Shadowsocks协议解析
Shadowsocks协议解析
本文转自喂草 并作补充
Shadowsocks过程
Shadowsocks是一个代理协议，以下简称SS。当然基于SS协议催生出了许多的代理软件，例如Shadowsocks-NG（MacOS平台）、Shadowrocket（iOS平台）等。不过总归来说SS的流程是一致的：
上图简述了SS在整个数据传输中的位置，包含了SS客户端和SS服务端两个部分，一般来说SS客户端是安装在本地的软件，而SS服务端则是运行在VPS上的软件。如果没有SS的话，上图就成了没有代理的用户与目标服务器（例如Google.com）的直接通信。下面一SS代理下的HTTP请求介绍上述过程：
- 浏览器要访问Google.com，便生成HTTP请求。由于设置了代理，所以不会直接发送到Google服务器，而是发送到SS客户端（例如127.0.0.1:1086）。
- SS客户端把HTTP请求封装成SS请求（后面详细介绍），包含协议封装和加密过程，发送给SS服务器。
- SS服务器收到SS请求并解析，包含解密和协议解析过程，获得原始HTTP请求。
- SS服务器连接Google服务器，发送用户的原始HTTP请求，并获取Google返回的HTTP响应。
- SS服务器对HTTP请求进行加密，并发送到SS客户端。此处没有协议封装。
- SS客户端收到SS服务器的响应，进行数据解密得到HTTP响应，发送到浏览器以完成HTTP请求。
Shadowsocks协议
接下来会在字节层面对上述过程进行详细介绍。由于SS在处理TCP连接和UDP报文所使用的协议有所差异，因此也会分开介绍。
TCP连接
TCP连接模式主要包括HTTP、HTTPS和Socket等应用层协议，这些协议有所差异比如说有的协议有握手，有的协议却只有一来一回的数据交互，有的协议可能会保持长时间的连接和数据传输。。但这些对于SS来说都是一样的，因为它们都不过是数据（payload），而SS要做的无非是创建两个通道，一个用于把客户端数据传输到服务端，一个用于把服务端的数据传输到客户端。
SS请求
TCP握手很熟悉了，握手的目的是建立数据链路。SS也有握手过程，目的就是建立上述的数据链路，不过这个过程只有半次握手，即SS请求。SS请求的主要功能是建立代理链路，因此需要告诉SS服务器要代理访问的远程服务器地址（如果不知道IP地址的话，给域名也可以），然后可以顺便携带一部分传输数据。根据地址类型的不同，SS请求会有3种形式：
- 通过SS请求传输目标服务器的IPv4地址：
- 通过SS请求传输目标服务器的IPv6地址：
- 在不知道目标服务器IP地址的时候（比如DNS被劫持），直接传输目标服务器的域名：
客户端加密
SS客户端把SS请求组装好了，在向SS服务器传输之前还需要进行加密，否则用户的数据就在网络上明文传输了，这个是很不安全的。下面举例使用SS中最常用的加密方案AES-256-cfb方式进行数据加密，大致步骤如下：
- 密钥生成：AES-256意味着其密钥长度是256bit，但用户密码有长有短，而且都是可见的ASCII，把密码作为密钥来用显然安全性是不够的，所以需要根据密码生成安全性达标的256bit长度密钥。SS中使用MD5对密码生成16byte长度的消息摘要，即可作为密钥使用。
- IV生成：原始AES加密下，对于相同的明文会生成相同的密文，这也是安全性的一种缺陷。AES-cfb通过引入随机数IV的方式解决该问题，即在随机数IV的加持之下可以实现相同的明文生成不同的密文。在AES-256-cfb中，IV是一个16bit的随机数。
- 加密：有了密钥、加密算法、IV，就可以生成加密器，并对数据进行加密了。在此数据就是上述所组装的SS请求，得到密文cypher。为了让SS服务端可以解密，还需要把IV也一同发送，所以最终生成的数据如下：
服务端解析
SS服务器和SS客户端所共享的信息有密码和加密方式，这是配置过SS服务器的人都知道的，在收到SS客户端发送的SS请求后，SS客户端进行解析的过程如下：
- 密钥生成：根据密码生成密钥，由于和客户端拥有相同的密码和密钥生成算法，所以生成的AES-256-cfb密钥也是一样的。
- 获取IV：从SS客户端接收到的数据前16bit提取出来就得到了AES-256-cfb的IV。
- 解密：根据密钥、加密算法和IV生成解密器，对收到的数据进行解密，就得到了SS请求明文。
- 地址解析：根据SS请求的第1个Byte得知目标服务器地址的类型（IPv4，IPv6或域名），并根据相应的规则进行解析得到其地址与端口。
- 代理请求：说到底SS就是一个代理协议，代理的意思就是代替客户端对目标服务器发起请求。通过地址与端口连接目标服务器，并发送解密后的数据，完成请求。
服务端响应
SS服务器收到目标服务器的数据，把数据传输给SS客户端，也需要进行加密，不同的是不需要组装协议了。所以该过程就比较简单：
- 生成IV：虽然也是随机数，但该IV与SS客户端发送请求时生成的IV不相等，需要再生成一个。
- 加密：根据新生成的IV、密钥和加密算法生成加密器，对目标服务器响应的数据进行加密。同样为了SS客户端可以解密，也需要把IV连同密文一起发送给客户端。
客户端解析
SS客户端收到服务端的数据，通过提取IV就可以生成响应的解密器，对数据进行解密，从而完成用户与目标服务器的通信。
上述的加密器和解密器都是和连接绑定的，即一次TCP连接代理通信只需要互相发送一次IV用于双方创建解密器，而后续的通信内容都只有包括密文部分，使用解密器进行解密即可。
所以其实SS协议的过程是非常简单的，以至于在画下图的时候都不知道有什么可以加上的东西。
UDP连接
UDP模式在SS中通过UDP转发选项开启，用于代理UDP流量如DNS查询、即时语音通信等。
UDP模式和TCP模式差异
SS中TCP和UDP大同小异，但由于UDP之于TCP是无连接协议，因此简单探讨一下UDP模式无连接下的一些区别：
- TCP连接作为基本单位：在TCP模式中，从握手到挥手的过程就是一次连接，因此一次连接是SS中的基本单位，所以一次连接对应上下行的2个加密通道、2个IV。所以一次TCP连接中无论有多少次数据交互，只需要一次握手。
- UDP数据分组作为基本单位：在UDP模式中没有连接的概念，其基本单位是每个数据包，所以每个数据包对应1个IV和加密解密器。可以说在UDP模式下有多少个数据包，就会发生多少次SS握手。
- 连接方式差异：因为UDP是无连接，所以在socket编程时通常不会像UDP连接一样，先connect然后才数据读写，而是直接进行数据包的收发。
- 方向性：TCP模式种中总是SS客户端向SS服务器发起握手，但在UDP模式中由于没有连接的概念，所以每个数据包都是平等的自带握手信息，即使SS服务器向SS客户端发送的数据也是。
UDP下的握手协议
UDP模式中每一个数据包都具有相同格式，无论是从SS客户端发往SS服务器，还是从SS服务器发往SS客户端，其格式与上述SS请求相同：
所以不仅SS客户端会把需要代理访问的目标服务器的地址信息告诉SS服务器，SS服务器也会把目标服务器返回的数据连同其地址信息一同返回SS客户端。这主要是因为UDP模式下是没有连接的概念，所以每条数据需要自带一些额外信息，就像每次进商场都要戴口罩测体温一样。
后记
学术交流而已。
