原文鏈接：https://fuckcloudnative.io/posts/wireguard-docs-theory/
WireGuard 是由 Jason Donenfeld 等人用 C 語言撰寫的一個開源 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，它已經并入了 Linux 內核的 5.6 版本，這意味著大多數 Linux 發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，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 協議的性能測驗對比：
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 優點：
- 配置精簡，可直接使用默認值
- 只需最少的密鑰管理作業，每個主機只需要 1 個公鑰和 1 個私鑰，
- 就像普通的以太網介面一樣，以 Linux 內核模塊的形式運行，資源占用小，
- 能夠將部分流量或所有流量通過 威屁恩 傳送到局域網內的任意主機，
- 能夠在網路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，
- 支持任何型別的二層網路通信，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 協議實作網路自愈，
- 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，
- 發送原始的二層以太網幀，
當然，你可以使用 WireGuard 作為底層協議來實作自己想要的功能，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）
一個公網可達的對等節點，可以將流量中繼到 NAT 后面的其他對等節點，Bounce Server 并不是特殊的節點，它和其他對等節點一樣，唯一的區別是它有公網 IP，并且開啟了內核級別的 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 后面，例如辦公室局域網或家庭網路，
CIDR 表示法
這是一種使用掩碼表示子網大小的方式，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設備，需要通過 NAT 做網路地址轉換，路由器會跟蹤發出的連接，并將回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，那么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
域名服務器，用于將域名決議為 威屁恩 客戶端的 IP，不讓 DNS請求泄漏到 威屁恩 之外，
2. WireGuard 作業原理
中繼服務器作業原理
中繼服務器（Bounce Server）和普通的對等節點一樣，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 子網流量轉發到正確的對等節點，事實上 WireGuard 并不關心流量是如何轉發的，這個由系統內核和 iptables 規則處理，
如果所有的對等節點都是公網可達的，則不需要考慮中繼服務器，只有當有對等節點位于 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，雙方都會監聽一個 UDP 埠，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地址和埠，被動連接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點，它們的通信流量會先進入中繼服務器，然后再轉發到對端，
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路拓撲，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，所有的節點要么在同一個局域網，要么直接通過公網訪問，這樣 WireGuard 可以直接連接到對端，不需要中繼跳轉，
② 一端位于 NAT 后面，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
大多數情況下，當通信雙方都在 NAT 后面的時候，NAT 會做源埠隨機化處理，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發，
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，必須使用一個信令服務器（STUN），它會在中間溝通分配給對方哪些隨機源埠，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埠，并將其回傳給客戶端，這其實就是現代 P2P 網路中 WebRTC 的作業原理，有時候，即使有了信令服務器和兩端已知的源埠，也無法直接連接，因為 NAT 路由器嚴格規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信源埠），運營商級別的 NAT 就是這么干的，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接，更多細節請參考下一部分的 NAT 到 NAT 連接實踐的章節，
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，則優先使用具體的路由，否則就會將流量轉發到中繼服務器，然后中繼服務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，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 連接可以保證資料有效交付，WireGuard 的報文格式如下圖所示：
關于 WireGuard 報文的更多資訊可以參考下面幾篇檔案：
- 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 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持硬體層面的加速，
WireGuard 直接在內核層面處理路由，直接使用系統內核的加密模塊來加密資料，和 Linux 原本內置的密碼子系統共存，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，在不使用的情況下默認不會傳輸任何 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，
關于性能比較的更多資訊可以參考下面幾篇檔案：
- 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進行密鑰交換， - 使用
BLAKE2作為哈希函式， - 使用
HKDF進行解密，
WireGuard 的加密技術本質上是 Trevor Perrin 的 Noise 框架的實體化，它簡單高效，其他的 威屁恩 都是通過一系列協商、握手和復雜的狀態機來保障安全性，WireGuard 就相當于 威屁恩 協議中的 qmail，代碼量比其他 威屁恩 協議少了好幾個數量級，
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 通過為每個對等節點提供簡單的公鑰和私鑰來實作雙向認證，每個對等節點在設定階段生成密鑰，且只在對等節點之間共享密鑰，每個節點除了公鑰和私鑰，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、分發和銷毀，
下面是一些有助于密鑰分發和部署的服務：
- 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 組態檔中直接硬編碼，可以從檔案或命令中讀取密鑰，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，
理論部分就到這里，下篇文章將會手把手教你如何從零開始配置 WireGuard，這里會涉及到很多高級的配置方法，例如動態 IP、NAT 到 NAT、IPv6 等等，
Kubernetes 1.18.2 1.17.5 1.16.9 1.15.12離線安裝包發布地址http://store.lameleg.com ，歡迎體驗， 使用了最新的sealos v3.3.6版本， 作了主機名決議配置優化，lvscare 掛載/lib/module解決開機啟動ipvs加載問題， 修復lvscare社區netlink與3.10內核不兼容問題,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 ，釘釘群已經集成sealos的機器人實時可以看到sealos的動態，
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