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原文鏈接：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(xié)議，被視為下一代 威屁恩 協(xié)議，旨在解決許多困擾 IPSec/IKEv2、Open威屁恩 或 L2TP 等其他 威屁恩 協(xié)議的問題。它與 Tinc 和 MeshBird 等現(xiàn)代 威屁恩 產(chǎn)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(jīng)并入了 Linux 內(nèi)核的 5.6 版本，這意味著大多數(shù) Linux 發(fā)行版的用戶將擁有一個開箱即用的 WireGuard。

無論你是想破墻而出，還是想在服務器之間組網(wǎng)，WireGuard 都不會讓你失望，它就是組網(wǎng)的『樂高積木』，就像 ZFS 是構建文件系統(tǒng)的『樂高積木』一樣。

WireGuard 與其他 威屁恩 協(xié)議的性能測試對比：

可以看到 WireGuard 直接碾壓其他 威屁恩 協(xié)議。再來說說 Open威屁恩，大約有 10 萬行代碼，而 WireGuard 只有大概 4000 行代碼，代碼庫相當精簡，簡直就是件藝術品啊。你再看看 Open威屁恩 的性能，算了不說了。

WireGuard 優(yōu)點：

• 配置精簡，可直接使用默認值

• 只需最少的密鑰管理工作，每個主機只需要 1 個公鑰和 1 個私鑰。

• 就像普通的以太網(wǎng)接口一樣，以 Linux 內(nèi)核模塊的形式運行，資源占用小。

• 能夠?qū)⒉糠至髁炕蛩辛髁客ㄟ^ 威屁恩 傳送到局域網(wǎng)內(nèi)的任意主機。

• 能夠在網(wǎng)絡故障恢復之后自動重連，戳到了其他 威屁恩 的痛處。

• 比目前主流的 威屁恩 協(xié)議，連接速度要更快，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。

• 支持任何類型的二層網(wǎng)絡通信，例如 ARP、DHCP 和 ICMP，而不僅僅是 TCP/HTTP。

• 可以運行在主機中為容器之間提供通信，也可以運行在容器中為主機之間提供通信。

WireGuard 不能做的事：

• 類似 gossip 協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡自愈。

• 通過信令服務器突破雙重 NAT。

• 通過中央服務器自動分配和撤銷密鑰。

• 發(fā)送原始的二層以太網(wǎng)幀。

當然，你可以使用 WireGuard 作為底層協(xié)議來實現(xiàn)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

連接到 威屁恩 并為自己注冊一個 威屁恩 子網(wǎng)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(wǎng)范圍，為其自身地址以外的 IP 地址選擇路由。

中繼服務器（Bounce Server）

一個公網(wǎng)可達的對等節(jié)點，可以將流量中繼到 NAT 后面的其他對等節(jié)點。Bounce Server 并不是特殊的節(jié)點，它和其他對等節(jié)點一樣，唯一的區(qū)別是它有公網(wǎng) IP，并且開啟了內(nèi)核級別的 IP 轉(zhuǎn)發(fā)，可以將 威屁恩 的流量轉(zhuǎn)發(fā)到其他客戶端。

子網(wǎng)（Subnet）

一組私有 IP，例如 192.0.2.1-255 或 192.168.1.1/24，一般在 NAT 后面，例如辦公室局域網(wǎng)或家庭網(wǎng)絡。

CIDR 表示法

這是一種使用掩碼表示子網(wǎng)大小的方式，這個不用解釋了。

NAT

子網(wǎng)的私有 IP 地址由路由器提供，通過公網(wǎng)無法直接訪問私有子網(wǎng)設備，需要通過 NAT 做網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換。路由器會跟蹤發(fā)出的連接，并將響應轉(zhuǎn)發(fā)到正確的內(nèi)部 IP。

公開端點（Public Endpoint）

節(jié)點的公網(wǎng) IP 地址:端口，例如 123.124.125.126:1234，或者直接使用域名 some.domain.tld:1234。如果對等節(jié)點不在同一子網(wǎng)中，那么節(jié)點的公開端點必須使用公網(wǎng) IP 地址。

私鑰（Private key）

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

公鑰（Public key）

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

DNS

域名服務器，用于將域名解析為 威屁恩 客戶端的 IP，不讓 DNS請求泄漏到 威屁恩 之外。

2. WireGuard 工作原理

中繼服務器工作原理

中繼服務器（Bounce Server）和普通的對等節(jié)點一樣，它能夠在 NAT 后面的 威屁恩 客戶端之間充當中繼服務器，可以將收到的任何 威屁恩 子網(wǎng)流量轉(zhuǎn)發(fā)到正確的對等節(jié)點。事實上 WireGuard 并不關心流量是如何轉(zhuǎn)發(fā)的，這個由系統(tǒng)內(nèi)核和 iptables 規(guī)則處理。

如果所有的對等節(jié)點都是公網(wǎng)可達的，則不需要考慮中繼服務器，只有當有對等節(jié)點位于 NAT 后面時才需要考慮。

在 WireGuard 里，客戶端和服務端基本是平等的，差別只是誰主動連接誰而已。雙方都會監(jiān)聽一個 UDP 端口，誰主動連接，誰就是客戶端。主動連接的客戶端需要指定對端的公網(wǎng)地址和端口，被動連接的服務端不需要指定其他對等節(jié)點的地址和端口。如果客戶端和服務端都位于 NAT 后面，需要加一個中繼服務器，客戶端和服務端都指定中繼服務器作為對等節(jié)點，它們的通信流量會先進入中繼服務器，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到對端。

WireGuard 是支持漫游的，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在線，并且通信足夠頻繁的話（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 可以組建非常復雜的網(wǎng)絡拓撲，這里主要介紹幾個典型的拓撲：

① 端到端直接連接

這是最簡單的拓撲，所有的節(jié)點要么在同一個局域網(wǎng)，要么直接通過公網(wǎng)訪問，這樣 WireGuard 可以直接連接到對端，不需要中繼跳轉(zhuǎn)。

② 一端位于 NAT 后面，另一端直接通過公網(wǎng)暴露

這種情況下，最簡單的方案是：通過公網(wǎng)暴露的一端作為服務端，另一端指定服務端的公網(wǎng)地址和端口，然后通過 persistent-keepalive 選項維持長連接，讓 NAT 記得對應的映射關系。

③ 兩端都位于 NAT 后面，通過中繼服務器連接

大多數(shù)情況下，當通信雙方都在 NAT 后面的時候，NAT 會做源端口隨機化處理，直接連接可能比較困難。可以加一個中繼服務器，通信雙方都將中繼服務器作為對端，然后維持長連接，流量就會通過中繼服務器進行轉(zhuǎn)發(fā)。

④ 兩端都位于 NAT 后面，通過 UDP NAT 打洞

上面也提到了，當通信雙方都在 NAT 后面的時候，直接連接不太現(xiàn)實，因為大多數(shù) NAT 路由器對源端口的隨機化相當嚴格，不可能提前為雙方協(xié)調(diào)一個固定開放的端口。必須使用一個信令服務器（STUN），它會在中間溝通分配給對方哪些隨機源端口。通信雙方都會和公共信令服務器進行初始連接，然后它記錄下隨機的源端口，并將其返回給客戶端。這其實就是現(xiàn)代 P2P 網(wǎng)絡中 WebRTC 的工作原理。有時候，即使有了信令服務器和兩端已知的源端口，也無法直接連接，因為 NAT 路由器嚴格規(guī)定只接受來自原始目的地址（信令服務器）的流量，會要求新開一個隨機源端口來接受來自其他 IP 的流量（比如其他客戶端試圖使用原來的通信源端口）。運營商級別的 NAT 就是這么干的，比如蜂窩網(wǎng)絡和一些企業(yè)網(wǎng)絡，它們專門用這種方法來防止打洞連接。更多細節(jié)請參考下一部分的 NAT 到 NAT 連接實踐的章節(jié)。

如果某一端同時連接了多個對端，當它想訪問某個 IP 時，如果有具體的路由可用，則優(yōu)先使用具體的路由，否則就會將流量轉(zhuǎn)發(fā)到中繼服務器，然后中繼服務器再根據(jù)系統(tǒng)路由表進行轉(zhuǎn)發(fā)。你可以通過測量 ping 的時間來計算每一跳的長度，并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 報文來封裝所有的數(shù)據(jù)，UDP 不保證數(shù)據(jù)包一定能送達，也不保證按順序到達，但隧道內(nèi)的 TCP 連接可以保證數(shù)據(jù)有效交付。WireGuard 的報文格式如下圖所示：

關于 WireGuard 報文的更多信息可以參考下面幾篇文檔：

• wireshark.org/docs/dfref/w/wg.html

• Lekensteyn/wireguard-dissector

• nbsoftsolutions.com/blog/viewing-wireguard-traffic-with-tcpdump

WireGuard 的性能

WireGuard 聲稱其性能比大多數(shù) 威屁恩 協(xié)議更好，但這個事情有很多爭議，比如某些加密方式支持硬件層面的加速。

WireGuard 直接在內(nèi)核層面處理路由，直接使用系統(tǒng)內(nèi)核的加密模塊來加密數(shù)據(jù)，和 Linux 原本內(nèi)置的密碼子系統(tǒng)共存，原有的子系統(tǒng)能通過 API 使用 WireGuard 的 Zinc 密碼庫。WireGuard 使用 UDP 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，在不使用的情況下默認不會傳輸任何 UDP 數(shù)據(jù)包，所以比常規(guī) 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(yōu)勢。

關于性能比較的更多信息可以參考下面幾篇文檔：

• wireguard.com/performance

• reddit.com/r/linux/comments/9bnowo/wireguard_benchmark_between_two_servers_with_10

• 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數(shù)據(jù)的安全：

• 使用 ChaCha20 進行對稱加密，使用 Poly1305 進行數(shù)據(jù)驗證。

• 利用 Curve25519 進行密鑰交換。

• 使用 BLAKE2 作為哈希函數(shù)。

• 使用 HKDF 進行解密。

WireGuard 的加密技術本質(zhì)上是 Trevor Perrin 的 Noise 框架的實例化，它簡單高效，其他的 威屁恩 都是通過一系列協(xié)商、握手和復雜的狀態(tài)機來保障安全性。WireGuard 就相當于 威屁恩 協(xié)議中的 qmail，代碼量比其他 威屁恩 協(xié)議少了好幾個數(shù)量級。

關于 WireGuard 加密的更多資料請參考下方鏈接：

• 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-威屁恩-review-fast-connections-amaze-but-windows-support-needs-to-happen

WireGuard 密鑰管理

WireGuard 通過為每個對等節(jié)點提供簡單的公鑰和私鑰來實現(xiàn)雙向認證，每個對等節(jié)點在設置階段生成密鑰，且只在對等節(jié)點之間共享密鑰。每個節(jié)點除了公鑰和私鑰，不再需要其他證書或預共享密鑰。

在更大規(guī)模的部署中，可以使用 Ansible 或 Kubernetes Secrets 等單獨的服務來處理密鑰的生成、分發(fā)和銷毀。

下面是一些有助于密鑰分發(fā)和部署的服務：

• 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 配置文件中直接硬編碼，可以從文件或命令中讀取密鑰，這使得通過第三方服務管理密鑰變得更加容易：

[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密鑰同時連接到兩個服務器。但有時客戶端會需要同時連接多臺服務器，例如，你可以使用 DNS 輪詢來均衡兩臺服務器之間的連接，這兩臺服務器配置相同。大多數(shù)情況下，每個對等節(jié)點都應該使用獨立的的公鑰和私鑰，這樣每個對等節(jié)點都不能讀取到對方的流量，保障了安全性。