从零实现隧道穿透（四）：隧道穿透原理详解

一、原理

项目地址为：https://github.com/ccccj/Socks5Server

不是网络之类的专业，所以了解的不太清楚，仅自己的理解。

  • 学网络的时候我们知道，若两个节点之间不支持 IPv6，比如3号节点与4号节点之间不支持，就需要在3号的前一个节点（2号），将整个 IPv6 的数据包，封装一层 IPv4 的头部，原本的头部+数据，全部变成新的数据。而在4号节点的后一个节点（5号），解封装 IPv4 的头部，将其重新变为 IPv6 数据包。

  • 这一段通道，我们称之为隧道。按我的理解来看，隧道就是对原本的数据包加一层封装，因此有很多不同的隧道。我这里写的是加一层 Socks5 协议的头部，将原本的目的 IP 隐藏的数据中，从而可以绕开防火墙，比如通常大家用 VPN 来翻墙。

  • 也就是 本地浏览器 A，将数据封装了 Socks5 的头部，发往 C 服务器（称之为 Socks5服务器），Socks5服务器需要对头部进行解析，把原本的数据剥离出来，再发给真正的目标服务器。若防火墙在 A、C之间，就可以绕开防火墙（绕开限制了目标 IP 的防火墙）。

  • 但是如果 本地浏览器 A、Socks5服务器之间还存在内容过滤，比如有的公司会监测员工平时浏览的网站，要想公司的防火前发现不了自己访问的数据，就需要在 本地浏览器 A、Socks5服务器之间再加一个 中转服务器B，对数据进行加密，加密后再将数据发给 Socks5服务器。若防火墙在 中转服务器B 和 Socks5服务器之间进行内容过滤，我们的加密就可以让其看不到自己真实想访问的数据。

  • 而 Socks5服务器此时要先将拿到的数据进行解密，再解析 Socks5协议，最后再将数据转发给目标服务器。目标服务器将返回的数据传给 Socks5服务器，由 Socks5服务器进行加密，再传给中转服务器B，B 对数据进行解密，最后返还给本地浏览器 A。

发送数据时的流程如下：

图中只显示了转发出去的流程，转发回来也是一样的。只是不需要 Socks5的认证了，两个服务器对数据进行加密或解密，再直接转发即可。

二、Transfe.cpp

先说明一下，Socks5服务器 等于 服务器C。

服务器B 上运行的 Transfer.cpp，主要实现加密和转发的功能。

在这里，我们给 服务器B 和 服务器C 各开放一个端口，假设给 服务器B 监听 5678端口，服务器C 监听7890端口。

浏览器会尝试连接 服务器B的5678端口，连上后将数据发送给 服务器B。而 服务器B需要 请求连接服务器C 的7890端口。

在 A->B 之间，可以理解为 A是客户端，B是服务器端。在 B->C 之间，可以理解为 B是客户端，C是服务器端。在 C->D 之间，可以理解为 C是客户端，D是服务器端。

最复杂的地方在于，我们要处理好并发的关系。在这里我选择了使用 epoll 来处理并发（在前面的博客里）。

epoll 要监测的事件分为三种：

  • 对于 main_fd 的监测，mian_fd 用于监听端口5678，当客户端尝试连接时，就触发了mian_fd的事件。对该事件的处理，也就是创建一个新的套接字描述符，用于接收客户端的数据；同时创建一个套接字描述符，用于请求连接Socks5服务器，用于后续的把数据加密后发给Socks5服务器；这时候两个套接字描述符进行epoll的注册，用于后续的对他们的读监听（两个都要是因为，无论是客户端还是Socks5服务器，都有可能给B发数据）。

  • 对于集合内文件描述符的读监听。无论是客户端还是Socks5服务器进行连接的套接字描述符，触发读监听时说明有数据发来，我们对其进行读（recv），并进行转发（发给另一端）即可。但发送时有可能发不完（比如缓冲区满了）。如果发生这种情况，需要我们将该文件描述符进行写监听，后续对方读取数据后，缓冲区可以放新数据了，这时候就会触发这个写事件（我们这里用的是非阻塞）。

  • 对于集合内文件描述符的写监听。是由于发送（send）的实际发送长度小于要发送的长度引起的。再次发送并判断是否发完即可。若没有发完，和上一步一样，将该文件描述符进行写监听。

这一步的代码如下：

   _events_fd = epoll_create(10000);
   events_ctl(_main_fd, EPOLL_CTL_ADD, EPOLLIN);
   struct epoll_event events[100000];
   
   while (1) {
       int num = epoll_wait(_events_fd, events, 100000, 0);
       
       for (int i = 0; i < num; ++i) {
           if (events[i].data.fd == _main_fd) {
               // 监测连接请求
               connect_handler();
           } else if(events[i].events & (EPOLLIN | EPOLLPRI)) {
               read_handler(events[i].data.fd);
           } else if(events[i].events & EPOLLOUT) {
               PriInfo("write events！");
               write_handler(events[i].data.fd);
           } else{
               // ...
           }
       }
   }

还有一个问题就是，由于连接请求都是并发的，我们要对B的每一个套接字描述符进行存储，比如，和浏览器A进行连接的是套接字描述符是9，对于9发来的数据，要发给C，和C连接的套接字描述符是10，那么9-10这一对套接字描述符要存储好。具体可以看github的代码。

同时，对于没发完的数据，也要记录该数据是哪个套接字描述符发来的，将要用哪个套接字描述符发出去。

最后，关于加密方式，由于我写的只是一个小demo，并未采取什么高端的加密方式，但改一下加密的函数即可。

三、SocksServer.cpp

Socks5服务器 和服务器B 最大的不同就是，要对 B 发来的认证（实际上是浏览器发来的）进行回复。

结合 VPN实现（三）来看。

    +---------+---------------+-----------+
    | VERSION | METHODS_COUNT |  METHODS  |
    +---------+---------------+-----------+
    |   0x05  |       1       |   '00'    |
    +---------+---------------+-----------+

第一次的认证，要判断第一个字节是不是第一个字节是不是 0x05。如果是的话，返回 0x05,0x00 一共两个字节即可。（0x00表示选择的不加密的认证）

    +---------+---------+-------+------+----------+----------+
    | VERSION | COMMAND |  RSV  | TYPE | DST.ADDR | DST.PORT |
    +---------+---------+-------+------+----------+----------+
    |    1    |    1    |   1   |  1   | Variable |    2     |
    +---------+---------+-------+------+----------+----------+

第二次的认证，要判断第一个字节是不是第一个字节是不是 0x05。如果是的话，再判断第四个字节 TYPE 的值是多少。因为我们不支持 ipv6，所以这个字段不能是 0x04（代表ipv6）。
如果这个字段是 0x01 的话，说明下一个字段是 ip 地址。所以读取下一个字段4字节，再读取2字节的端口即可。
如果这个字段是 0x03 的话，说明下一个字段是域名。

当然，我们每次读取发来的数据，都要先进行解密，才能读取。发回给 B 的数据，也要先加密再发。

在这一个过程中，我们已经知道了 ip 和端口，可以和目标服务器 D 建立连接。建立完连接，后面就可以发数据了。

因为我们不知道目前到了第几个认证步骤，所以要分成三个状态。第一个状态是 STEP1，代表还未进行认证。第二个状态是 STEP2，代表第一步的认证已经完成。第三个状态是 FORWARD，代表代表第二步的认证已经完成，已经可以进行数据转发了。

每次完成一个认证步骤，就将状态修改。

    if (con->_state == STEP1) {
            int ret = negotiation1(fd); // 自己写的认证函数
            if (ret == 1) {
                con->_state = STEP2;
            } else if (ret == -1) {
                // 失败
            }
        } else if (con->_state == STEP2) {
            char ret[10];
            memset(ret, 0, 10);
            ret[0] = 0x05;
            int right_fd = negotiation2(fd); // 自己写的认证函数

            if (right_fd > 0) {
                // 认证成功 ...
                con->_state = FORWARD;
            } else if (right_fd == -1) {
                // 认证失败 ...
            }
        } else if (con->_state == FORWARD) {
            // 转发数据
        } else {
            // ...
        }
    }

关于认证过程不细写了，可以看github的代码。

四、不足

1、两个服务器的很多功能还是比较相似的，可以进行复用，但是我写的比较粗糙，是单独的两个文件。
2、很多功能都不支持，比如不支持ipv6、不支持udp、不支持加密认证等等，很多情况都粗暴的报错处理了。
3、代码还是有一些bug存在，比如我的浏览器插件，只会发送域名而不是ip的情况，发送ip的情况并没有测试bug。
4、加密用的异或加密，主要是方便，因为不管加密还是解密代码都一样，不用传参细分..但实在是有些low了。

参考：
https://www.cnblogs.com/0xl4k1d/p/15664414.html

哈哈哈哈哈哈