作者：0x7F@知道創宇404實驗室
時間：2021年7月21日
0x00 前言
最近在工作中遇到 VPN 的相關問題，之前一直對 VPN 的原理存在一些疑惑，借此機會學習一下 VPN 的原理以及進行實現驗證。
由于 VPN 在不同系統下的實現方式不同，為了便于學習和理解，這里我們選擇 Linux 環境，我本地測試環境使用的是 Ubuntu 18.04 x64。
本文從 TUN/TAP 出發，逐步理解 VPN 中的技術細節；并結合 simpletun 源碼，進行 VPN 的原理驗證。
0x01 VPN是什么
VPN 全稱為虛擬私人網絡(Virtual Private Network)，常用于連接中、大型企業或團體間私人網絡的通訊方法，利用隧道協議（Tunneling Protocol）來達到發送端認證、消息保密與準確性等功能。
比如多地辦公的公司，可以使用 VPN 將不同地區連接在同一內網下；或者在家辦公的時候也可以通過 VPN 接入公司內網中。
VPN 以 CS 架構運行，工作流程如下：
在外網的用戶可以使用 vpn client 連接組織搭建的 vpn server 以建立通信隧道，隨后便建立了虛擬的私人網絡，處于外網的 worker 和內網中的 server 可以相互通信。
那么我們可以簡單理解 VPN，由 VPN client 捕獲用戶發出的報文，封裝報文后通過物理網絡通信鏈路將報文發給 VPN server，VPN server 接收到報文后進行解包，再將其轉發給實際的目標，反之同理； VPN 在邏輯層面構建了虛擬網絡。
0x02 TUN/TAP
那么在代碼層面 VPN 是如何實現的呢？我們可以先來看看 TUN/TAP。
TUN/TAP 是操作系統內核中的虛擬網絡設備，由軟件進行實現，向操作系統和應用程序提供與硬件網絡設備完全相同的功能。其中 TAP 是以太網設備(二層設備)，操作和封裝以太網數據幀，TUN 則是網絡層設備(三層設備)，操作和封裝網絡層數據幀。
當應用程序發出報文后，報文將通過操作系統協議棧處理，到達網絡設備，硬件網絡設備將收到的報文轉化為電信號發出，而虛擬網絡設備(TUN/TAP)不具備實際的物理功能，報文需要上層應用進行處理，如下：
我們直接使用命令創建 TUN/TAP 設備，并進行測試：
# ip tuntap 創建名為 tun0 的 tun 設備
sudo ip tuntap add dev tun0 mod tun
# 為 tun0 配置 ip
sudo ifconfig tun0 192.168.0.10 netmask 255.255.255.0
# 查看 tun0 網卡
ifconfig tun0如下：
在 VPN 中我們可以借助 TUN/TAP 來捕獲用戶發出的報文。
0x03 虛擬通信鏈路
按照 TUN/TAP 的工作特性，我們可以編寫程序直接讀寫虛擬網卡(也就是物理網卡實際收發報文的過程)，來實現捕獲用戶數據以及傳遞用戶數據。(TUN 和 TAP 有不同的應用場景，下文我們將以更簡單的 TUN 作為例子)
隨后，位于不同主機上的程序通過 socket 進行通信，將從虛擬網卡的接收的數據通過 socket 發送給對端，這就是一個 VPN 的雛形了，如下：
simpletun 是這種方案的最小實現(源碼僅 300+ 行，感興趣的小伙伴可以自行學習)，在源碼中實現了創建虛擬網絡設備以及 socket 通信，借助 simpletun 可以幫助我們快速進行驗證。
需要注意一點，simpletun 啟動后需要我們手動配置虛擬網卡的 ip 地址，當 ip 地址未配置時，兩端相互發送數據(部分操作系統會自動發送)會造成程序異常退出，所以在代碼中添加一個 sleep(30) 便于我們配置 ip 地址：
在兩臺 Ubuntu 測試環境下配置并進行驗證：
# A主機
# 編譯 simpletun
gcc simpletun.c -Wall -o vpn
# 作為 vpn server 啟動，并開啟 debug，默認監聽 55555
sudo ./vpn -i tun0 -s -d
# 配置 tun 網卡地址
sudo ifconfig tun0 192.168.0.10 netmask 255.255.255.0
# B主機
# 編譯 simpletun
gcc simpletun.c -Wall -o vpn
# 作為 vpn client 啟動，連接 server，并開啟 debug
sudo ./vpn -i tun0 -c 10.11.33.50 -d
# 配置 tun 網卡地址
sudo ifconfig tun0 192.168.0.11 netmask 255.255.255.0此時兩臺主機位于 192.168.0.0/24 虛擬網絡網段下，可以相互通信，如下：
0x04 訪問內網網段
在上文的驗證中，我們可以實現兩端的虛擬網絡搭建和通信，但實際 VPN 的使用場景是需要通過 VPN 訪問整個內網網段，在這種使用場景下，VPN server 至少配置有兩張物理網卡，其中一張接入內網網段，另一張則連接到互聯網。
按照 0x03 虛擬通信鏈路 的鏈路，VPN client 發送報文到內網主機，VPN server 接收到該報文后，將其寫入到虛擬網卡中，隨后報文進入 TCP/IP 協議棧，但是由于 IP 地址不是 VPN server 自己，該報文會被丟棄，無法正常進行通信；這里我們需要借助「報文轉發」，將內網報文從虛擬網卡轉發到內網網卡上。其新的工作流程如下：
VPN server 一般會作為內網網關，內網主機無需任何額外配置就可以在虛擬網段下正常工作。
我們按照該流程配置測試環境，復用 0x03 虛擬通信鏈路 中的環境，在 VPN server 上我們使用 docker 模擬內網網段和主機，其環境搭建如下：
然后按照 0x03 虛擬通信鏈路 中的方式，啟動 simpletun 并使用 ifconfig 配置 ip 地址，創建虛擬通信鏈路；使用如下命令開啟報文轉發：
# 臨時開啟報文轉發
echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward實際上在該測試環境下，docker 會自動開啟報文轉發
再通過 iptables 配置轉發策略，如下：
# 將入口網卡、來源ip為 192.168.0.0/24 轉發至 docker0
sudo iptables -A FORWARD -i tun0 -s 192.168.0.0/24 -o docker0 -j ACCEPT
# 將入口網卡、目的ip為 192.168.0.0/24 轉發至 tun0
sudo iptables -A FORWARD -i docker0 -d 192.168.0.0/24 -o tun0 -j ACCEPT實際上在該測試環境下，第二條可以不用配置，因為 docker 會自動配置轉發策略，會覆蓋這條策略
除此之外，為了在 VPN client 可以訪問到內網主機，需要手動添加路由：
# VPN client 添加內網網段路由，設置為虛擬網絡設備 tun0
sudo route add -net 172.17.0.0/24 tun0此時 VPN 配置完成，內網主機和 VPN client 相互連通：
0x05 拓展
上文中我們使用最小實現驗證了 VPN 的工作原理，但是實際場景卻比這個復雜很多，這里我們簡單拋出一些問題作為拓展學習。
1.VPN作為網關？
VPN server 一般作為網關進行配置，內網主機不用進行額外配置，也可以把報文發送給 VPN server。
2.UDP通信鏈路？
在 simpletun 中 VPN server 和 client 之間使用 TCP 進行通信，但是在實際場景一般使用 UDP 進行通信。
當使用 TCP 作為通信隧道時，并且上層應用也使用 TCP，也就是 tcp in tcp，當出現丟包時，上層應用的 TCP 和 VPN 通信隧道的 TCP 都會進行重傳，從而通信中出現大量的重傳報文，降低通信效率；如果在這種情況下，以 UDP 作為通信隧道，tcp in udp，丟包后將只由上層應用的 TCP 進行重傳。
3.etc
0x06 總結
最后感謝 rook1e@知道創宇404實驗室 小伙伴同我一起學習和研究，解決了諸多問題。
本文從 VPN 原理出發，介紹了關鍵作用的 TUN/TAP 虛擬網絡設備，并結合 simpletun 創建了兩端的虛擬通信鏈路，最后配合報文轉發，實現并驗證了 VPN 的通信工作原理。
VPN 的實現較為簡單，但涉及到各種細枝末節的網絡知識；這里的最小驗證，可以為我們實現更為復雜的 VPN 或基于 VPN 技術的其他項目提供參考。
References:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%99%9B%E6%93%AC%E7%A7%81%E4%BA%BA%E7%B6%B2%E8%B7%AF
https://zhaohuabing.com/post/2020-02-24-linux-taptun/
https://www.cnblogs.com/sparkdev/p/9262825.html
https://serverfault.com/questions/39307/linux-ip-forwarding-for-openvpn-correct-firewall-setup
https://liuyehcf.github.io/2019/08/25/OpenVPN-%E8%BD%AC%E8%BD%BD/
https://yunfwe.cn/2018/05/24/2018/%E4%B8%80%E8%B5%B7%E5%8A%A8%E6%89%8B%E5%86%99%E4%B8%80%E4%B8%AAVPN/
https://github.com/gregnietsky/simpletun
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