WireGuard 的工作原理

官方：https://github.com/pirate/wireguard-docs

引用：WireGuard 教程：WireGuard 的工作原理 – 云原生实验室

一、简介

WireGuard 是由 Jason Donenfeld 等人用 C 语言编写的一个开源 VPN 协议，被视为下一代 VPN 协议，旨在解决许多困扰 IPSec/IKEv2、OpenVPN 或 L2TP 等其他 VPN 协议的问题。它与 Tinc 和 MeshBird 等现代 VPN 产品有一些相似之处，即加密技术先进、配置简单。从 2020 年 1 月开始，它已经并入了 Linux 内核的 5.6 版本，这意味着大多数 Linux 发行版的用户将拥有一个开箱即用的 WireGuard。

WireGuard 与其他 VPN 协议的性能测试对比：

可以看到 WireGuard 直接碾压其他 VPN 协议。再来说说 OpenVPN，大约有 10 万行代码，而 WireGuard 只有大概 4000 行代码，代码库相当精简，简直就是件艺术品。

WireGuard 优点：

  • 配置精简，可直接使用默认值
  • 只需最少的密钥管理工作，每个主机只需要 1 个公钥和 1 个私钥。
  • 就像普通的以太网接口一样，以 Linux 内核模块的形式运行，资源占用小。
  • 能够将部分流量或所有流量通过 VPN 传送到局域网内的任意主机。
  • 能够在网络故障恢复之后自动重连，戳到了其他 VPN 的痛处。
  • 比目前主流的 VPN 协议，连接速度要更快，延迟更低（见上图）。
  • 使用了更先进的加密技术，具有前向加密和抗降级攻击的能力。
  • 支持任何类型的二层网络通信，例如 ARP、DHCP 和 ICMP，而不仅仅是 TCP/HTTP。
  • 可以运行在主机中为容器之间提供通信，也可以运行在容器中为主机之间提供通信。

WireGuard 不能做的事：

  • 类似 gossip 协议实现网络自愈。
  • 通过信令服务器突破双重 NAT。
  • 通过中央服务器自动分配和撤销密钥。
  • 发送原始的二层以太网帧。

二、WireGuard 术语

Peer/Node/Device

连接到 VPN 并为自己注册一个 VPN 子网地址(如 192.0.2.3)的主机。

还可以通过使用逗号分隔的 CIDR 指定子网范围，为其自身地址以外的 IP 地址选择路由。

中继服务器（Bounce Server）

一个公网可达的对等节点，可以将流量中继到 NAT 后面的其他对等节点。

Bounce Server 并不是特殊的节点，它和其他对等节点一样，唯一的区别是它有公网 IP，并且开启了内核级别的 IP 转发，可以将 VPN 的流量转发到其他客户端。

子网（Subnet）

一组私有 IP，例如 192.0.2.1-255 或 192.168.1.1/24，一般在 NAT 后面，例如办公室局域网或家庭网络

CIDR 表示法

这是一种使用掩码表示子网大小的方式

NAT

子网的私有 IP 地址由路由器提供，通过公网无法直接访问私有子网设备，需要通过 NAT 做网络地址转换。

路由器会跟踪发出的连接，并将响应转发到正确的内部 IP

公开端点（Public Endpoint）

节点的公网 IP 地址:端口，例如 123.124.125.126:1234，或者直接使用域名 some.domain.tld:1234。

如果对等节点不在同一子网中，那么节点的公开端点必须使用公网 IP 地址。

私钥（Private key）

单个节点的 WireGuard 私钥

生成方法是：wg genkey > example.key

公钥（Public key）

单个节点的 WireGuard 公钥

生成方式为：wg pubkey < example.key > example.key.pub

DNS

域名服务器，用于将域名解析为 VPN 客户端的 IP，不让 DNS请求泄漏到 VPN 之外

三、WireGuard 工作原理

中继服务器工作原理

中继服务器（Bounce Server）和普通的对等节点一样，它能够在 NAT 后面的 VPN 客户端之间充当中继服务器，可以将收到的任何 VPN 子网流量转发到正确的对等节点。事实上 WireGuard 并不关心流量是如何转发的，这个由系统内核和 iptables 规则处理

如果所有的对等节点都是公网可达的，则不需要考虑中继服务器，只有当有对等节点位于 NAT 后面时才需要考虑。

在 WireGuard 里，客户端和服务端基本是平等的，差别只是谁主动连接谁而已。

双方都会监听一个 UDP 端口，谁主动连接，谁就是客户端。主动连接的客户端需要指定对端的公网地址和端口，被动连接的服务端不需要指定其他对等节点的地址和端口。

如果客户端和服务端都位于 NAT 后面，需要加一个中继服务器，客户端和服务端都指定中继服务器作为对等节点，它们的通信流量会先进入中继服务器，然后再转发到对端。

WireGuard 是支持漫游的，也就是说，双方不管谁的地址变动了，WireGuard 在看到对方从新地址说话的时候，就会记住它的新地址（跟 mosh 一样，不过是双向的）。

所以双方要是一直保持在线，并且通信足够频繁的话（比如配置 persistent-keepalive），两边的 IP 都不固定也不影响的

Wireguard 如何路由流量

利用 WireGuard 可以组建非常复杂的网络拓扑，这里主要介绍几个典型的拓扑：

1.端到端直接连接

这是最简单的拓扑，所有的节点要么在同一个局域网，要么直接通过公网访问，这样 WireGuard 可以直接连接到对端，不需要中继跳转。

2.一端位于 NAT 后面，另一端直接通过公网暴露

这种情况下，最简单的方案是：

通过公网暴露的一端作为服务端，另一端指定服务端的公网地址和端口，然后通过 persistent-keepalive 选项维持长连接，让 NAT 记得对应的映射关系。

3.两端都位于 NAT 后面，通过中继服务器连接

大多数情况下，当通信双方都在 NAT 后面的时候，NAT 会做源端口随机化处理，直接连接可能比较困难。

可以加一个中继服务器，通信双方都将中继服务器作为对端，然后维持长连接，流量就会通过中继服务器进行转发。

4.两端都位于 NAT 后面，通过 UDP NAT 打洞

上面也提到了，当通信双方都在 NAT 后面的时候，直接连接不太现实，因为大多数 NAT 路由器对源端口的随机化相当严格，不可能提前为双方协调一个固定开放的端口。

必须使用一个信令服务器（STUN），它会在中间沟通分配给对方哪些随机源端口。通信双方都会和公共信令服务器进行初始连接，然后它记录下随机的源端口，并将其返回给客户端。

这其实就是现代 P2P 网络中 WebRTC 的工作原理。

有时候，即使有了信令服务器和两端已知的源端口，也无法直接连接，因为 NAT 路由器严格规定只接受来自原始目的地址（信令服务器）的流量，会要求新开一个随机源端口来接受来自其他 IP 的流量（比如其他客户端试图使用原来的通信源端口）。

运营商级别的 NAT 就是这么干的，比如蜂窝网络和一些企业网络，它们专门用这种方法来防止打洞连接。更多细节请参考下一部分的 NAT 到 NAT 连接实践的章节。

如果某一端同时连接了多个对端，当它想访问某个 IP 时，如果有具体的路由可用，则优先使用具体的路由，否则就会将流量转发到中继服务器，然后中继服务器再根据系统路由表进行转发。

你可以通过测量 ping 的时间来计算每一跳的长度，并通过检查对端的输出（wg show wg0）来找到 WireGuard 对一个给定地址的路由方式。

WireGuard 报文格式

WireGuard 使用加密的 UDP 报文来封装所有的数据，UDP 不保证数据包一定能送达，也不保证按顺序到达，但隧道内的 TCP 连接可以保证数据有效交付。WireGuard 的报文格式如下图所示：

关于 WireGuard 报文的更多信息可以参考下面几篇文档：

  • wireshark.org/docs/dfref/w/wg.html
  • Lekensteyn/wireguard-dissector
  • nbsoftsolutions.com/blog/viewing-wireguard-traffic-with-tcpdump

WireGuard 的性能

WireGuard 声称其性能比大多数 VPN 协议更好，但这个事情有很多争议，比如某些加密方式支持硬件层面的加速。

WireGuard 直接在内核层面处理路由，直接使用系统内核的加密模块来加密数据，和 Linux 原本内置的密码子系统共存，原有的子系统能通过 API 使用 WireGuard 的 Zinc 密码库。

WireGuard 使用 UDP 协议传输数据，在不使用的情况下默认不会传输任何 UDP 数据包，所以比常规 VPN 省电很多，可以像 55 一样一直挂着使用，速度相比其他 VPN 也是压倒性优势。

关于性能比较的更多信息可以参考下面几篇文档：

  • wireguard.com/performance
  • reddit.com/r/linux/comments/9bnowo/wireguard_benchmark_between_two_servers_with_10
  • restoreprivacy.com/openvpn-ipsec-wireguard-l2tp-ikev2-protocols

WireGuard 安全模型

WireGuard 使用以下加密技术来保障数据的安全：

  • 使用 ChaCha20 进行对称加密，使用 Poly1305 进行数据验证。
  • 利用 Curve25519 进行密钥交换。
  • 使用 BLAKE2 作为哈希函数。
  • 使用 HKDF 进行解密。

WireGuard 的加密技术本质上是 Trevor Perrin 的 Noise 框架的实例化，它简单高效，其他的 VPN 都是通过一系列协商、握手和复杂的状态机来保障安全性。WireGuard 就相当于 VPN 协议中的 qmail，代码量比其他 VPN 协议少了好几个数量级

关于 WireGuard 加密的更多资料请参考下方链接：

  • wireguard.com/papers/wireguard.pdf
  • eprint.iacr.org/2018/080.pdf
  • courses.csail.mit.edu/6.857/2018/project/He-Xu-Xu-WireGuard.pdf
  • wireguard.com/talks/blackhat2018-slides.pdf
  • arstechnica.com/gadgets/2018/08/wireguard-vpn-review-fast-connections-amaze-but-windows-support-needs-to-happen

WireGuard 密钥管理

WireGuard 通过为每个对等节点提供简单的公钥和私钥来实现双向认证，每个对等节点在设置阶段生成密钥，且只在对等节点之间共享密钥。

每个节点除了公钥和私钥，不再需要其他证书或预共享密钥。

在更大规模的部署中，可以使用 Ansible 或 Kubernetes Secrets 等单独的服务来处理密钥的生成、分发和销毁。

下面是一些有助于密钥分发和部署的服务：

  • pypi.org/project/wireguard-p2p
  • trailofbits/algo
  • StreisandEffect/streisand
  • its0x08/wg-install
  • brittson/wireguard_config_maker
  • wireguardconfig.com

如果你不想在 wg0.conf 配置文件中直接硬编码，可以从文件或命令中读取密钥，这使得通过第三方服务管理密钥变得更加容易：

[Interface]
...
PostUp = wg set %i private-key /etc/wireguard/wg0.key <(cat /some/path/%i/privkey)

从技术上讲，多个服务端之间可以共享相同的私钥，只要客户端不使用相同的密钥同时连接到两个服务器。

但有时客户端会需要同时连接多台服务器，例如，你可以使用 DNS 轮询来均衡两台服务器之间的连接，这两台服务器配置相同。

大多数情况下，每个对等节点都应该使用独立的的公钥和私钥，这样每个对等节点都不能读取到对方的流量，保障了安全性。

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