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Friday 22 April 2016

翻墙网关Ultimate版


原理

利用iproute2可根据fwmark选路的功能，结合iptables mangle表set-mark功能，实现基于GeoIP的IP包自动选路。

搭建翻墙网关Ultimate版所需软件列表：

  1. pdnsd 
  2. opendns dnscrypt 
  3. autossh 
  4. openvpn
  5. iproute2
  6. xtables-addons  
  7. squid (可选)
  8. gperftools (可选)

第一章 先决条件

  1. 一台境外VPS。
  2. 假定境外VPS的 名称(IP)为  MyVPS。 
  3. MyVPS已经能够用SSH连通。
  4. MyVPS的SSH端口假定为3723（非标准端口）
  5. MyVPS已经可以通过身份认证(server_usa)登录（免密码） 
  6. 网关名称为gateway。
  7. 该网关为局域网（小型公司或机构）的网关。
  8. 网关系统为ArchLinux(当然其他的也可以）。
  9. 系统分区已经按照建议分区方式进行了。
    我的/etc/fstab为：
    /dev/sda1 /boot ext3 defaults 0 1
    /dev/sda2 / xfs defaults 0 1
    /dev/sda3 swap swap defaults 0 0
    /dev/sda5 /usr xfs defaults 0 1
    /dev/sda6 /var reiserfs defaults,notail,noatime,nodiratime 0 1
    /dev/sda7 /tmp reiserfs defaults,notail,noatime,nodiratime 0 1
    /dev/sda8 /home xfs defaults 0 1
    /dev/sdb1 /var2 reiserfs defaults,notail,noatime,nodiratime,data=writeback 0 1
  10. 网关的出口为eth0。
  11. MyVPS和网关均开启了ip_forward。 

第二章 目标 

  1. 首先当然是无缝翻墙了，对于http(80)服务做到缓存，对于https(443)服务做到转发。
  2. 对于国内的网站，响应速度不能比直接上网慢。
  3. 如果MyVPS 断掉，不影响用户用上普通境外网站 (failsafe) 。

第三章 安装与配置

0. MyVPS的iptables

只有一条，在nat表中
-A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE
让来自gateway的数据包做NAT。

1. 基础软件安装 

可以用pacman 直接安装的软件为：
pdnsd，autossh, openvpn, iproute2, squid

需要通过ArchLinux AUR安装的为：
opendns-dnscrypt, xtables-addons, gperftools
安装时请自己解决依赖关系(depends)。 

能通过pacman直接安装的就不再叙述。
通过AUR 安装了以上软件后，需要做如下设置：
对于xtables-addons，需要执行
depmod -a  <-- 更新 modules.dep, 内核模块都需这个操作
然后在 /etc/rc.conf中加入
MODULES=(xt_ipp2p xt_geoip)  <-- 加载geoip模块(目前还未配置geoip)
最后在 /etc/rc.conf中加入
DAEMONS=(hwclock syslog-ng network netfs crond sshd open-vm-tools openvpn dnscrypt-proxy pdnsd squid iptables lighttpd) 

2. iproute2 -- 新的路由表

在/etc/iproute2/rt_tables中加入一行
1       hof
这里我们新增加一张路由表，以区别默认的用户路由表。命名为hof，这里随便命名了，用gfw也行，数字 1 是这个表的数字编码，区分默认路由表253就可以了，我们主要就是利用这张表来进行翻墙。
ip route show <-- 可以返回默认路由表。
ip route show table hof  <-- 返回hof表，目前应该是空的。

3. autossh配置 -- Across the great firewall

如何做到不用密码登陆服务器，请参考 这篇 。
加到 /etc/rc.local 中：
/usr/bin/autossh -M 21000 -f -N -C -c blowfish -L 1194:localhost:1194 root@MyVPS -p3723 -i /root/server_usa <-- 身份文件(private key)

请先手动启动这个通道， 1194端口为OpenVPN的默认端口，我们让openvpn走SSH Tunnel加密隧道进行通信。至于为什么要走ssh tunnel， 参考这篇文章。

4. openvpn配置 -- 目标-- tun0的ip规则

参照前文 openvpn 最简配置，了解openvpn的基本配置原理，实现通过ssh隧道的vpn通信。
配置如下，与前文openvpn的配置略有不同：
MyVPS：

# cat /etc/openvpn/server.conf 
dev tun
local 127.0.0.1
ifconfig 172.7.7.1 172.7.7.2   <-- 指定点对点设备的IP
proto tcp-server
secret static.key
cipher none
auth none
persist-key
persist-tun
user nobody
group nobody
keepalive 10 30
comp-lzo
tun-mtu 1300

Gateway:

[root@archlinux ~]# cat /etc/openvpn/client.conf 
remote 127.0.0.1 1194
dev tun
ifconfig 172.7.7.2 172.7.7.1 <-- 指定点对点设备的IP
proto tcp-client
secret static.key
cipher none
auth none
persist-key
persist-tun
#user nobody   <-- 关键！
#group nobody  <-- 需要用root权限启动，脚本运行需要root权限
keepalive 10 30
comp-lzo
tun-mtu 1300 
script-security 2

up "up.sh"
up-delay   <-- 关键，在成功建立通道后再执行脚本（改变路由表）

down "down.sh" 
down-pre  <-- 在TUN断掉前就及时执行down.sh，改变路由表

up-restart <-- 关键，在每次断线后（而不是程序中止），执行down,up脚本。及时改变路由。

openvpn配置好后，我们就可以编写路由规则脚本(up.sh, down.sh) 了：


当openvpn通道建立的时候，让带有某个标记的数据包，选用hof这张路由表，在hof表中，默认路由为openvpn的通道--tun0。
我们假设，对访问境外网的数据包，打的标记为，数字 65  （后面会用iptables+geoip打标记)
我们在openvpn通道建立的时候加入这个规则：

修改gateway上 /etc/openvpn/up.sh
#!/bin/sh

ip rule add fwmark 65 table hof   <-- 让带有65标记的数据表走hof表
ip route add to default dev tun0 table hof initrwnd 20 initcwnd 20 <-- 默认路由为tun0

exit 0 

这里实现了根据ip标记的选路，注意initrwnd initcwnd参数，对于高延迟的路由，特别有用，尤其是境外网站，这样降低了初始tcp ACK的次数，这里将tcp的初始发送窗口和接受窗口都改为20倍MSS(小于MTU)。后面有关于这个问题的说明（TCP slow start)，这里不详说。

为了实现当通道断掉的时候，或者说MyVPS不可用的情况下，也不妨碍正常的上国外网站(failsafe)。因此在openvpn断掉(down)的时候，要删除我们上面加入的规则，如下：

修改gateway上 /etc/openvpn/down.sh
#!/bin/sh

ip rule delete fwmark 65 table hof
ip route delete to default dev tun0 table hof

exit 0 

启动 openvpn 
执行 ip addr 应该会有如下输出:
4: tun0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1300 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN qlen 100
    link/none 
    inet 172.7.7.2 peer 172.7.7.1/32 scope global tun0

确保vpn已经连接成功，tun0 设备出现，并通过ip rule show 和 ip route show table hof检查规则是否生效。
[root@archlinux ~]# ip rule show
0:      from all lookup local 
32765:  from all fwmark 0x41 lookup hof 
32766:  from all lookup main 
32767:  from all lookup default

[root@archlinux openvpn]# ip route show table hof
default dev tun0  scope link  initcwnd 20 initrwnd 20

5. pdnsd配置 -- 加速dns解析

先配置一下dnscrypt ，让dnscrypt跑在非53端口，避免占用pdnsd的53端口
[root@archlinux ~]# cat /etc/conf.d/dnscrypt-proxy   
DNSCRYPT_LOCALIP=127.0.0.1
DNSCRYPT_LOCALPORT=50    <-- 改为50
DNSCRYPT_USER=nobody

重新启动你的dnscrypt。 剩下的是对pdnsd.conf的配置，如下：
global {
        perm_cache=65536;
        cache_dir="/var/cache/pdnsd";
        pid_file = /var/run/pdnsd.pid;
        run_as="nobody";
        server_ip = any;  # Use eth0 here if you want to allow other
                                # machines on your network to query pdnsd.
        status_ctl = on;
        query_method=tcp_only;
        use_nss=off;
        min_ttl=1d; 
        max_ttl=1w;        # One week.
        timeout=10;        # Global timeout option (10 seconds).
        par_queries=1;
        neg_rrs_pol=on;
}

server {
        label= "local dnscrypt";
        ip = 127.0.0.1;
        port = 50;  # dnscrypt的50端口
        timeout=10;
        uptest=query;   
        edns_query=no;   
}

server {   
        label= "google dns";   # 备用 dns 
        ip = 8.8.8.8,8.8.4.4;
        timeout=10;
        uptest=ping;   
        edns_query=no;   
}

可以通过pdnsd-ctl status 查看pdnsd运行状态 

6. squid 配置 -- 控制中心 （可选）

squid 的配置此处已经简化了，squid再也不用去管翻墙的事，翻墙的事让路由做了。
squid 安装好后的默认配置就可以运行了，以下列出我的一些优化参数（可选）：
##########################################################################

#
# Recommended minimum configuration:
#
acl manager proto cache_object
acl localhost src 127.0.0.1/32 ::1
acl to_localhost dst 127.0.0.0/8 0.0.0.0/32 ::1

# Example rule allowing access from your local networks.
# Adapt to list your (internal) IP networks from where browsing
# should be allowed
acl localnet src 10.0.0.0/8     # RFC1918 possible internal network
acl localnet src 172.16.0.0/12  # RFC1918 possible internal network
acl localnet src 192.168.0.0/16 # RFC1918 possible internal network
acl localnet src fc00::/7       # RFC 4193 local private network range
acl localnet src fe80::/10      # RFC 4291 link-local (directly plugged) machines

acl SSL_ports port 443
acl Safe_ports port 80          # http
acl Safe_ports port 21          # ftp
acl Safe_ports port 443         # https
acl Safe_ports port 70          # gopher
acl Safe_ports port 210         # wais
acl Safe_ports port 1025-65535  # unregistered ports
acl Safe_ports port 280         # http-mgmt
acl Safe_ports port 488         # gss-http
acl Safe_ports port 591         # filemaker
acl Safe_ports port 777         # multiling http
acl CONNECT method CONNECT

#
# Recommended minimum Access Permission configuration:
#
# Only allow cachemgr access from localhost
http_access allow manager localhost
http_access deny manager

# Deny requests to certain unsafe ports
http_access deny !Safe_ports

# Deny CONNECT to other than secure SSL ports
http_access deny CONNECT !SSL_ports

# We strongly recommend the following be uncommented to protect innocent
# web applications running on the proxy server who think the only
# one who can access services on "localhost" is a local user
#http_access deny to_localhost 
##########################################################################
# INSERT YOUR OWN RULE(S) HERE TO ALLOW ACCESS FROM YOUR CLIENTS
#
# 禁止一些网站
acl denied_domains url_regex "/etc/squid/denied_domains.acl"
http_access deny denied_domains

# block xunlei(迅雷)
acl IP dstdom_regex [0-9]$
acl ROOT urlpath_regex ^/$
acl POST method POST
acl Octet_Stream req_mime_type application/octet-stream
http_access deny IP ROOT POST Octet_Stream

# Example rule allowing access from your local networks.
# Adapt localnet in the ACL section to list your (internal) IP networks
# from where browsing should be allowed
http_access allow localnet
http_access allow localhost

# And finally deny all other access to this proxy
http_access deny all

# Block Multithread downloading.(多线程下载)
acl partial rep_header Content-Range .*
http_reply_access deny partial

##########################################################################
# Squid normally listens to port 3128
http_port 3128 intercept

# Leave coredumps in the first cache dir
coredump_dir /var/cache/squid

##############################################################
forwarded_for off
via off

cache_dir aufs /var2/cache/squid 16384 32 512

cache_mem 4096 MB
dns_v4_first on
memory_pools off

memory_replacement_policy lru
cache_replacement_policy heap LFUDA

maximum_object_size 16384 KB
maximum_object_size_in_memory 2048 KB

dns_nameservers 127.0.0.1
access_log none

client_db on
half_closed_clients off
buffered_logs on
relaxed_header_parser on

refresh_pattern -i \.html$ 1440 90% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.htm$ 1440 90% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.css$ 1440 50% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.shtml$ 1440 90% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.jpg$ 1440 90% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.png$ 1440 90% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.gif$ 1440 90% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.bmp$ 1440 90% 129600 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.js$ 1440 90% 129600  override-lastmod override-expire

refresh_pattern -i \.mp3$ 1440 50% 2880  override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.wmv$ 1440 50% 2880  override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.rm$ 1440 50% 2880   override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.swf$ 1440 50% 2880  override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.mpeg$ 1440 50% 2880 override-lastmod override-expire
refresh_pattern -i \.wma$ 1440 50% 2880  override-lastmod override-expire

# Add any of your own refresh_pattern entries above these.
refresh_pattern ^ftp:           1440    20%     10080
refresh_pattern ^gopher:        1440    0%      1440
refresh_pattern -i (/cgi-bin/|\?) 0     0%      0
refresh_pattern .               0       20%     4320

7. geoip 配置 -- 智能选路的基础

man xtables-addons

geoip部分已经说得很清楚了，直接复制过来：
       The extra files you will need is the binary database files. They are generated from a country-subnet database with the geoip_build_db.pl tool that is shipped with the source package, and which should be available in compiled
       packages in /usr/lib(exec)/xtables-addons/. The first command retrieves CSV files from MaxMind, while the other two build packed bisectable range files:
mkdir -p /usr/share/xt_geoip; cd /tmp; $path/to/xt_geoip_dl;
$path/to/xt_geoip_build -D /usr/share/xt_geoip GeoIP*.csv;

       The shared library is hardcoded to look in these paths, so use them.

archlinux下 $path/to/xt_geoip_dl; 为  /usr/lib/iptables/xtables-addons/xt_geoip_dl 
modprobe xt_geoip  <!-- 让iptables match geoip 生效 


xt_geoip_build需要perl的perl-text-csv-xs包，需要通过AUR安装：
http://aur.archlinux.org/packages/pe/perl-text-csv-xs/perl-text-csv-xs.tar.gz

8. iptables配置 -- 将上面的都连起来

还记得上面的OpenVPN建立的规则么，是的，我们现在就要开始给数据包打标记了： 

mangle表： 

-A PREROUTING -p tcp -m tcp --dport 443 -m geoip ! --destination-country CN  -j MARK --set-xmark 0x41/0xffffffff <-- 数字65
-A OUTPUT -p tcp -m tcp --dport 80 -m geoip ! --destination-country CN  -j MARK --set-xmark 0x41/0xffffffff <-- 数字65


a) 对非CN的https（443端口）访问的ip地址，打标记65 ，注意是PREROUTING表，外来的443端口数据直接由tun0出去。确保对外的https能正常访问。

b) 对非CN的http（80端口）访问的ip地址，打标记65，注意是OUTPUT 表，这里是squid本地发起的了，带缓存。（如果没有安装squid，改为PREROUTING)

nat表：

-A PREROUTING -i eth0 -p udp -m udp --dport 53 -j REDIRECT --to-ports 53
-A PREROUTING -d 10.0.0.0/8 -j ACCEPT
-A PREROUTING -d 172.0.0.0/8 -j ACCEPT
-A PREROUTING -d 192.168.0.0/16 -j ACCEPT
-A PREROUTING -i eth0 -p tcp -m tcp --dport 80 -j REDIRECT --to-ports 3128  （如果没有安装squid，以上红色部分不需要）
-A POSTROUTING -o tun0 -j MASQUERADE

a) 劫持所有的DNS查询请求到本地的pdnsd服务
b) 对于LAN的IP地址，10,172,192.168这些内网段，直接通过，不转到squid
（sorry~~~, mangle表没写好，导致了内网段也打上了65标记。）
c)把所有对http(80)端口的访问转发到3128端口（squid)
d) 对 tun0出口的做NAT(sigh~~~ 不想把路由写复杂了，就nat吧，简单）


第四章 优化  -- Let's fly

a) /etc/sysct.conf 

#

# Kernel sysctl configuration
#


# Disable packet forwarding
net.ipv4.ip_forward=1


# Disable the magic-sysrq key (console security issues)
kernel.sysrq = 0


# Enable TCP SYN Cookie Protection
net.ipv4.tcp_syncookies = 1


kernel.sem = 100 fs.file-max = 6815744 net.ipv4.ip_local_port_range = 10000 65500 
# memory net.core.rmem_default = 262144 net.core.wmem_default = 262144net.core.rmem_max = 16777216 net.core.wmem_max = 16777216 net.ipv4.tcp_rmem = 4096 4096 16777216 net.ipv4.tcp_wmem = 4096 4096 16777216 net.ipv4.tcp_mem = 786432 2097152 3145728 
# backlogs net.core.somaxconn = 2048 net.core.netdev_max_backlog = 20000net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 16384 
# TIME-WAIT recycle net.ipv4.tcp_fin_timeout = 15 net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 <-- 此参数比较有争议，慎用 
# tcp keepalive net.ipv4.tcp_keepalive_time=120 net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=30net.ipv4.tcp_keepalive_probes=3 
### tcp retry net.ipv4.tcp_syn_retries = 0 net.ipv4.tcp_synack_retries = 0 
### vm sysctl
vm.swappiness = 1 
vm.vfs_cache_pressure=50         <-- 这一段目的为尽量延缓数据写入
vm.overcommit_memory = 0
vm.dirty_background_ratio = 20
vm.dirty_ratio = 40
vm.dirty_expire_centisecs = 180000       <-- UP
vm.dirty_writeback_centisecs  = 180000    <-- UP

net.ipv6.conf.all.disable_ipv6 = 1

b) /etc/fstab 

对squid swap分区优化:
/dev/sdb1 /var2 reiserfs defaults,notail,noatime,nodiratime,data=writeback 0 1

c) 对dns进行预加载 （可选）

cat /etc/cron.daily/dig

#!/bin/sh

pdnsd-ctl dump |grep "^[a-zA-Z0-9_\-\.]\+$" > /tmp/dnscommon.txt 
dig @127.0.0.1 -f /tmp/dnscommon.txt > /dev/null  


这个cron script比较粗暴，只增不减，不过问题也不大，后期稳定在几万条记录。

d) gperftools 的tcmalloc优化

Google Performance Tools:  
gperftools提供的malloc函数很高效，特别适用于squid这种反复分配内存的应用，有利于降低cpu利用率，并提高响应速度。

采用的是最简单的LD_PRELOAD方式加载， 打开 /etc/rc.d/squid 在执行squid前加入一句：
. /etc/rc.conf
. /etc/rc.d/functions

export LD_PRELOAD="/usr/lib/libtcmalloc.so" 

.... 

e) QoS优化，让翻墙数据包先行 tc

在 /etc/rc.local 中，加入：
#  QoS
tc qdisc add dev eth0 root handle 1: prio
tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1: prio 0 u32 match ip dst MyVPS的IP/32 flowid 1:1
tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1: prio 2 u32 match ip src 0/0 flowid 1:2 

稍微解释一下：
1. 对eth0设备，我们采用的带宽控制策略是PRIO，PRIO qdisc有固定的三个优先级1,2,3。
2. 我们让流向MyVPS的数据，flow到 1:1 这个最高优先级的band。
3. 让其他数据流向1:2这个最低优先级的band。

f) eth0的 tcp参数优化

在 /etc/rc.local 中，加入： 
# change tcp windows
ip route change default dev via 10.0.0.1 eth0 initrwnd 20 initcwnd 20 <-- 假设出口网关IP是10.0.0.1(如路由器)

这里将tcp的发送窗口和接受窗口都改为20倍MSS(小于MTU)， 这个优化对于squid服务特别有用，解决tcp slow start 问题， 这里对访问国内网站加速。

g) 文件打开数的优化

修改 /etc/security/limits.conf
*               -       nofile          65535  <-- 进程最大文件数65535

[root@archlinux ~]# cat /etc/conf.d/squid 
#
# Parameters to be passed to squid
#
SQUID_ARGS="-sYC"
SQUID_MAXFD=65535


h) 磁盘调度方式调整 

修改 /etc/rc.local，加入：
echo "deadline" > /sys/block/sda/queue/scheduler  
echo "deadline" > /sys/block/sdb/queue/scheduler

提高IO响应速度。

参考资料

（~~~~~~~~~~~~完结~~~~~~~~~~~~）

补: ubuntu用户必须关闭   (2012/9/25)
net.ipv4.conf.all.rp_filter = 0
net.ipv4.conf.default.rp_filter = 0

默认系统是开启的。在  /etc/sysctl.d 中。

from  http://bullshitlie.blogspot.com/2012/04/ultimate.html
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