate}] {\sizeratepps};
\end{axis}
\begin{axis}[
width=15cm, height=10cm,
xmin=1,
xmax=1500,
axis x line=none,
ymin=0,ymax=500000,
ytick pos=right,
axis y line* = right,
ylabel={PPS},
ylabel near ticks,
ytick={100000,200000,300000,400000},
y axis style=red!75!black,
tick label style={/pgf/number format/fixed,/pgf/number format/1000 sep = \thinspace},
scaled ticks=false
]
\addplot[smooth,red] table[x={size}, y={pps}] {\sizeratepps};
\end{axis}
\end{tikzpicture}
Die maximale PPS(packages-per-second)-Rate liegt initial bei 33333 Paketen pro Sekunde, da ich als Delay zwischen den einzelnen Paketen 30 $\mu$s eingestellt habe. Bei einem kleineren Delay wurde bereits Pakete an der Netzwerkkarte der Firewall gedropt.
\vspace{1cm}
Es wurden Paketgrößen von einer Größe von 1 bis 1500 Byte (MTU des Ethernet) verwendet, diese hatten allerdings keinen Einfluss auf die PPS, da bei den verwendeten Regeln nur die IP-Header in Betracht gezogen wurden und die Sättigung (an Datenübertragungsrate) der Netzwerkkarte längst nicht erreicht wurde.
\pgfplotstableread{
size rate pps
1500 982.38 81865
1450 981.1512 84582
1400 983.4272 87806
1350 981.936 90920
1300 979.9816 94229
1250 977.44 97744
1200 980.7936 102166
1150 978.5396 106363
1100 975.6472 110869
1050 972.3588 115757
1000 977.192 122149
950 974.0312 128162
900 970.6896 134818
850 965.4368 141976
800 970.8992 151703
750 966.756 161126
700 960.9544 171599
650 956.2592 183896
600 961.4736 200307
550 954.8088 217002
500 946.992 236748
450 928.7784 257994
400 823.2672 257271
350 722.5316 258047
300 615.1632 256318
250 492.206 246103
200 406.3824 253989
150 299.2116 249343
100 205.8888 257361
50 123.79728 257911
\paragraph{iptables}
}\sizerateppsrecv
Wie aus dem Diagramm ersichtlich wird, bricht die PPS-Rate ab ca. 5000 Regeln exponentiell ein und strebt ca. 5000 PPS an. Ab ca. 23000 Regeln werden wieder Pakete an der Firewall gedropt, weil die Pakete nicht schnell genug verarbeitet werden können.
\begin{tikzpicture}
\pgfplotsset{
y axis style/.style={
yticklabel style=#1,
y axis line style=#1,
ylabel style=#1,
ytick style=#1
}
}
\begin{axis}[
width=15cm, height=10cm,
title=Empfänger,
xmin=1,
xmax=1500,
xlabel={Ethernet Frame-Größe},
xtick={100,300,500,700,900,1100,1300,1500},
ymin=0,
axis y line*=left,
ylabel={Datenrate [MBit/s]},
y axis style=blue!75!black,
tick label style={/pgf/number format/fixed,/pgf/number format/1000 sep = \thinspace},
scaled ticks=false
]
\addplot[smooth,blue] table[x={size}, y={rate}] {\sizerateppsrecv};
\end{axis}
\begin{axis}[
width=15cm, height=10cm,
xmin=1,
xmax=1500,
axis x line=none,
ymin=0,ymax=500000,
ytick pos=right,
axis y line* = right,
ylabel={PPS},
ylabel near ticks,
ytick={100000,200000,300000,400000},
y axis style=red!75!black,
tick label style={/pgf/number format/fixed,/pgf/number format/1000 sep = \thinspace},
scaled ticks=false
]
\addplot[smooth,red] table[x={size}, y={pps}] {\sizerateppsrecv};
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\paragraph{nftables}
\pagebreak
Der Graph verläuft von der Form her grundsätzlich genau wie bei iptables, jedoch ist nftables offensichtlich noch erheblich langsamer als iptables. Die PPS-Rate beginnt schon bei ca. 2500 Regeln einzubrechen und bereits ab 20000 Regeln werden Pakete gedropt.
Wie aus den Diagrammen ersichtlich wird, wird bei Frame-Größen, die an die MTU des Ethernets (1500 Bytes) heranreichen, das Gigabit-Netzwerk mit ca. 980 MBit/s und ca. 82000 PPS fast komplett ausgereizt. Je kleiner die Frame-Größe wird, desto größer wird zunächst die Anzahl der PPS, da das Netzwerk immer noch gut ausgelastet wird; die Datenrate sinkt zunächst zur langsam. \\
Beim Sender beginnt jedoch bei Frame-Größe kleiner 300 Byte die Datenrate linear zu sinken. Die PPS stagnieren dann bei ca. 450000 Paketen. Dies ist mit der Leistungsfähigkeit der Atom-Prozessoren zu erklären, da diese ab dieser Grenze komplett ausgelastet sind und die Pakete nicht schneller erzeugen können. \\
Beim Empfänger geschieht dieser Einbrauch schon bei ca. 450 Byte Frame-Größe. Hier stagniert die PPS bei ca. 250000. Auch dies lässt sich mit der Auslastung des Prozessors erklären. Der Unterschied zum Sender besteht darin, dass bei diesem die Pakete lediglich statisch zusammengesetzt und losgeschickt werden müssen. Beim Empfänger hingegen muss das Betriebssystem die Pakete zunächst auswerten, was den Bearbeitungszeit verlängert. Dadurch kommen beim Empfänger wesentlich weniger Pakete an, als der Sender losschickt. (Die übrigen Pakete werden gedroppt.) \\
Um eine größtmögliche Auslastung des Gigabit-Netzwerkes zu ermöglichen und gleichzeitig die maximale Anzahl an PPS zu erhalten, habe ich also für die folgenden Benchmarks die Ethernet Frame-Größe auf 450 festgesetzt.
\paragraph{Anfängliche Probleme} Anfangs habe ich auf dem Empfänger keine »Anwendung« laufen lassen, die die Pakete des Senders entgegennimmt. Deshalb musste der Kernel zusätzliche ein ICMP-Paket mit »Connection Refused«-Flag an den Sender zurückschicken und daraufhin weitere Fehlerbehandlungen durchführen. Auf diese Weise habe ich am Empfänger zunächst nur ca. 110000 PPS empfangen können. Als Lösungsansatz habe ich dann \texttt{netcat} auf dem Port am Empfänger laufen lassen und die Daten nach \texttt{/dev/null} umgeleitet. Damit kamen keine Fehler mehr zustande und es konnten ca. 150000 PPS empfangen werden. Dies liegt jedoch immer noch weit unter den am Sender losgeschickten 450000 PPS und ist damit zu erklären, dass es für jedes Paket zu einem Kontex-Switch vom Kernel zu \texttt{netcat} kam und deshalb wieder die Bearbeitungszeit pro Paket stieg. \\
Letztendlich habe ich dazu entschieden, auf der Empfängerseite mit \texttt{iptables} die Pakete, die auf dem entsprechenden Port angekommen, direkt zu droppen. Damit konnten nun die zuvor erwähnten ca. 250000 PPS empfangen werden.
\pagebreak
\paragraph{Einfache Drop-Regeln} Für den nachfolgenden Benchmark habe ich entsprechend viele Regeln generieren lassen, die besagen, dass von (zufällig gewählten) IP-Adressen alle Pakete gedropt werden sollen. \\
\pgfplotstableread{benchmarks/nft/ipt-nft-simple-drop.txt}{\nftsimpledrop}
\begin{minipage}{\textwidth}
\flushright
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
name=plot1,
xtick={5000,10000,15000,20000,25000,30000},
xmin=200, xmax=30000,
ymin=0,
xlabel={Anzahl der Firewall-Regeln}, ylabel={Datenrate [MBit/s]},
tick label style={/pgf/number format/fixed,/pgf/number format/1000 sep = \thinspace},
width=15cm, height=10cm,
legend entries={iptables,nftables},
scaled ticks=false
]
\addplot[smooth,blue] table [x={rules}, y={iptrate}] {\nftsimpledrop};
\addplot[smooth,red] table [x={rules}, y={nftrate}] {\nftsimpledrop};
\end{axis}
\begin{axis}[
name=plot2,
at=(plot1.below south), anchor=above north,
yshift=-0.5cm,
xtick={5000,10000,15000,20000,25000,30000},
xmin=200, xmax=30000,
ymin=0,
xlabel={Anzahl der Firewall-Regeln}, ylabel={PPS},
tick label style={/pgf/number format/fixed,/pgf/number format/1000 sep = \thinspace},
width=15cm, height=10cm,
legend entries={iptables,nftables},
scaled ticks=false
]
\addplot[smooth,blue] table [x={rules}, y={iptpps}] {\nftsimpledrop};
\addplot[smooth,red] table [x={rules}, y={nftpps}] {\nftsimpledrop};
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\end{minipage} \\
Die Datenrate und die Anzahl an PPS liegen initial bei den bereits zuvor gemessenen ca. 980 MBit/s und 250000 Paketen pro Sekunde. Jedoch bricht die Leistungsfähigkeit bei beiden Firewall-Lösungen schnell erheblich ein. So kann \texttt{iptables} bei 5000 Regeln nur noch ca. 100 MBit/s bei 28000 Paketen verarbeiten, \texttt{nftables} schafft hier nur ca. 50 MBit/s bei 14000 Paketen.

5
bericht/abschnitte/nftables/nftables-tools.tex Normal file
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@ -0,0 +1,5 @@
\subsubsection{Verfügbare Tools}
Da nftables erst vor kurzem Einzug in den Linux-Kernel gehalten hat, gibt es in noch keiner Linux-Distribution entsprechende Tools für die Konfiguration der neuen Firewall-Lösung. Man hat also nur die Möglichkeit, sich die Userland-Programme selbst zu kompilieren. (Bei Arch Linux waren diese bereits im AUR vorhanden, nicht jedoch im offizielen Repository.)
Das zentrale Tool zur Konfiguration stellt hier \texttt{nft} dar. Die Syntax wurde im vorherigen Abschnitt bereits demonstriert.

47
bericht/abschnitte/nftables/nftables-vs.tex Normal file
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@ -0,0 +1,47 @@
\subsubsection{Rückblick}
Da es bereits vor \texttt{nftables} und \texttt{iptables} mehrere Firewall-Implementierungen für Linux gab, lohnt sich ein kleiner Rückblick.
\begin{itemize}
\item ab Kernel 1.0 (1994): \texttt{ipfw} (IP FireWall), von FreeBSD auf Linux portiert
\item ab Kernel 2.0 (1996): \texttt{ipfwadm} (IP FireWall Admin)
\item ab Kernel 2.2 (1999): \texttt{ipchains}
\item ab Kernel 2.3 (2000): \texttt{iptables}
\item ab Kernel 3.13 (2014): \texttt{nftables}
\end{itemize}
Wie man sieht mussten sich Linux-Nutzer, die eine Firewall benötigten, seit 1994 bis jetzt mit vier verschiedenen Firewall-Lösungen auseinander setzen. Die letzte davon, \texttt{iptables} ist nun bald seit 14 Jahr im Einsatz und soll jetzt auf Dauer von \texttt{nftables} abgelöst werden.
\subsubsection{Funktionsweise}
\paragraph{\texttt{iptables}} selbst ist nur für das Firewalling des IPv4-Traffics verantwortlich. Für andere Protokolle gibt es weitere entsprechende Tools:
\begin{itemize}
\item \textbf{\texttt{ip6tables}} für IPv6
\item \textbf{\texttt{arptables}} für ARP (Address Resolution Protocol, zu IP-Adressen werden im lokalen Subnetz MAC-Adressen abgefragt, um Ethernet-Pakete versenden zu können)
\item \textbf{\texttt{ebtables}} für Ethernet Bridging
\end{itemize}
Alle diese Tools haben im Linux-Kernel eine Entsprechung in der Netfilter-Infrastruktur. An dieser Stelle sind für jedes Protokoll alle möglichen Filterkriterien und -aktionen einzeln im Kernel (meist als Modul ladbar) implementiert. Da diese Implementierungen alle sehr protokollspezifisch sind, sorgte dies dafür, dass enorm viel Code für jedes Protokoll repliziert werden musste.
\paragraph{\texttt{nftables}} soll alle Implementierungen für die verschiedenen Protokolle zusammenfassen und damit die Schnittstelle der Konfigurationstools zum Kernel vereinfachen, die Code-Replikation verringern und ein effizienteres Abarbeiten der Regeln gewährleisten.
Dies wird durch den Einsatz einer kleinen virtuellen Maschine im Kernel gewährleistet. Im Gegensatz zu \texttt{iptables}, wo für jedes Filterkriterium einer Regel eine eigene Funktion im Kernel aufgerufen wurde, wird nun das zu verarbeitende Paket geladen und die zu Byte-Code kompilierten Regeln in der virtuellen Maschine angewendet. Dieser Code kann nun einzelne Felder und Bits eines Pakets betrachten und vergleichen, arithmetische Operationen darauf ausführen und das Paket ändern.
Darüber hinaus soll nun ein atomares Austauschen der Firewall-Regeln in einer einzelnen Netlink-Transaktion möglich sein. (Netlink ist die Schnittstelle zum Kernel, mit der die Netfilter-Infrastruktur angesprochen wird; dies ist die bisher schnellste Schnittstelle zum Kernel, besonders wenn große Mengen an Daten übertragen werden sollen) Dies funktioniert bisher allerdings noch nicht effektiv, weil das Userspace-Tool \texttt{nft} noch keine Möglichkeit bietet, alle bereits existenten Regeln zu entfernen und gleichzeitig die aktualisierte Fassung der Regeln zu laden. (Man müsste hier für jede Regel-Aktualisierung, die man durchführen will, ein eigenes nft-Script schreiben, dass zunächst die alte Regel entfernt und eine neue hinzufügt. Diese Aktualisierung ist dann atomar.)
\subsubsection{table, chain, hook}
Während \texttt{iptables} noch vordefinierte Tabellen (\texttt{filter}, \texttt{nat}, \texttt{mangle}, etc.) und mehrere Chains (\texttt{PREROUTING}, \texttt{INPUT}, \texttt{FORWARD}, \texttt{OUTPUT}, \texttt{POSTROUTING}) in diesen Tabellen hatte, gibt es in \texttt{nftables} keine vorgefertigen Tabellen und Chains mehr. Stattdessen gibt es sogenannte Hooks, in die man sich in selbst erstellten Chains »einhängen« kann. Dabei kann man eine Priorität angeben, die die Reihenfolge der Abarbeitung der Chains angibt. Diese Hooks entsprechen dabei größtenteils den Tabellen und Chains aus \texttt{iptables}.
\subsubsection{Syntax}
Für \texttt{iptables} könnte man bspw. folgenden Aufruf verwende, um eingehende TCP-Pakete auf Port 22 zunächst zu loggen und anschließend zu verwerfen: \\
\shellcmd{iptables -A INPUT -p tcp ---dport 22 -j LOG} \\
\shellcmd{iptables -A INPUT -p tcp ---dport 22 -j DROP} \\
Für \texttt{nftables} müsste man sich zunächst mit folgenden Befehlen je eine beispielhafte Tabelle und Chain anlegen (oder dies entsprechend in ein Script einbauen): \\
\shellcmd{nft add table filter} \\
\shellcmd{nft add chain filter input \enquote{\{ type filter hook input priority 0; \}}} \\
Die Regel kann man nun bspw. wie folgt einfügen: \\
\shellcmd{nft add rule filter input tcp dport 80 log drop}

4
bericht/abschnitte/nftables/nftables.tex
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@ -1,3 +1,5 @@
\subsection{nftables}
\subsection{Vergleich \texttt{nftables} und \texttt{iptables}}
\input{abschnitte/nftables/nftables-vs}
\input{abschnitte/nftables/nftables-tools}
\input{abschnitte/nftables/nftables-perf}

302
bericht/benchmarks/nft/ipt-nft-simple-drop.txt Normal file
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@ -0,0 +1,302 @@
rules iptrate iptpps nftrate nftpps
0 905.148 251430 924.588 256830
100 934.9704 259714 905.9544 251654
200 933.3396 259261 705.5856 195996
300 843.2568 234238 537.174 149215
400 730.9116 203031 443.4588 123183
500 647.1468 179763 374.3748 103993
600 557.406 154835 334.7244 92979
700 525.5856 145996 292.1184 81144
800 480.3156 133421 267.714 74365
900 441.8676 122741 240.5988 66833
1000 408.9024 113584 228.6072 63502
1100 381.7836 106051 204.9336 56926
1200 356.7888 99108 196.7832 54662
1300 335.3148 93143 181.1232 50312
1400 315.5616 87656 170.406 47335
1500 299.898 83305 160.8192 44672
1600 284.9688 79158 149.4864 41524
1700 271.2312 75342 141.9264 39424
1800 258.876 71910 135.162 37545
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