1.WireGuard 教程：使用 DNS-SD 进行 NAT-to-NAT 穿透
2.从Linux源码看TIME_WAIT状态的动态持续时间
3.netfilter 链接跟踪机制与NAT原理
4.通过 NAT TCP 打洞使 qBittorrent 获得公网 IPv4 的连接性体验

WireGuard 教程：使用 DNS-SD 进行 NAT-to-NAT 穿透

       原文链接： fuckcloudnative.io/post...

       WireGuard 是由 Jason A. Donenfeld 等人创建的下一代开源 *** 协议，旨在解决许多困扰 IPSec/IKEv2、源原理Open*** 或 L2TP 等其他 *** 协议的码动问题。 年 1 月 日，动态WireGuard 正式合并进入 Linux 5.6 内核主线。源原理

       利用 WireGuard 我们可以实现很多非常奇妙的码动毒鸡汤网站源码功能，比如跨公有云组建 Kubernetes 集群，动态本地直接访问公有云 Kubernetes 集群中的源原理 Pod IP 和 Service IP，在家中没有公网 IP 的码动情况下直连家中的设备，等等。动态

       如果你是源原理第一次听说 WireGuard，建议你花点时间看看我之前写的码动 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动态，再去参考 WireGuard 配置详解。源原理

       本文将探讨 WireGuard 使用过程中遇到的码动一个重大难题：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，从隧道验证的团队官方源码角度看，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 *** 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 *** 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 *** 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，阿尔法元源码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 路由器不会限制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:） 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：

       RFC 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阿九源码工具：

       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。 — RFC

       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 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:。

       然而，STUN 并不是gpiozero源码分析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 年 8 月...

从Linux源码看TIME_WAIT状态的持续时间

       对于Linux系统中TIME_WAIT状态的Socket，长久以来，人们普遍认为其持续时间大约是秒。然而，在实际线上环境中，Socket的TIME_WAIT状态有时会超过秒。这个问题源于一个复杂Bug的分析，促使我深入Linux源码进行探究。

       首先，了解下我们的Linux环境配置，特别是tcp_tw_recycle参数，这对TIME_WAIT状态的处理至关重要。我们设定了tcp_tw_recycle为0，以避免NAT环境下的特定问题。

       接下来，让我们通过TCP状态转移图来理解TIME_WAIT状态。理论上，它会保持2MSL（Maximum Segment Lifetime，即最长报文段寿命）的时间。但具体时长并未在图中明确指出。在源码中，我发现了一个关键的宏定义TCP_TIMEWAIT_LEN，它定义了秒的销毁时间。

       尽管之前我坚信秒的TIME_WAIT状态会被系统回收，但实际遇到的秒案例促使我重新审视内核对TIME_WAIT状态的处理。这个疑问将通过后续的博客分享答案。

       深入源码，我们找到了TIME_WAIT定时器，它负责销毁过期的Socket。当Socket进入TIME_WAIT状态时，会触发特定的函数处理，如在不启用tcp_tw_recycle时，处理函数会直接调用inet_twsk_schedule。

       内核通过时间轮机制管理TIME_WAIT状态，每个slot处理大约7.5秒的Socket。如果所有slot都被TIME_WAIT状态占用，可能会导致处理滞后。如果一个slot中的TIME_WAIT数量超过个，剩余的任务将交给work_queue处理，这会导致处理时间延长。

       通过模拟，我们发现即使在slot处理完成后，整个周期可能已经过去了.5秒，这在NAT环境下可能导致问题。PAWS（Protection Against Wrapped Sequences）的保护机制可能会延长TIME_WAIT状态，使得Socket在特定情况下可以复用。

       总的来说，对TIME_WAIT状态的深入理解需要避免刻板印象，因为实际情况可能因为复杂的机制而超出预想。在解决问题时，必须质疑既有的观点，这虽然艰难，但也是学习和成长的过程。

netfilter 链接跟踪机制与NAT原理

       内核版本:2.6.

       在Linux内核的网络过滤框架中，conntrack是关键组件，它通过5个主要的处理链来管理数据包：NF_IP_PRE_ROUTING，NF_IP_LOCAL_IN，NF_IP_FORWARD，NF_IP_LOCAL_OUT，和NF_IP_POST_ROUTING。这些链对应着数据包的不同生命周期阶段。此外，还有4个操作表：filter，nat，mangle和raw，其中filter用于常规过滤，nat则负责地址转换等。

       数据包的流程从进入防火墙开始，经过一系列处理，根据目的地决定是转发、接收或丢弃。对于本地数据包，其流程分为接收和发送两个方向；对于远程目的地，处理涉及到转发。conntrack通过跟踪连接状态，记录每个数据包的源和目的，这对于SNAT和DNAT功能至关重要。

       连接跟踪的核心是ip_conntrack结构，它维护连接记录，每个连接对应一个ip_conntrack_tuple_hash，存储源和目的地址信息。连接跟踪表是一个散列结构，存储所有连接记录。不同协议的处理由ip_conntrack_protocol数组管理，通过ip_conntrack_in函数，数据包进入时会进行连接跟踪的检查和初始化。

       以SNAT为例，当数据包从内网到公网，通过源地址转换，netfilter首先查找转换规则，然后使用连接跟踪信息更新数据包的源地址，同时维护状态跟踪，确保应答数据包能正确发送。NAT的实现依赖于conntrack，如FTP和ICMP等复杂协议可能需要额外模块处理。

       总的来说，conntrack与NAT密切相关，前者是后者实现的基础，它们共同确保了网络数据包的正确路由和转换。深入理解这些机制需要查阅源代码和相关资料。

通过 NAT TCP 打洞使 qBittorrent 获得公网 IPv4 的连接性体验

       在国内，许多用户因运营商限制无法获取公网 IPv4，对 PT 玩家的连接性构成困扰。此时，TCP 打洞成为解决问题的有效途径。客户端与Tracker的通信过程依赖于客户端上报的IP地址和监听端口。正常情况下，Tracker通过TCP报文获取客户端的IPv4地址，但当客户端位于NAT环境时，情况复杂化。

       如果BT客户端在路由器上运行，可以直接通过公网地址和端口被连接。然而，如客户端在子网设备上，必须通过TCP打洞技术。在这种情况下，客户端需要配置路由器以实现NAT穿透，让其他客户端通过运营商的公网地址连接到私有子网的端口。

       当公网IPv4不可得时，情况更为棘手。运营商设备的NAT会限制外部连接，无法直接穿透。此时，仅完全圆锥形NAT（Full Cone NAT）允许TCP打洞。通过理解NAT类型，我们可以利用Natter或NATMap这类工具，建立并保持NAT映射关系，以实现连接性。

       在qBittorrent场景中，关键在于上报给Tracker的正确端口。由于客户端受限，可能需要修改源码或采用间接策略。比如，通过NATMap获取NAT映射，然后用iptables规则将本地端口转发到实际用于服务的端口。在我的GitHub仓库有详细的教程和脚本，供参考和下载。

       注意，如果NATMap和qBittorrent运行在不同设备上，还需要调整iptables转发和qBittorrent API中的本地地址配置。