WireGuard 教程：WireGuard 的工作原理

米開朗基楊發表於2020-07-06

原文連結：https://fuckcloudnative.io/posts/wireguard-docs-theory/

WireGuard 是由 Jason Donenfeld 等人用 C 語言編寫的一個開源 威屁恩 協議，被視為下一代 威屁恩 協議，旨在解決許多困擾 IPSec/IKEv2、Open威屁恩 或 L2TP 等其他 威屁恩 協議的問題。它與 Tinc 和 MeshBird 等現代 威屁恩 產品有一些相似之處，即加密技術先進、配置簡單。從 2020 年 1 月開始，它已經併入了 Linux 核心的 5.6 版本，這意味著大多數 Linux 發行版的使用者將擁有一個開箱即用的 WireGuard。

無論你是想破牆而出，還是想在伺服器之間組網，WireGuard 都不會讓你失望，它就是組網的『樂高積木』，就像 ZFS 是構建檔案系統的『樂高積木』一樣。

WireGuard 與其他 威屁恩 協議的效能測試對比：

可以看到 WireGuard 直接碾壓其他 威屁恩 協議。再來說說 Open威屁恩，大約有 10 萬行程式碼，而 WireGuard 只有大概 4000 行程式碼，程式碼庫相當精簡，簡直就是件藝術品啊。你再看看 Open威屁恩 的效能，算了不說了。

WireGuard 優點：

  • 配置精簡，可直接使用預設值
  • 只需最少的金鑰管理工作，每個主機只需要 1 個公鑰和 1 個私鑰。
  • 就像普通的乙太網介面一樣，以 Linux 核心模組的形式執行，資源佔用小。
  • 能夠將部分流量或所有流量通過 威屁恩 傳送到區域網內的任意主機。
  • 能夠在網路故障恢復之後自動重連，戳到了其他 威屁恩 的痛處。
  • 比目前主流的 威屁恩 協議，連線速度要更快，延遲更低（見上圖）。
  • 使用了更先進的加密技術，具有前向加密和抗降級攻擊的能力。
  • 支援任何型別的二層網路通訊，例如 ARP、DHCP 和 ICMP，而不僅僅是 TCP/HTTP。
  • 可以執行在主機中為容器之間提供通訊，也可以執行在容器中為主機之間提供通訊。

WireGuard 不能做的事：

  • 類似 gossip 協議實現網路自愈。
  • 通過信令伺服器突破雙重 NAT。
  • 通過中央伺服器自動分配和撤銷金鑰。
  • 傳送原始的二層乙太網幀。

當然，你可以使用 WireGuard 作為底層協議來實現自己想要的功能，從而彌補上述這些缺憾。

本系列 WireGuard 教程分為兩個部分，第一部分偏理論，第二部分偏實踐。本文是第一部分，下面開始正文教程。

1. WireGuard 術語

Peer/Node/Device

連線到 威屁恩 併為自己註冊一個 威屁恩 子網地址（如 192.0.2.3）的主機。還可以通過使用逗號分隔的 CIDR 指定子網範圍，為其自身地址以外的 IP 地址選擇路由。

中繼伺服器（Bounce Server）

一個公網可達的對等節點，可以將流量中繼到 NAT 後面的其他對等節點。Bounce Server 並不是特殊的節點，它和其他對等節點一樣，唯一的區別是它有公網 IP，並且開啟了核心級別的 IP 轉發，可以將 威屁恩 的流量轉發到其他客戶端。

子網（Subnet）

一組私有 IP，例如 192.0.2.1-255 或 192.168.1.1/24，一般在 NAT 後面，例如辦公室區域網或家庭網路。

CIDR 表示法

這是一種使用掩碼錶示子網大小的方式，這個不用解釋了。

NAT

子網的私有 IP 地址由路由器提供，通過公網無法直接訪問私有子網裝置，需要通過 NAT 做網路地址轉換。路由器會跟蹤發出的連線，並將響應轉發到正確的內部 IP。

公開端點（Public Endpoint）

節點的公網 IP 地址:埠，例如 123.124.125.126:1234，或者直接使用域名 some.domain.tld:1234。如果對等節點不在同一子網中，那麼節點的公開端點必須使用公網 IP 地址。

私鑰（Private key）

單個節點的 WireGuard 私鑰，生成方法是：wg genkey > example.key。

公鑰（Public key）

單個節點的 WireGuard 公鑰，生成方式為：wg pubkey < example.key > example.key.pub。

DNS

域名伺服器，用於將域名解析為 威屁恩 客戶端的 IP，不讓 DNS請求洩漏到 威屁恩 之外。

2. WireGuard 工作原理

中繼伺服器工作原理

中繼伺服器（Bounce Server）和普通的對等節點一樣，它能夠在 NAT 後面的 威屁恩 客戶端之間充當中繼伺服器，可以將收到的任何 威屁恩 子網流量轉發到正確的對等節點。事實上 WireGuard 並不關心流量是如何轉發的，這個由系統核心和 iptables 規則處理。

如果所有的對等節點都是公網可達的，則不需要考慮中繼伺服器，只有當有對等節點位於 NAT 後面時才需要考慮。

在 WireGuard 裡，客戶端和服務端基本是平等的，差別只是誰主動連線誰而已。雙方都會監聽一個 UDP 埠，誰主動連線，誰就是客戶端。主動連線的客戶端需要指定對端的公網地址和埠，被動連線的服務端不需要指定其他對等節點的地址和埠。如果客戶端和服務端都位於 NAT 後面，需要加一箇中繼伺服器，客戶端和服務端都指定中繼伺服器作為對等節點，它們的通訊流量會先進入中繼伺服器，然後再轉發到對端。

WireGuard 是支援漫遊的，也就是說，雙方不管誰的地址變動了，WireGuard 在看到對方從新地址說話的時候，就會記住它的新地址（跟 mosh 一樣，不過是雙向的）。所以雙方要是一直保持線上，並且通訊足夠頻繁的話（比如配置 persistent-keepalive），兩邊的 IP 都不固定也不影響的。

Wireguard 如何路由流量

利用 WireGuard 可以組建非常複雜的網路拓撲，這裡主要介紹幾個典型的拓撲：

① 端到端直接連線

這是最簡單的拓撲，所有的節點要麼在同一個區域網，要麼直接通過公網訪問，這樣 WireGuard 可以直接連線到對端，不需要中繼跳轉。

② 一端位於 NAT 後面，另一端直接通過公網暴露

這種情況下，最簡單的方案是：通過公網暴露的一端作為服務端，另一端指定服務端的公網地址和埠，然後通過 persistent-keepalive 選項維持長連線，讓 NAT 記得對應的對映關係。

③ 兩端都位於 NAT 後面，通過中繼伺服器連線

大多數情況下，當通訊雙方都在 NAT 後面的時候，NAT 會做源埠隨機化處理，直接連線可能比較困難。可以加一箇中繼伺服器，通訊雙方都將中繼伺服器作為對端，然後維持長連線，流量就會通過中繼伺服器進行轉發。

④ 兩端都位於 NAT 後面，通過 UDP NAT 打洞

上面也提到了，當通訊雙方都在 NAT 後面的時候，直接連線不太現實，因為大多數 NAT 路由器對源埠的隨機化相當嚴格，不可能提前為雙方協調一個固定開放的埠。必須使用一個信令伺服器（STUN），它會在中間溝通分配給對方哪些隨機源埠。通訊雙方都會和公共信令伺服器進行初始連線，然後它記錄下隨機的源埠，並將其返回給客戶端。這其實就是現代 P2P 網路中 WebRTC 的工作原理。有時候，即使有了信令伺服器和兩端已知的源埠，也無法直接連線，因為 NAT 路由器嚴格規定只接受來自原始目的地址（信令伺服器）的流量，會要求新開一個隨機源埠來接受來自其他 IP 的流量（比如其他客戶端試圖使用原來的通訊源埠）。運營商級別的 NAT 就是這麼幹的，比如蜂窩網路和一些企業網路，它們專門用這種方法來防止打洞連線。更多細節請參考下一部分的 NAT 到 NAT 連線實踐的章節。

如果某一端同時連線了多個對端，當它想訪問某個 IP 時，如果有具體的路由可用，則優先使用具體的路由，否則就會將流量轉發到中繼伺服器，然後中繼伺服器再根據系統路由表進行轉發。你可以通過測量 ping 的時間來計算每一跳的長度，並通過檢查對端的輸出（wg show wg0）來找到 WireGuard 對一個給定地址的路由方式。

WireGuard 報文格式

WireGuard 使用加密的 UDP 報文來封裝所有的資料，UDP 不保證資料包一定能送達，也不保證按順序到達，但隧道內的 TCP 連線可以保證資料有效交付。WireGuard 的報文格式如下圖所示：

關於 WireGuard 報文的更多資訊可以參考下面幾篇文件：

WireGuard 的效能

WireGuard 聲稱其效能比大多數 威屁恩 協議更好，但這個事情有很多爭議，比如某些加密方式支援硬體層面的加速。

WireGuard 直接在核心層面處理路由，直接使用系統核心的加密模組來加密資料，和 Linux 原本內建的密碼子系統共存，原有的子系統能通過 API 使用 WireGuard 的 Zinc 密碼庫。WireGuard 使用 UDP 協議傳輸資料，在不使用的情況下預設不會傳輸任何 UDP 資料包，所以比常規 威屁恩 省電很多，可以像 55 一樣一直掛著使用，速度相比其他 威屁恩 也是壓倒性優勢。

關於效能比較的更多資訊可以參考下面幾篇文件：

WireGuard 安全模型

WireGuard 使用以下加密技術來保障資料的安全：

  • 使用 ChaCha20 進行對稱加密，使用 Poly1305 進行資料驗證。
  • 利用 Curve25519 進行金鑰交換。
  • 使用 BLAKE2 作為雜湊函式。
  • 使用 HKDF 進行解密。

WireGuard 的加密技術本質上是 Trevor Perrin 的 Noise 框架的例項化，它簡單高效，其他的 威屁恩 都是通過一系列協商、握手和複雜的狀態機來保障安全性。WireGuard 就相當於 威屁恩 協議中的 qmail，程式碼量比其他 威屁恩 協議少了好幾個數量級。

關於 WireGuard 加密的更多資料請參考下方連結：

WireGuard 金鑰管理

WireGuard 通過為每個對等節點提供簡單的公鑰和私鑰來實現雙向認證，每個對等節點在設定階段生成金鑰，且只在對等節點之間共享金鑰。每個節點除了公鑰和私鑰，不再需要其他證書或預共享金鑰。

在更大規模的部署中，可以使用 Ansible 或 Kubernetes Secrets 等單獨的服務來處理金鑰的生成、分發和銷燬。

下面是一些有助於金鑰分發和部署的服務：

如果你不想在 wg0.conf 配置檔案中直接硬編碼，可以從檔案或命令中讀取金鑰，這使得通過第三方服務管理金鑰變得更加容易：

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

從技術上講，多個服務端之間可以共享相同的私鑰，只要客戶端不使用相同的金鑰同時連線到兩個伺服器。但有時客戶端會需要同時連線多臺伺服器，例如，你可以使用 DNS 輪詢來均衡兩臺伺服器之間的連線，這兩臺伺服器配置相同。大多數情況下，每個對等節點都應該使用獨立的的公鑰和私鑰，這樣每個對等節點都不能讀取到對方的流量，保障了安全性。

理論部分就到這裡，下篇文章將會手把手教你如何從零開始配置 WireGuard，這裡會涉及到很多高階的配置方法，例如動態 IP、NAT 到 NAT、IPv6 等等。

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