> 原文連結：[https://fuckcloudnative.io/posts/wireguard-docs-theory/](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： + [wireshark.org/docs/dfref/w/wg.html](https://www.wireshark.org/docs/dfref/w/wg.html) + [Lekensteyn/wireguard-dissector](https://github.com/Lekensteyn/wireguard-dissector) + [nbsoftsolutions.com/blog/viewing-wireguard-traffic-with-tcpdump](https://nbsoftsolutions.com/blog/viewing-wireguard-traffic-with-tcpdump) ### 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.com/performance](https://www.wireguard.com/performance/) + [reddit.com/r/linux/comments/9bnowo/wireguard_benchmark_between_two_servers_with_10](https://www.reddit.com/r/linux/comments/9bnowo/wireguard_benchmark_between_two_servers_with_10/) + [restoreprivacy.com/open威屁恩-ipsec-wireguard-l2tp-ikev2-protocols](https://restoreprivacy.com/open威屁恩-ipsec-wireguard-l2tp-ikev2-protocols/) ### 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.com/papers/wireguard.pdf](https://www.wireguard.com/papers/wireguard.pdf) + [eprint.iacr.org/2018/080.pdf](https://eprint.iacr.org/2018/080.pdf) + [courses.csail.mit.edu/6.857/2018/project/He-Xu-Xu-WireGuard.pdf](https://courses.csail.mit.edu/6.857/2018/project/He-Xu-Xu-WireGuard.pdf) + [wireguard.com/talks/blackhat2018-slides.pdf](https://www.wireguard.com/talks/blackhat2018-slides.pdf) + [arstechnica.com/gadgets/2018/08/wireguard-威屁恩-review-fast-connections-amaze-but-windows-support-needs-to-happen](https://arstechnica.com/gadgets/2018/08/wireguard-威屁恩-review-fast-connections-amaze-but-windows-support-needs-to-happen/) ### 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： - [pypi.org/project/wireguard-p2p](https://pypi.org/project/wireguard-p2p/) - [trailofbits/algo](https://github.com/trailofbits/algo) - [StreisandEffect/streisand](https://github.com/StreisandEffect/streisand) - [its0x08/wg-install](https://github.com/its0x08/wg-install) - [brittson/wireguard_config_maker](https://github.com/brittson/wireguard_config_maker) - [wireguardconfig.com](https://www.wireguardconfig.com) 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： ```bash [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。 ---- Kubernetes 1.18.2 1.17.5 1.16.9 1.15.12離線安裝包釋出地址http://store.lameleg.com ，歡迎體驗。 使用了最新的sealos v3.3.6版本。 作了主機名解析配置優化，lvscare 掛載/lib/module解決開機啟動ipvs載入問題， 修復lvscare社群netlink與3.10核心不相容問題,sealos生成百年證書等特性。更多特性 https://github.com/fanux/sealos 。歡迎掃描下方的二維碼加入釘釘群 ，釘釘群已經整合sealos的機器人實時可以看到sealos的動態。 ![](https://img2020.cnblogs.com/other/1737323/202007/1737323-20200706093725026-1480920