Phantun - Rust 写的轻量级 UDP -> TCP 混淆器

[dndx]

GitHub: https://github.com/dndx/phantun

Crates: https://crates.io/crates/phantun

Phantun 的初衷跟 @wangyucn 的 udp2raw 很类似，都是为了实现一种简单的用户态 TCP 状态机来对 UDP 流量做伪装。主要的目的是希望能让 UDP 流量看起来像是 TCP，又不希望受到 TCP retransmission 或者 congestion control 的影响。

目标

• 高性能
• 低并且可预测的 MTU overhead （用最小的数据包头部，最大限度的为 UDP payload 保留空间）
• 多核友好
• 低资源占用

实现

整个项目使用 Rust 实现，没有额外的依赖。I/O 部分使用了久经考验的 Tokio。在可能的情况下尽量避免了多进程之间的锁争抢（比如使用原子操作来增加 TCP SEQ/ACK ）。

TCP 状态机部分做成了一个单独的库作为 Phantun 的依赖，方便在别的项目里集成：

https://crates.io/crates/fake-tcp

感想

这是我第一个用 async Rust 写的程序，不得不说 async Rust 和 Tokio 的性能大大超出了我的预期。目前这个只有最基本优化的版本在单 CPU 和多 CPU 的情况下性能均超过了基于 libev 和 C++ 的 udp2raw 。Rust 的安全检查也非常的舒服，基本上编译通过了以后不会有任何内存问题的可能。Rust 的 Drop 支持对管理 TCP 的状态也是帮助非常大。总体来说，这个代码量不大的项目的开发效率，执行效率和稳定性都大大超出了我的预期。

目前 Phantun 在几台机器上跑了一段时间，没有出现任何不稳定的现象，任何时候内存占用都未超过 2MB 。核心之间的 CPU 占用也很均匀。用 perf 看了一下火焰图，90% 以上的 CPU 时间都花在了内核态，说明 Tokio 的 runtime 实现是非常的高效的。

Rust 的 build 环境简直不要太舒服，交叉编译不同的架构也就是两行命令的事情，跟原来写 C 比起来开发体验上了一个档次。

唯一的缺点就是 async Rust 因为 Futures 用的比较多，build 出来的二进制文件也比较大，超过了 6MB 。对比之下 udp2raw 的二进制文件只有 5 MB （而且代码量比 Phantun 要多了不少）。

跟 udp2raw 的主要区别

Phantun 的目标不是为了替代 udp2raw，从一开始 Phantun 就希望设计足够的简单高效，所以 udp2raw 支持的 ICMP 隧道，加密，防止重放等等功能 Phantun 都选择不实现。

Phantun 假设 UDP 协议本身已经解决了这些问题，所以整个转发过程就是简单的明文换头加上一些必要的 TCP 状态控制信息。对于我日常使用的 WireGuard 来说，Phantun 这种设计是足够安全的，因为 WireGuard 的协议已经更好的实现了这些安全功能。

Phantun 使用 TUN 接口来收发 3 层数据包，udp2raw 使用 Raw Socket + BFP 过滤器。个人感觉基于 TUN 的实现要稍微的 clean 一点，而且跨平台移植也要更容易（不过目前只做了 Linux 的支持）。

Phantun 的 TCP 连接是按需创建的，只启动 Client 不会主动去连接服务器，需要第一个数据包到达了后才会按需创建。每个 UDP 流都有自己独立的 TCP 连接。这一点跟 udp2raw 很不一样，udp2raw 所有的 UDP 连接共用一个 TCP 连接。这样做的坏处就是 udp2raw 需要额外的头部信息来区分连接，更加增加了头部的开销。跟纯 UDP 比较，Phantun 每个数据包的额外头部开销是 12 byte，udp2raw 根据我的测试达到了 44 bytes 。

跟 udp2raw 的详细功能和性能比较，请查看 README.md。

花了一个周末的时间对 Phantun 又做了更细致的优化，主要是去除了 AsyncMutex 的使用以及 spawn 更多的 Tokio task 以充分利用多核心。

跟 v0.2.x 版本比较，单 UDP 连接性能提升大约 200%，多 UDP 连接性能提升大约 20%。

在 AWS 上开了 2 个 t4g.xlarge 4 核心 ARM 机器做性能测试，与目前最新版的 udp2raw 相比，Phantun 单连接性能大概快 67%，多连接性能快 210%。

最新的 v0.3.2 版本已经发布，包含了这些优化。欢迎大家继续提供使用反馈。

总结：Rust 真香

v0.4.1 版本发布，该版本添加了完整的 IPv6 支持，目前 Phantun 的 UDP 和 TCP 协议栈已经完全兼容 IPv6。

README.md 一并更新了 IPv6 需要的额外配置（其实跟 IPv4 基本上差不多的，就是地址不一样）。

根据测试，IPv6 跟 IPv4 模式下性能没有任何区别。

[Tink]

牛啊，这个感觉是 wireguard 绝配

[meanmachine]

mark... udp2raw 跑单核确实蛋疼了一点

[makelove]

太牛了，而且这种真是生活必须品。
我当前用 upd2raw，确实对我用来 fq 的垃圾小鸡性能有点压力。

[codehz]

测试过可以穿透一些常见的 tcp 反代 /负载均衡吗（

[dndx]

@codehz 7 层反代是不行的，7 层反代的 TCP 栈是操作系统的，这种只能用真的 TCP 来实现，就没有了 Fake TCP 的性能优势。

[messense]

> 唯一的缺点就是 async Rust 因为 Futures 用的比较多，build 出来的二进制文件也比较大，超过了 6MB

可以用 upx 压缩一下，应该可以小很多；也可以再试试开启 LTO and/or opt-level = "z"

[kkocdko]

@messense 个人认为 binary 大小不算太大问题，比起 golang 自带 runtime 那动辄 10M+的体积，已经算很理想了。
lto pgo 之类的楼主这个水平应该会考虑到，optz 就算了，这项目的初衷大概就是性能？ optz 开倒车呢

[dndx]

@kkocdko
@messense 目前 release 用 zip 压缩一下两个 binary 一共也不到 4MB，还算可以接受。

[plko345]

楼主，请教你这些网络编程相关的知识有哪些书推荐，或课程

[codehz]

@dndx 我是说 cloudflare spectrum 这样的服务，理论上是 layer 4 的反代

[dndx]

@codehz 这种肯定没有问题，MTU 调好就行。

[onlyu]

很棒啊，这样的分享是最想看到的

[dndx]

@codehz 又看了一下，Spectrum 宣称可以提供请求日志，感觉像是在 CF Edge 终结了 TCP 连接，如果是这样的话应该不行，最好实际测一下。

[dndx]

@plko345 网络编程入门的话我看的是 UNIX Network Programming 。写 Phantun 主要就是看 RFC793 和 API 文档了。

[lookas2001]

好项目，赞

[vinsoncou]

@dndx 按步骤测试下来发现 linux server 上没有端口监听，不知道问题出在哪里。

[dndx]

@vinsoncou 本身就不是系统的 socket，看不到监听是正常的，只要 tun 设备出现就 ok 了

[vinsoncou]

@dndx 客户端的 wg 的 endpoint 要改为 Phantun client 的监听 ip，如示例中的 127.0.0.1:1234 么？

[dndx]

@vinsoncou 是的，客户端连接 `./phantun_client --local` 设置的端口。

[wangyucn]

来滋瓷一个, 用 tun 实现很不错。

[raysonx]

挺有意思的的项目，已关注。后面如有用的话希望能够贡献代码。

[NeedforV2]

LZ 牛 B，赞一个

[F0nebula]

以性能为代价可以优化二进制文件大小吗 校园网是百兆 但是路由器 ROM 只有 16MB

[dndx]

@F0nebula 可以按照 @messense 的建议尝试修改 Rust 的编译选项。再不济也可以下载到 tmpfs 里来执行（如果 RAM 够的话）。

[hronro]

能实现类似 udp2raw 的那种底层掉线上层不掉线吗？

[xiaoun001]

感谢楼主 github 中不厌其烦的解释，前后折腾很久，终于用上了。话说真的真稳定，也非常不错。之前一直不通，楼主指导用 TCPDUMP 抓包，终于找到原因了。
注意两个坑：1 、服务端、客户端地址本地有效，最直观用途就是用来做 NAT 转发的。是无法 ping 通对端的。
2 、Linux tun 设备是成对出现的，因此系统 tun0 地址并不是实际发包的地址（用 TCPDUMP 抓包才看到）。
tun0: flags=4305<UP,POINTOPOINT,RUNNING,NOARP,MULTICAST> mtu 1500
inet 192.168.200.1 netmask 255.255.255.255 destination 192.168.200.2
此例，发包的地址是 192.168.200.2 ，也就是 snat 目标地址，而不是 200.1 。
3 、phantun 在 bash 下运行的很好，在 sh 下面运行报错。因此，注意 shell 解释器选择。之前在我的客户机 rc.local 就这句不行，服务器就可以。不经意发现客户机的 rc.local 靠头是
#!/bin/sh 改成 bash 正常。测试，的确在 sh 下运行报错。
4\ 楼主说明书客户端 那条比较宽泛 iptables 命令，对我的环境 多出口无效（策略路由环境），其实只要明白 iptables 是为了解决本地 tun0 接口出去，回来，就是让通过 tun0 口 192.168.200.2 能够上网，问题迎刃而解。若您有同样问题，请参考我下面的配置。

用上了，很好。楼主的 phantun ，速率接近 UDP 速率，差不多是 4/5 左右. 王宇大神的 udp2raw 高峰期差不多 2/3 。两个产品都很好，所以我同时用上了。我自己不会写网络程序，感谢两位大神。感谢楼主 isuse 不厌其烦解释。

phantun 配置
服务端：
/sbin/iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.201.1/24 -j SNAT –to-source 服务器 IP
/usr/local/bin/phantun_server -l 3389 -r 127.0.0.1:3389 2>1&
/sbin/iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp -i eth0 –dport 3389 -j DNAT –to-destination 192.168.201.2


客户端
/sbin/iptables/iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.200.1/24 -j SNAT –to-source 172.16.0.222
/usr/local/bin/phantun_client -l 127.0.0.1:3389 -r 服务器 IP:3389 2>1&

[vinsoncou]

@xiaoun001 请问下，这个 ip （ 172.16.0.222 ）是啥？

[dndx]

@vinsoncou 这个是他自定义的 tun 接口地址，一般情况下不需要改动，如果没有搞什么复杂的防火墙规则用文档里默认的配置就行了。

[vinsoncou]

@dndx 我测试了好几次，一直都不成功。不知道啥原有。Server 端是阿里云，服务器上看不到公网 IP 。

[xiaoun001]

@vinsoncou 这个是我的本地服务器 IP 地址啊。就是 phantun_client 客户端所在主机的 IP 地址。不是 tun 地址。

[xiaoun001]

@vinsoncou 用 TCPDUMP 抓包，一段一段找原因。tun 就是本地用途，需要用防火墙 NAT 规则将其映射出去。

@dndx 谢谢大神，一直追到最新版本了。两个月了，好稳定，效能高！谢谢。现在就是 phantun 主，udp2raw 备（配置好未用的状态），我不会写程序，但我 fork 了一份，期待这个项目一直存在。

[lysS]

这种伪装有效吗？ NAT 、防火墙、QOS 哪些不是直接看 IP 的 type 字段来区分 UDP/TCP 的吗？

[dndx]

@lysS 这种伪装下四层头已经不是 UDP 了，所以防火墙会将其识别成 TCP 流量。

[calcoe]

尝试了下，非常棒，跟 udp2raw 相比损耗的速率非常少，如果能支持 ipv6 就更好了。

[dndx]

@calcoe IPv6 支持的话，主要是在等 https://github.com/yaa110/tokio-tun/pull/8 这个 PR merge 。其实如果 netfilter 能加上 NAT64 支持，这个问题也基本可以解决。

[dndx]

@calcoe 最新的 `v0.4.1` 已经加上 TCP 数据包的 IPv6 支持，根据测试性能基本跟 IPv4 模式下没什么区别。

[calcoe]

Nice ！效率真高，感谢楼主，现在有 ipv6 支持对我来说很实用。

[Damn]

@dndx 楼主可以加上漫游功能么？
动态 ip 配 wireguard ，可以每几分钟解析一次对方的 a 记录，然后通过 wg show endpoint 与当前使用的 ip 比较，如果变化了则通过 wg set interface pubkey endpoint newip:port 将连接指向最新的 ip 。

wireguard 前面套一层 phantun ，如果对方 ip 变化了 phantun 就瞎了。希望可以像 wireguard 那样，有个 daemon 或者自己用 shell 写个 daemon ，监测到对方 ip 变化可以及时更正。

[smallthing]

@Damn 你写个脚本不是更简单？连 wg set interface 都省了。ip 变化了就用新的参数重启 phantun

[hanssx]

如果能支持 Windows 客户端就更好啦

[tulongtou]

好东西，今天用上了

[kcc2home]

支持 macos 吗

[kcc2home]

@kcc2home 另外，tcp 阻断可以规避的吗？ 佬

[sikeer]

的确好东西。和 udp2raw 比起来，好象是无状态，不需要握手，不知理解是否正确。

[sikeer]

@dndx 感谢，我用了好久的 UDP2RAW, 先不说性能，就说 UDP2RAW 握手，不知道为什么经常要好久才能成功。但 phantun 好象不需要握手协议，非常快，请问一下，phantun 是无状态协议，对吗？

[dndx]

@sikeer 不太清楚，不过 Phantun 跟 udp2raw 这块设计本身就不一样，每个 UDP 会话都有单独的 TCP 连接，udp2raw 是所有会话共享一个 TCP 的。