derper

STUN 是什么

Tailscale 的终极目标是让两台处于网络上的任何位置的机器建立点对点连接（直连），但现实世界是复杂的，大部份情况下机器都位于 NAT 和防火墙后面，这时候就需要通过打洞来实现直连，也就是 NAT 穿透。

NAT 按照 NAT 映射行为和有状态防火墙行为可以分为多种类型，但对于 NAT 穿透来说根本不需要关心这么多类型，只需要看 NAT 或者有状态防火墙是否会严格检查目标 Endpoint，根据这个因素，可以将 NAT 分为 Easy NAT 和 Hard NAT。

Easy NAT 及其变种称为 “Endpoint-Independent Mapping” (EIM，终点无关的映射)
这里的 Endpoint 指的是目标 Endpoint，也就是说，有状态防火墙只要看到有客户端自己发起的出向包，就会允许相应的入向包进入，不管这个入向包是谁发进来的都可以。
hard NAT 以及变种称为 “Endpoint-Dependent Mapping”（EDM，终点相关的映射）
这种 NAT 会针对每个目标 Endpoint 来生成一条相应的映射关系。在这样的设备上，如果客户端向某个目标 Endpoint 发起了出向包，假设客户端的公网 IP 是 2.2.2.2，那么有状态防火墙就会打开一个端口，假设是 4242。那么只有来自该目标 Endpoint 的入向包才允许通过 2.2.2.2:4242，其他客户端一律不允许。这种 NAT 更加严格，所以叫 Hard NAT。

对于 Easy NAT，我们只需要提供一个第三方的服务，它能够告诉客户端“它看到的客户端的公网 ip:port 是什么”，然后将这个信息以某种方式告诉通信对端（peer），后者就知道该和哪个地址建连了！这种服务就叫 STUN (Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越应用程序)。它的工作流程如下图所示：

笔记本向 STUN 服务器发送一个请求：“从你的角度看，我的地址什么？”
STUN 服务器返回一个响应：“我看到你的 UDP 包是从这个地址来的：ip:port”。

An image

中继是什么

对于 Hard NAT 来说，STUN 就不好使了，即使 STUN 拿到了客户端的公网 ip:port 告诉通信对端也于事无补，因为防火墙是和 STUN 通信才打开的缺口，这个缺口只允许 STUN 的入向包进入，其他通信对端知道了这个缺口也进不来。通常企业级 NAT 都属于 Hard NAT。

这种情况下打洞是不可能了，但也不能就此放弃，可以选择一种折衷的方式：创建一个中继服务器（relay server），客户端与中继服务器进行通信，中继服务器再将包中继（relay）给通信对端。

至于中继的性能，那要看具体情况了：

如果能直连，那显然没必要用中继方式；
但如果无法直连，而中继路径又非常接近双方直连的真实路径，并且带宽足够大，那中继方式并不会明显降低通信质量。延迟肯定会增加一点，带宽会占用一些，但相比完全连接不上，还是可以接受的。

事实上对于大部分网络而言，Tailscale 都可以通过各种黑科技打洞成功，只有极少数情况下才会选择中继，中继只是一种 fallback 机制。

中继协议简介

中继协议有多种实现方式。

TURN

TURN 即 Traversal Using Relays around NAT，这是一种经典的中继实现方式，核心理念是：

用户（人）先去公网上的 TURN 服务器认证，成功后后者会告诉你：“我已经为你分配了 ip:port，接下来将为你中继流量”，
然后将这个 ip:port 地址告诉对方，让它去连接这个地址，接下去就是非常简单的客户端/服务器通信模型了。

与 STUN 不同，这种协议没有真正的交互性，不是很好用，因此 Tailscale 并没有采用 TURN 作为中继协议。

DERP

DERP 即 Detoured Encrypted Routing Protocol，这是 Tailscale 自研的一个协议：

它是一个通用目的包中继协议，运行在 HTTP 之上，而大部分网络都是允许 HTTP 通信的。
它根据目的公钥（destination’s public key）来中继加密的流量（encrypted payloads）。

An image

Tailscale 使用的算法很有趣，所有客户端之间的连接都是先选择 DERP 模式（中继模式），这意味着连接立即就能建立（优先级最低但 100% 能成功的模式），用户不用任何等待。然后开始并行地进行路径发现，通常几秒钟之后，我们就能发现一条更优路径，然后将现有连接透明升级（upgrade）过去，变成点对点连接（直连）。

因此，DERP 既是 Tailscale 在 NAT 穿透失败时的保底通信方式（此时的角色与 TURN 类似），也是在其他一些场景下帮助我们完成 NAT 穿透的旁路信道。换句话说，它既是我们的保底方式，也是有更好的穿透链路时，帮助我们进行连接升级（upgrade to a peer-to-peer connection）的基础设施。

自建DERPER服务

Tailscale 的私钥只会保存在当前节点，因此 DERP server 无法解密流量，它只能和互联网上的其他路由器一样，呆呆地将加密的流量从一个节点转发到另一个节点，只不过 DERP 使用了一个稍微高级一点的协议来防止滥用。

Tailscale 开源了 DERP 服务器的代码，如果你感兴趣，可以阅读 DERP 的源代码。

Tailscale 官方内置了很多 DERP 服务器，分步在全球各地，惟独不包含中国大陆，原因你懂得。这就导致了一旦流量通过 DERP 服务器进行中继，延时就会非常高。而且官方提供的 DERP 服务器是万人骑，存在安全隐患。

为了实现低延迟、高安全性，我们可以参考 Tailscale 官方文档自建私有的 DERP 服务器。有两种部署模式，一种是基于域名，另外一种不需要域名，可以直接使用 IP，不过需要一点黑科技。我们先来看最简单的使用域名的方案。

使用域名

需要满足以下几个条件：

要有自己的域名，并且申请了 SSL 证书
需要准备一台或多台云主机
如果服务器在国内，域名需要备案
如果服务器在国外，则不需要备案

直接使用docker部署

yaml

  derper:
    container_name: derper
    image: fredliang/derper
    restart: always
    volumes:
      # ssl证书，需要和域名保持一致
      - /home/nginx/cert:/app/certs
      - /var/run/tailscale/tailscaled.sock:/var/run/tailscale/tailscaled.sock
    ports:
      - 3478:3478/udp
      - 8443:8443
    environment:
      # derper server hostname
      DERP_DOMAIN: xxx.xxx.com
      # listening server address
      DERP_ADDR: ":8443"
      # manual or letsencrypt
      DERP_CERT_MODE: manual
      # directory to store LetsEncrypt certs
      DERP_CERT_DIR: /app/certs
      # verify clients to this DERP server through a local tailscaled instance
      DERP_VERIFY_CLIENTS: "true"

部署好 derper 之后，就可以修改 Headscale 的配置来使用自定义的 DERP 服务器了。Headscale 可以通过两种形式的配置来使用自定义 DERP：

一种是在线 URL，格式是 JSON，与 Tailscale 官方控制服务器使用的格式和语法相同。
另一种是本地文件，格式是 YAML。

我们可以直接使用本地的 YAML 配置文件，内容如下：

yaml

regions:
  900:
    regionid: 900
    regioncode: nj
    regionname: Chain Nj
    nodes:
      - name: 900a
        regionid: 900
        hostname: xxx
        stunport: 3478
        stunonly: false
        derpport: 443
  901:
    regionid: 901
    regioncode: gz
    regionname: Chain GZ
    nodes:
      - name: 901a
        regionid: 901
        hostname: xxx
        stunport: 8743
        stunonly: false
        derpport: 10234

配置说明：

regions 是 YAML 中的对象，下面的每一个对象表示一个可用区，每个可用区里面可设置多个 DERP 节点，即 nodes。
每个可用区的 regionid 不能重复。
每个 node 的 name 不能重复。
regionname 一般用来描述可用区，regioncode 一般设置成可用区的缩写。
ipv4 字段不是必须的，如果你的域名可以通过公网解析到你的 DERP 服务器地址，这里可以不填。如果你使用了一个二级域名，而这个域名你并没有在公共 DNS server 中添加相关的解析记录，那么这里就需要指定 IP（前提是你的证书包含了这个二级域名，这个很好支持，搞个泛域名证书就行了）。
stunonly: false 表示除了使用 STUN 服务，还可以使用 DERP 服务。
上面的配置中域名和 IP 部分我都打码了，你需要根据你的实际情况填写

接下来还需要修改 Headscale 的配置文件，引用上面的自定义 DERP 配置文件。需要修改的配置项如下：

yaml

# /etc/headscale/config.yaml
derp:
  # List of externally available DERP maps encoded in JSON
  urls:
  #  - https://controlplane.tailscale.com/derpmap/default

  # Locally available DERP map files encoded in YAML
  #
  # This option is mostly interesting for people hosting
  # their own DERP servers:
  # https://tailscale.com/kb/1118/custom-derp-servers/
  #
  # paths:
  #   - /etc/headscale/derp-example.yaml
  paths:
    - /etc/headscale/derp.yaml

  # If enabled, a worker will be set up to periodically
  # refresh the given sources and update the derpmap
  # will be set up.
  auto_update_enabled: true

  # How often should we check for DERP updates?
  update_frequency: 24h

可以把 Tailscale 官方的 DERP 服务器禁用，来测试自建的 DERP 服务器是否能正常工作。

# tailscale netcheck
Report:
        * UDP: true
        * IPv4: yes, xxxxxxxx
        * IPv6: no, but OS has support
        * MappingVariesByDestIP: false
        * PortMapping: UPnP, NAT-PMP, PCP
        * CaptivePortal: false
        * Nearest DERP: Chain Nj
        * DERP latency:

使用IP

大部分人是没有自己的域名的。再退一步，就算有自己的域名，如果没有备案，也是没办法部署在国内服务器上使用的。

我们直接使用大佬编译好的容器

yangchuansheng/ip_derper: 无需域名的 derper

yaml

version: "3.8"

services:
  derper:
    container_name: derper
    image: yangchuansheng/ip_derper:latest
    restart: always
    volumes:
      - /var/run/tailscale/tailscaled.sock:/var/run/tailscale/tailscaled.sock
    ports:
      - 8743:3478/udp
      - 10234:10234
    environment:
      # listening server address
      DERP_ADDR: ":10234"
      # manual or letsencrypt
      DERP_CERT_MODE: manual
      # directory to store LetsEncrypt certs
      DERP_CERT_DIR: /app/certs
      # verify clients to this DERP server through a local tailscaled instance
      DERP_VERIFY_CLIENTS: "true"

除了 derper 之外，Tailscale 客户端还需要跳过域名验证，这个需要在 DERP 的配置中设置。而 Headscale 的本地 YAML 文件目前还不支持这个配置项，所以没办法，咱只能使用在线 URL 了。JSON 配置内容如下：

json

{
  "Regions": {
    "901": {
      "RegionID": 901,
      "RegionCode": "gz",
      "RegionName": "China gz",
      "Nodes": [
        {
          "Name": "901a",
          "RegionID": 901,
          "DERPPort": 10234,
          "STUNPort": 8743,
          "HostName": "xxx.xxx.xxx.xxx",
          "IPv4": "xxx.xxx.xxx.xxx",
          "InsecureForTests": true
        }
      ]
    }
  }
}

配置解析：

HostName 直接填 derper 的公网 IP，即和 IPv4 的值相同。
InsecureForTests 一定要设置为 true，以跳过域名验证。

现在需要把这个 JSON 文件变成 Headscale 服务器可以访问的 URL，类似controlplane.tailscale.com/derpmap/default

比如在 Headscale 主机上搭个 Nginx，或者上传到对象存储（比如阿里云 OSS）。

我们这里使用Nginx将配置文件放到网页上。

json

    location /derper.json {
        # 配置文件位置
        alias  /usr/share/nginx/html/derper/derper.json;
        # 设置响应类型为 JSON
        default_type application/json;
        # 启用目录索引（如果请求的是目录，会列出目录内容）
        autoindex on;
    }

接下来还需要修改 Headscale 的配置文件，引用上面的自定义 DERP 的 URL。需要修改的配置项如下：

yaml

# /etc/headscale/config.yaml
derp:
  # List of externally available DERP maps encoded in JSON
  urls:
    - https://xxx.xxx.xxx/derper.json
    - https://controlplane.tailscale.com/derpmap/default

  # Locally available DERP map files encoded in YAML
  #
  # This option is mostly interesting for people hosting
  # their own DERP servers:
  # https://tailscale.com/kb/1118/custom-derp-servers/
  #
  # paths:
  #   - /etc/headscale/derp-example.yaml

  # If enabled, a worker will be set up to periodically
  # refresh the given sources and update the derpmap
  # will be set up.
  auto_update_enabled: true

  # How often should we check for DERP updates?
  update_frequency: 24h

测试连通性

yaml

# tailscale netcheck
Report:
        * UDP: true
        * IPv4: yes, xxx.xxx.xxx:xxxx
        * IPv6: no, but OS has support
        * MappingVariesByDestIP: false
        * HairPinning: false
        * PortMapping: UPnP, NAT-PMP, PCP
        * CaptivePortal: false
        * Nearest DERP: China gz
        * DERP latency:

开启Derper验证

默认情况下 DERP 服务器是可以被白嫖的，只要别人知道了你的 DERP 服务器的地址和端口，就可以为他所用。如果你的服务器是个小水管，用的人多了可能会把你撑爆，因此我们需要修改配置来防止被白嫖。

特别声明：只有使用域名的方式才可以通过认证防止被白嫖，使用纯 IP 的方式无法防白嫖，你只能小心翼翼地隐藏好你的 IP 和端口，不能让别人知道。

只需要做两件事情：

1、在 DERP 服务器上安装 Tailscale。

在 DERP 服务所在的主机上安装 Tailscale 客户端，启动 tailscaled 进程。如果使用Docker搭建需要将进程挂载进容器中。

yaml

    volumes:
      - /var/run/tailscale/tailscaled.sock:/var/run/tailscale/tailscaled.sock

2、Derper启动参数中 DERP_VERIFY_CLIENTS 改为true

yaml

      # verify clients to this DERP server through a local tailscaled instance
      DERP_VERIFY_CLIENTS: "true"

反向代理

Nginx

json

server {
    listen 80;
    listen [::]:80;

    listen 443      ssl;
    listen [::]:443 ssl;

    server_name xxx.xxx.xxx;

    ssl_certificate /usr/local/nginx/cert/xxx.xxx.xxx.crt;
    ssl_certificate_key /usr/local/nginx/cert/xxx.xxx.xxx.key;
    ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;

    location / {
        proxy_pass https://127.0.0.1:8443;
        
        proxy_http_version 1.1;
        proxy_set_header Host $host;

        # 加上这 2 行配置即可解决
        proxy_ssl_server_name on;
        proxy_ssl_name $host;

        proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
        proxy_set_header Connection "upgrade";
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_redirect http:// https://;
    }
}

derper ​

STUN 是什么 ​

中继是什么 ​

中继协议简介 ​

TURN ​

DERP ​

自建DERPER服务 ​

使用域名 ​

使用IP ​

开启Derper验证 ​

反向代理 ​

Nginx ​

derper

STUN 是什么

中继是什么

中继协议简介

TURN

DERP

自建DERPER服务

使用域名

使用IP

开启Derper验证

反向代理

Nginx