單元 21 WireGuard、OpenVPN 與 IPsec
學習目標與問題
先讀 IP、路由、密碼學、NAT 和代理。你應能畫出 IP 層隧道、區分 OS 路由與 WireGuard AllowedIPs，預算 MTU，並比較 OpenVPN 及 IKEv2/IPsec。VPN 轉送 IP 不代表使用者所有流量都已進入 VPN。
LAN 單播直連與本鏈路服務探索分開驗證，參照 03A 的路由例外與 04A／L16 的探索路徑。
21.1 WireGuard 的內外兩層
WireGuard 把完整 IP 封包放進經認證加密的 UDP 傳輸。內層來源／目的是虛擬或被路由網段的 IP；外層 UDP/IP 負責到 peer endpoint 的 underlay 路徑。普通 TCP 應用仍在原始應用端點間保持 TCP，與逐段終止 TCP 的代理不同。
peer 以公開金鑰識別，握手使用 Noise 設計及臨時金鑰材料，建立並輪換資料金鑰；協定處理重放序號與視窗。私鑰、peer 公鑰和設定可信性仍需管理。通道保護在 peer 間終止，peer 若把 IP 轉送到明文服務，後段不因 VPN 自動加密。
21.2 AllowedIPs 不是整份 OS 路由表
傳出時，WireGuard 按內層目的前綴選 peer；傳入解密後，檢查來源 IP 是否被該 peer 允許。OS 先決定是否把封包送到 WireGuard 介面，兩者是不同查表。wg-quick 等整合工具可能依 AllowedIPs 建立 OS 路由；協定自身不替所有平臺自動設定全部流量。
例：peer P 的 AllowedIPs=10.10.0.0/24，而 OS 只有 10.10.0.0/24→wg0。目的 10.10.0.8 進 P，普通網站走原出口。若要全隧道，IPv4/IPv6 路由與 peer 前綴都需覆蓋；同時保留 peer 外層 endpoint 從實體出口可達，避免遞迴入自己的隧道。DNS 也需另行指定及驗證。
共享一個 peer 的多個前綴通常表示路由到該 peer，不代表每個 IP 都是獨立驗證的使用者身分。重疊前綴、轉送服務與多 peer 政策需仔細設計，不能把 AllowedIPs 當任意 ACL 語言。
21.3 MTU 與 NAT
內層封包加 outer IP、UDP、WireGuard 資料 header 與 tag 後要符合路徑限制，還可能有 padding。L10 以 1500-byte outer MTU 計算：外層 IPv4 預算 1500−20−8−16−16=1440；外層 IPv6 預算 1500−40−8−16−16=1420，這裡的 IP 版本指外層，這是 budget 而非所有平臺的最佳設定。PPPoE、額外隧道或更小 PMTU 會降低可用大小。若承載 IPv6，需滿足 IPv6 鏈路最小 MTU 1280 等要求；更小 underlay 應由適用封裝／分片機制處理，不能把內層介面任意降到不足。MSS 調整只影響 TCP，不解決所有 UDP／IPv6 問題。
NAT 後 peer 可因已驗證封包更新 endpoint；必要時 keepalive 能維持某些 NAT 狀態，但增加流量、耗電。UDP 封鎖不由 keepalive 自動解除。僅看到握手成功也不證明內層路由、轉送、防火牆和 DNS 皆正確。
21.4 OpenVPN 與 TCP-over-TCP
OpenVPN 可使用 UDP 或 TCP，控制通道通常用 TLS 管理認證與金鑰，資料通道另有資料加密格式。TUN 承載 IP，TAP 可承載 Ethernet；實作與模式支援需查平臺。TAP／橋接會擴展廣播與二層問題，不能只憑「能傳 MAC」判定更適合。
當內層 TCP 在外層可靠 TCP 隧道中，兩層重傳、隊首阻塞與壅塞行為可能耦合，遺失下產生額外延遲，常稱 TCP-over-TCP 問題。這並不適用於所有雙層 TLS 或所有 TCP 代理：終止內層 TCP 後只轉送 bytes 的代理，沒有把原始 TCP 段保留在外層 TCP 中，不屬於同一模型。UDP outer 避免該種雙重 TCP，但不保證任何路徑總是更快。
21.5 IKEv2 與 IPsec
IPsec 提供 IP 層保護與 policy/SA 等架構；ESP 可保護內容，tunnel 模式常封裝內層 IP，transport 模式保護上層 payload。IKEv2 負責認證、協商及建立金鑰/SA，不是直接替代 ESP 資料封包的另一個名稱。NAT traversal 常涉及 UDP 封裝；演算法套件、憑證／PSK 與平臺版本都要核對。
| 項目 | TCP 代理 | IP VPN |
|---|---|---|
| 轉送單位 | bytes／目的請求，UDP 另行 | IP 封包 |
| 應用 TCP 端點 | 常被分成兩段或多段 | 常保留原端點的 TCP |
| 非 TCP/UDP | 協定／實作特定 | 可承載 IP 協定，仍受 policy 限制 |
| 名稱分流 | 需目的域名或可信關聯 | 通常 IP 路由，需要另加 DNS／策略整合 |
| 全流量 | 入口及 app 支援決定 | OS 路由及雙協定 policy 決定 |
實驗、習題與檢核
L10 預算 MTU，L14 分開 OS route、peer 選擇、出口 NAT 與 DNS。必修為離線推演；Linux 部署延伸需在隔離環境固定軟體版。
- AllowedIPs 含 0.0.0.0/0 是否保證所有 IPv4 已送進 wg 介面？
- 加密資料從 peer 出口到目標後，還有哪些信任邊界？
- 為何 IPv4 全隧道不涵蓋 IPv6？
- TCP-over-TCP 為何不同於一般 TLS 套 TLS 的 bytes 代理？
檢核：能畫兩層 IP、兩次查表與每一段加密終點。來源：WireGuard 協定、WireGuard 概念、WireGuard 白皮書、OpenVPN 協定、RFC 4301、RFC 4303、RFC 7296。