VPN 基础原理详解——从隧道协议到加密机制

本文深入剖析 VPN 的核心构成，包括隧道协议、加密算法与关键安全机制，帮助读者全面理解 VPN 如何在公网上打造私密通道。

1. VPN 的定义与发展

VPN（Virtual Private Network）是一种在公用网络（如互联网）上构建专用网络的技术，实现数据传输的私密化与安全隔离 维基百科。最早由 CISCO 等厂商在 1990 年代推出，用于企业远程分支互联，随后演变为大众化的隐私保护工具。

2. 隧道协议对比

1. IPsec：在网络层封装 IP 包，结合 IKEv2 协议进行密钥协商，常用 AES-256-GCM 加密，支持隧道（Tunnel）与传输（Transport）两种模式 维基百科。
2. OpenVPN：基于 OpenSSL 库与 TLS/SSL 协议，可运行于 UDP/TCP 上，灵活性高，支持双向证书认证 维基百科。
3. WireGuard：轻量级、代码量小、基于 ChaCha20-Poly1305 算法，内核级实现，延迟低、吞吐高，正逐步集成至各大操作系统 WIRED。

3. 加密与完整性校验

• 对称加密：如 AES-256-GCM，提供高速加密与内置完整性校验。
• 非对称加密：用于初始密钥交换（如 DH/ECDH），确保会话密钥保密。
• 消息认证码（MAC）：防止数据篡改，常见有 HMAC-SHA256。

4. 多协议自动切换与适应性

现代客户端可根据网络环境智能选用协议：

• 高速场景优先 WireGuard；
• 严格监控环境下切换至 IPsec 或 OpenVPN 的 TCP 模式以穿透 DPI。

5. 实践示例：搭建与测试

• 在 Ubuntu 上安装 WireGuard：

sudo apt install wireguard

wg genkey | tee privatekey | wg pubkey > publickey

使用 iperf3 测速，比较不同协议下带宽与延迟：

• WireGuard：80–100 Mbps，延迟 10–20 ms
• OpenVPN UDP：50–60 Mbps，延迟 30–40 ms

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