WireGuard 教程:使用 DNS-SD 进行 NAT-to-NAT 穿透
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发布时间：2024-10-10 05:14
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时间：2024-11-12 17:37
WireGuard 是由 Jason A. Donenfeld 等人创建的下一代开源 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。2020 年 1 月 29 日，WireGuard 正式合并进入 Linux 5.6 内核主线。
利用 WireGuard 我们可以实现很多非常奇妙的功能，比如跨公有云组建 Kubernetes 集群，本地直接访问公有云 Kubernetes 集群中的 Pod IP 和 Service IP，在家中没有公网 IP 的情况下直连家中的设备，等等。
如果你是第一次听说 WireGuard，建议你花点时间看看我之前写的 WireGuard 工作原理。然后可以参考下面两篇文章来快速上手：
如果遇到某些细节不太明白的，再去参考 WireGuard 配置详解。
本文将探讨 WireGuard 使用过程中遇到的一个重大难题：如何使两个位于 NAT 后面（且没有指定公网出口）的客户端之间直接建立连接。
WireGuard 不区分服务端和客户端，大家都是客户端，与自己连接的所有客户端都被称之为Peer。
1. IP 不固定的 Peer
WireGuard 的核心部分是 加密密钥路由（Cryptokey Routing），它的工作原理是将公钥和 IP 地址列表（AllowedIPs）关联起来。每一个网络接口都有一个私钥和一个 Peer 列表，每一个 Peer 都有一个公钥和 IP 地址列表。发送数据时，可以把 IP 地址列表看成路由表；接收数据时，可以把 IP 地址列表看成访问控制列表。
公钥和 IP 地址列表的关联组成了 Peer 的必要配置，从隧道验证的角度看，根本不需要 Peer 具备静态 IP 地址。理论上，如果 Peer 的 IP 地址不同时发生变化，WireGuard 是可以实现 IP 漫游的。
现在回到最初的问题：假设两个 Peer 都在 NAT 后面，且这个 NAT 不受我们控制，无法配置 UDP 端口转发，即无法指定公网出口，要想建立连接，不仅要动态发现 Peer 的 IP 地址，还要发现 Peer 的端口。
找了一圈下来，现有的工具根本无法实现这个需求，本文将致力于不对 WireGuard 源码做任何改动的情况下实现上述需求。
2. 中心辐射型网络拓扑
你可能会问我为什么不使用 中心辐射型（hub-and-spoke）网络拓扑？中心辐射型网络有一个 VPN 网关，这个网关通常都有一个静态 IP 地址，其他所有的客户端都需要连接这个 VPN 网关，再由网关将流量转发到其他的客户端。假设 Alice 和 Bob 都位于 NAT 后面，那么 Alice 和 Bob 都要和网关建立隧道，然后 Alice 和 Bob 之间就可以通过 VPN 网关转发流量来实现相互通信。
其实这个方法是如今大家都在用的方法，已经没什么可说的了，缺点相当明显：
本文想探讨的是Alice 和 Bob 之间直接建立隧道，中心辐射型（hub-and-spoke）网络拓扑是无法做到的。
3. NAT 穿透
要想在Alice 和 Bob 之间直接建立一个 WireGuard 隧道，就需要它们能够穿过挡在它们面前的 NAT。由于 WireGuard 是通过 UDP 来相互通信的，所以理论上 UDP 打洞（UDP hole punching） 是最佳选择。
UDP 打洞（UDP hole punching）利用了这样一个事实：大多数 NAT 在将入站数据包与现有的连接进行匹配时都很宽松。这样就可以重复使用端口状态来打洞，因为 NAT 路由器不会*只接收来自原始目的地址（信使服务器）的流量，其他客户端的流量也可以接收。
举个例子，假设Alice 向新主机 Carol 发送一个 UDP 数据包，而 Bob 此时通过某种方法获取到了 Alice 的 NAT 在地址转换过程中使用的出站源 IP:Port，Bob 就可以向这个 IP:Port（2.2.2.2:7777） 发送 UDP 数据包来和 Alice 建立联系。
其实上面讨论的就是完全圆锥型 NAT（Full cone NAT），即一对一（one-to-one）NAT。它具有以下特点：
大部分的 NAT 都是这种 NAT，对于其他少数不常见的 NAT，这种打洞方法有一定的局限性，无法顺利使用。
4. STUN
回到上面的例子，UDP 打洞过程中有几个问题至关重要：
RFC5389 关于 STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越应用程序）的详细描述中定义了一个协议回答了上面的一部分问题，这是一篇内容很长的 RFC，所以我将尽我所能对其进行总结。先提醒一下，STUN 并不能直接解决上面的问题，它只是个扳手，你还得拿他去打造一个称手的工具：
STUN 本身并不是 NAT 穿透问题的解决方案，它只是定义了一个机制，你可以用这个机制来组建实际的解决方案。 — RFC5389
STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越应用程序）STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越应用程序）是一种网络协议，它允许位于NAT（或多重NAT）后的客户端找出自己的公网地址，查出自己位于哪种类型的 NAT 之后以及 NAT 为某一个本地端口所绑定的公网端口。这些信息被用来在两个同时处于 NAT 路由器之后的主机之间建立 UDP 通信。该协议由 RFC 5389 定义。
STUN 是一个客户端－服务端协议，在上图的例子中，Alice 是客户端，Carol 是服务端。Alice 向 Carol 发送一个 STUN Binding 请求，当 Binding 请求通过 Alice 的 NAT 时，源 IP:Port 会被重写。当 Carol 收到 Binding 请求后，会将三层和四层的源 IP:Port 复制到 Binding 响应的有效载荷中，并将其发送给 Alice。Binding 响应通过 Alice 的 NAT 转发到内网的 Alice，此时的目标 IP:Port 被重写成了内网地址，但有效载荷保持不变。Alice 收到 Binding 响应后，就会意识到这个 Socket 的公网 IP:Port 是 2.2.2.2:7777。
然而，STUN 并不是一个完整的解决方案，它只是提供了这么一种机制，让应用程序获取到它的公网 IP:Port，但 STUN 并没有提供具体的方法来向相关方向发出信号。如果要重头编写一个具有 NAT 穿透功能的应用，肯定要利用 STUN 来实现。当然，明智的做法是不修改 WireGuard 的源码，最好是借鉴 STUN 的概念来实现。总之，不管如何，都需要一个拥有静态公网地址的主机来充当信使服务器。
5. NAT 穿透示例
早在 2016 年 8 月...
