网络协议--vpn

基本原理

VPN的基本原理是通过加密和隧道技术在公共网络（如互联网）上创建一个虚拟的专用网络。这些技术确保了数据的保密性、完整性和真实性。

• 加密：VPN加密传输的数据，使其在公共网络上不可读。
• 隧道：VPN将数据打包，通过一个称为隧道的加密通道传输，保护数据免受窥探和篡改。

工作流程

以下是VPN的基本工作流程：

1. 客户端与服务器连接：VPN客户端通过互联网与VPN服务器建立连接。
2. 身份验证：客户端向服务器验证身份。常见的身份验证方法包括用户名和密码、数字证书、双因素认证等。
3. 隧道建立：在身份验证通过后，客户端和服务器之间建立安全的隧道。隧道协议和加密算法在此阶段确定。
4. 数据传输：数据在隧道中进行加密和解密传输。客户端和服务器负责对数据进行加密和解密，以确保安全。
5. 数据解包和转发：VPN服务器解包数据包并将其转发到目标网络，或者从目标网络接收数据包并返回给客户端。

主要组件

1. 隧道协议

VPN使用各种隧道协议来建立和管理隧道连接。常见的隧道协议包括：

• PPTP（Point-to-Point Tunneling Protocol）：一种早期的VPN协议，易于配置，但安全性较弱。
• L2TP/IPsec（Layer 2 Tunneling Protocol with IPsec）：结合了L2TP的隧道功能和IPsec的加密功能，安全性较高。
• OpenVPN：一个开源的VPN协议，高度可配置，支持多种加密算法和验证机制。
• IKEv2/IPsec（Internet Key Exchange version 2 with IPsec）：快速、可靠，尤其在移动设备上表现优秀，支持断线重连。
• WireGuard：一个现代、高效的VPN协议，设计简洁，性能和安全性良好。

2. 加密算法

VPN使用加密算法来保护数据。常见的加密算法有：

• AES（Advanced Encryption Standard）：广泛使用的对称加密算法，安全性高，性能良好。
• 3DES（Triple Data Encryption Standard）：一种对称加密算法，较AES慢且不推荐在现代应用中使用。
• RSA：一种用于密钥交换的非对称加密算法。
• DH（Diffie-Hellman）：一种密钥交换协议，用于安全地生成会话密钥。

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WireGuard 协议

主要数据包类型包括：

1. Handshake Initiation data packet（握手初始数据包）
2. Handshake Response data packet（握手响应数据包）
3. Cookie Reply data packet（Cookie 回复数据包）
4. Data Transmission data packet（数据传输数据包）

1. Handshake Initiation Data Packet (类型 1)
该数据包用于初始化握手过程。其格式如下：

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Type = 1          |         Reserved = 0          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      Sender's Index                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+                        Sender's Ephemeral Public Key        +
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+                       Encrypted Static Key                  |
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+                       Encrypted Timestamp                   |
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Type (0-15 bits, 共16位）：表示数据包的类型。对Handshake Initiation数据包而言，这个值固定为1。Reserved（16-31位，共16位）：保留字段，固定为0。

Sender's Index（32-63位，共32位）：一个随机生成的32位无符号整数，用于标识当前会话。这是发送者生成和使用的本地标识。

Sender's Ephemeral Public Key（64-319位，共256位）：发送者的临时公钥，采用 Curve25519 加密算法。这个公钥是临时的，每次握手时重新生成。

Encrypted Static Key（320-575位，共256位）：发送者的静态公钥，经过加密后发送。接收者使用临时公钥对其解密来验证发送者的身份。

Encrypted Timestamp（576-831位，共256位）：一个时间戳，经过加密后发送，用于防止重放攻击。接收者使用临时公钥对其解密。

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Handshake Response Data Packet (类型 2)
Handshake Response 数据包用于响应握手初始数据包，格式如下：
0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Type = 2          |         Reserved = 0          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      Receiver's Index                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      Sender's Index                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+                    Sender's Ephemeral Public Key            +
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+                       Encrypted Timestamp                   |
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+                       MAC for Handshake                     |
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Type (0-15 bits, 共16位）：表示数据包的类型，对握手响应数据包类型而言，这个值固定为2。
Reserved（16-31位，共16位）：保留字段，固定为0。

Receiver's Index（32-63位，共32位）：接收者用于标识会话的32位无符号整数。与发送者的索引不同，这是接收者生成和使用的标识。

Sender's Index（64-95位，共32位）：发送握手请求者的会话标识，与握手初始数据包的会话标识一致。

Sender's Ephemeral Public Key（96-351位，共256位）：握手响应请求者的临时公钥，使用 Curve25519 加密算法。

Encrypted Timestamp（352-607位，共256位）：一个时间戳，使用临时公钥加密，用于防止重放攻击。

MAC for Handshake（608-863位，共256位）：消息验证码，用于确保数据完整性和身份验证，使用发送者和接收者之间共享的密钥生成。

---

Cookie Reply Data Packet（类型 3）
Cookie Reply 数据包用于防止DoS攻击，具体格式如下：
0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Type = 3          |         Reserved = 0          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      Receiver's Index                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|               Encrypted Cookie for DoS Mitigation           |
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Type (0-15 bits, 共16位）：表示数据包的类型，对Cookie回复数据包类型而言，这个值固定为3。
Reserved（16-31位，共16位）：保留字段，固定为0。

Receiver's Index（32-63位，共32位）：接收者用于标识会话的32位无符号整数。

Encrypted Cookie for DoS Mitigation（64-319位，共256位）：用于防止DoS攻击的加密Cookie，接收者可以验证此Cookie从而判断请求的合法性。

---

Data Transmission Data Packet（类型 4）
数据传输数据包用于传递实际的数据，具体格式如下：

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Type = 4          |         Receiver's Index      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     Counter (64 bits)                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+                      Encrypted Payload                      +
|                                                             |
+                                                             +
|                                                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Type (0-15 bits, 共16位）：表示数据包的类型，对数据传输数据包类型而言，这个值固定为4。

Receiver's Index（16-47位，共32位）：接收方使用的会话标识符。用于在接收方识别属于哪一个会话。

Counter（48-111位，共64位）：一个64位的计数器，每个会话内的每个数据包都有一个唯一的计数器值。用于防止重放攻击并确保数据完整性。

Encrypted Payload（112位起）：加密后的实际数据负载，使用会话密钥加密。

---

这里以boringtun 为例来说明: (https://github.com/cloudflare/boringtun.git)
类别定义：

type MessageType = u32;
const HANDSHAKE_INIT: MessageType = 1;
const HANDSHAKE_RESP: MessageType = 2;
const COOKIE_REPLY: MessageType = 3;
const DATA: MessageType = 4;

Handshake Initiation Data Packet (类型 1)

#[derive(Debug)]
pub struct HandshakeInit<'a> {
    sender_idx: u32,
    unencrypted_ephemeral: &'a [u8; 32],
    encrypted_static: &'a [u8],
    encrypted_timestamp: &'a [u8],
}

Handshake Response data packet（握手响应数据包）

#[derive(Debug)]
pub struct HandshakeResponse<'a> {
    sender_idx: u32,
    pub receiver_idx: u32,
    unencrypted_ephemeral: &'a [u8; 32],
    encrypted_nothing: &'a [u8],
}

3. Cookie Reply data packet（Cookie 回复数据包）

#[derive(Debug)]
pub struct PacketCookieReply<'a> {
    pub receiver_idx: u32,
    nonce: &'a [u8],
    encrypted_cookie: &'a [u8],
}

Data Transmission data packet（数据传输数据包）

#[derive(Debug)]
pub struct PacketData<'a> {
    pub receiver_idx: u32,
    counter: u64,
    encrypted_encapsulated_packet: &'a [u8],
}

---

协议处理过程：

  #[inline(always)]
    pub fn parse_incoming_packet(src: &[u8]) -> Result<Packet, WireGuardError> {
        if src.len() < 4 {
            return Err(WireGuardError::InvalidPacket);
        }

        // Checks the type, as well as the reserved zero fields
        let packet_type = u32::from_le_bytes(src[0..4].try_into().unwrap());

        Ok(match (packet_type, src.len()) {
            (HANDSHAKE_INIT, HANDSHAKE_INIT_SZ) => Packet::HandshakeInit(HandshakeInit {
                sender_idx: u32::from_le_bytes(src[4..8].try_into().unwrap()),
                unencrypted_ephemeral: <&[u8; 32] as TryFrom<&[u8]>>::try_from(&src[8..40])
                    .expect("length already checked above"),
                encrypted_static: &src[40..88],
                encrypted_timestamp: &src[88..116],
            }),
            (HANDSHAKE_RESP, HANDSHAKE_RESP_SZ) => Packet::HandshakeResponse(HandshakeResponse {
                sender_idx: u32::from_le_bytes(src[4..8].try_into().unwrap()),
                receiver_idx: u32::from_le_bytes(src[8..12].try_into().unwrap()),
                unencrypted_ephemeral: <&[u8; 32] as TryFrom<&[u8]>>::try_from(&src[12..44])
                    .expect("length already checked above"),
                encrypted_nothing: &src[44..60],
            }),
            (COOKIE_REPLY, COOKIE_REPLY_SZ) => Packet::PacketCookieReply(PacketCookieReply {
                receiver_idx: u32::from_le_bytes(src[4..8].try_into().unwrap()),
                nonce: &src[8..32],
                encrypted_cookie: &src[32..64],
            }),
            (DATA, DATA_OVERHEAD_SZ..=std::usize::MAX) => Packet::PacketData(PacketData {
                receiver_idx: u32::from_le_bytes(src[4..8].try_into().unwrap()),
                counter: u64::from_le_bytes(src[8..16].try_into().unwrap()),
                encrypted_encapsulated_packet: &src[16..],
            }),
            _ => return Err(WireGuardError::InvalidPacket),
        })
    }