SOCKS5协议及应用浅析

SOCKS是一种 网络传输协议 ，主要用于客户端与外网服务器之间通讯的中间传递。SOCKS是”SOCKetS”的缩写。

根据 OSI模型 ，SOCKS是会话层的协议，位于 表示层与 传输层之间。负责维护网络数据传输过程中，机器之间的通信连接。

SOCKS协议设计的初衷是帮助客户端更安全的访问防火墙外的资源。
当防火墙后的客户端要访问外部的服务器时，需要先跟SOCKS代理服务器连接。SOCKS代理服务器控制客户端访问外网的资格，并将符合条件的客户端的请求发往外部的服务器。

SOCKS5是SOCKS协议的第5版， 与前一个版本SOCKS4a相比，SOCKS5增加了对鉴定、IPv6和UDP支持。

SOCKS5代理原理示意图：

1.SOCKS5 Client发送SOCKS5请求到SOCK5 Server
2.SOCKS5 Server解析SOCKS5请求，提取出HTTP请求并转发到Google.com
3.Google.com 返回HTTP响应到SOCKS5 Server
4.SOCKS5 SERVER把HTTP响应封装到SOCK5响应里，返回给SOCKS5 Client

在一般的科学上网场景下，SOCKS5 Client通常是电脑或手机，SOCKS5 Server通常是一台在国外的VPS。

基于TCP的客户端使用SOCKS5流程：

1.握手
当TCP客户端想要建立到墙外目标服务器的连接，它必须先打开一个到SOCKS服务器的TCP连接，SOCKS服务位于TCP 1080端口上。
连接成功后，客户端会进入认证方法协商，当后续发送代理请求时，就使用协商好的认证方法进行认证。

如果没有特别说明，后续表格中的十进制数字表示相应字段占用的字节长度，X’hh’表示某个字段里的字节值，Variable表示某个字段的长度是可变的，具体的长度由相关的长度字段指定。

TCP客户端发送到SOCKS5服务器的握手请求：
+——+—————+—————+
|VER | NMETHODS | METHODS |
+——+—————+—————+
| 1 | 1 | 1~255 |
+——+—————+—————+

  • VER：版本，由于是使用SOCKS5，这个值固定是X’05’，也就是5，该字段长度1个字节；
  • NMETHODS：指定METHODS字段占用的字节数，该字段长度1个字节；
  • METHODS：客户端支持的认证方式列表，每一个字节代表了一种认证方式，该字段长度在1~255字节之间。

目前客户端支持的认证方式有：

  • 0x00：NO AUTHENTICATION REQUIRED（不需要验证）
  • 0x01：GSSAPI
  • 0x02：USERNAME/PASSWORD（用户名密码）
  • 0x03: to X’7F’ IANA ASSIGNED
  • 0x80: to X’FE’ RESERVED FOR PRIVATE METHODS
  • 0xFF: NO ACCEPTABLE METHODS（都不支持，无法连接）

SOCKS服务器收到TCP客户端的握手请求后，需要检查服务器是否支持客户端的认证方式，并做出响应：
+——+————+
|VER | METHOD |
+——+————+
| 1 | 1 |
+——+————+

  • VER：版本，由于是使用SOCKS5，这个值固定是X’05’，也就是5，该字段长度1个字节；
  • METHOD：服务端要求客户端按此认证方式提供认证信息，可为上面提到的认证方式之一，该字段长度为1个字节。

2.连接请求
客户端与SOCKS5服务器端完成连接握手之后，客户端会开始发送连接请求：
+——+——+———+———+—————+————+
| VER | CMD | RSV | ATYP | DST.ADDR | DST.PORT|
+——+——+———+———+—————+————+
| 1 | 1 | X’00’| 1 | Variable | 2 |
+——+——+———+———+—————+————+

  • VER：版本，由于是使用SOCKS5，这个值固定是X’05’，也就是5，该字段长度1个字节；
  • CMD：客户端请求的命令类型，字段长度为1个字节，有3种可选类型；
    • 0x01：连接(CONNECT)；
    • 0x02：绑定(BIND)；
    • 0x03：UDP关联(UDP ASSOCIATE)；
  • RSV：保留字段，字段长度为1个字节；
  • ATYP：请求的远程服务器地址类型，字段长度为1个字节，有3种可选类型：
    • 0x01：IPV4地址
    • 0x03：域名
    • 0x04：IPV6地址
  • DST.ADDR：远程服务器的地址，该字段长度不定，根据ATYP值决定：
    • ATYP=X’01’：DST.ADDR字段值为1个IPV4地址，该字段长度为4个字节
    • ATYP=X‘03’：DST.ADDR字段值包含1个域名，该字段的第1个字节表示了域名占用的字节数
    • ATYP=X‘04’：DST.ADDR字段值为1个IPV6地址，该字段长度为16个字节
  • DST.PORT：远程服务器的端口，使用网络字节序，该字段长度为2个字节，可以表示0~65535之间的所有端口。

SOCKS5服务器在收到客户端的请求之后，会对请求进行解析，并连接目标服务器，并返回结果给客户端：
+——+——+———+———+—————+—————+
|VER | REP | RSV | ATYP | BND.ADDR | BND.PORT |
+——+——+———+———+—————+—————+
| 1 | 1 | 1 | 1 | Variable | 2 |
+——+——+———+———+—————+—————+

  • VER：版本，由于是使用SOCKS5，这个值固定是X’05’，也就是5，该字段长度1个字节；
  • REP代表响应状态码，值长度也是1个字节，有以下几种类型
    • 0x00：成功
    • 0x01：通用SOCKS服务器失败
    • 0x02：规则集不允许连接
    • 0x03：网络不可达
    • 0x04：主机不可达
    • 0x05：连接被拒绝
    • 0x06：TTL过期
    • 0x07：不支持的命令
    • 0x08：不支持的地址类型
    • 0x09：到0xFF都未分配
  • RSV：保留字，默认值未X’00’，该字段长度为1个字节
  • ATYP：请求的远程服务器地址类型，该字段长度1个字节，有3种可选类型
    • 0x01：IPV4地址
    • 0x03：域名
    • 0x04：IPV6地址
  • BND.ADDR：绑定地址，该字段长度不定（具体长度规则参考上面的DST.ADDR）。
  • BND.PORT： 绑定端口，该字段长度2个字节
    绝大多数SOCKS5客户端会忽略上述返回的BND.ADDR和BND.PORT字段

3.代理
一旦客户端与SOCKS5服务器完成握手和连接之后，SOCKS5对后续的请求只会做简单的转发。

基于UDP的客户端使用SOCKS5流程：

1.代理
UDP客户端必须使用上述TCP流程中UDP关联请求返回的BND.PORT端口
每个客户端发送的UDP请求头如下：
+——+———+———+—————+—————+—————+
|RSV | FRAG | ATYP | DST.ADDR | DST.PORT | DATA |
+——+———+———+—————+—————+—————+
| 2 | 1 | 1 | Variable | 2 | Variable |
+——+———+———+—————+—————+—————+

  • RSV：保留字段，默认值X’0000’，字段长度为2个字节
  • FRAG：当前的段号
  • ATYP：请求的远程服务器地址类型，该字段长度1个字节，有3种可选类型
    • X’01’：IPV4地址
    • X’03’：域名
    • X’04’：IPV6地址
  • BND.ADDR：SOCKS服务端绑定地址
  • BND.PORT：SOCKS服务端绑定端口，按网络字节序
  • DATA：用户数据

由上面的“SOCKS5代理原理示意图”及协议说明可知，SOCKS5协议是明文在互联网上进行的，链路上的网关、路由器通过对数据包进行分析，很容易被识别。所以，科学上网神器Shadowsocks横空出世。

Shadowsocks原理：
Shadowsocks的创新在于将SOCKS5通信放在本地进行，本地与代理服务器之间采用密文传输，有效降低了数据包被识别的概率。
示意图如下：

一个完整的Shaowsocks代理流程示例：

# 握手阶段
client -> ss: 0x05 0x01 0x00
ss -> client: 0x05 0x00
# 建立连接
client -> ss: 0x05 0x01 0x00 0x03 0x0a b'google.com'  0x00 0x50
ss -> client: 0x05 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x10 0x10
# 传输阶段
client -> ss -> remote
remote -> ss -> client
......

Socks5协议标准相关参考文档：
https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc1928.txt
https://www.singchia.com/2018/03/21/RFC1928-Socks-Protocol-Version-5/
http://peachey.blog/2017/12/28/py-shadowsocks/
http://wuhaolin.cn/2017/11/03/%E4%BD%A0%E4%B9%9F%E8%83%BD%E5%86%99%E4%B8%AA%20Shadowsocks/
https://loggerhead.me/posts/shadowsocks-yuan-ma-fen-xi-xie-yi-yu-jie-gou.html

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