SOCKS5和Dante介绍

SOCKS是一个比较简单的通用代理协议，用于在客户端与服务器之间代理网络数据包。最新的版本是5, 所以一般叫做SOCKS5，协议规范是RFC1928。但SOCKS5并不兼容之前的SOCKS4和SOCKS4A。SOCKS5在SOCKS4的基础上添加了UDP转发功能和校验机制。

SOCKS5的工作过程简单可以归纳为协商、请求、和转发三个阶段。以TCP代理场景来看, 一般流程是:

1. 客户端建立TCP连接
2. 客户端发送客户端侧支持的校验方法
3. 服务端回应选择的校验方法
4. 客户端和服务端之间按选择的校验方法完成校验
5. 客户端发送所需的请求给服务端。SOCKS5支持不同的请求类型，包括CONNECT, BIND, UDPASSOCIATE等。
6. 服务端接收到请求，从中解析出目的地址，建立到目的地址的连接。
7. 发送成功信息给客户端。
8. 客户端开始发送应用层信息。
9. 服务端在客户端和目的地址之间转发应用层信息。

其中，2-4完成协商阶段，5-7完成请求阶段，之后进入转发阶段。

当前常用的校验方法是USERNAME/PASSWORD(RFC1929)和GSS-API(RFC1961)，具体的校验过程是由不同校验方法来自定义的。

使用USERNAME/PASSWORD校验方法的TCP代理时序图如下:

Dante是个较为成熟的SOCKS服务器开源实现，一些高级模块的代码没有开源，需要购买商业支持。但Dante的整体代码逻辑比较清晰，还是比较容易扩展的。

Dante的进程结构比较有意思，以一种类似流水线的方式在多个进程间传递并处理请求, 而且会根据请求量对相应进程数量进行调节，相应进程的处理量会通过修改进程名称来体现。

请求传递具体实现上依赖通过UNIX Socket在进程间传递文件描述符，机制可以参考这篇文章:

• https://copyconstruct.medium.com/file-descriptor-transfer-over-unix-domain-sockets-dcbbf5b3b6ec

Dante包括5种不同角色的进程:
mother: 初始启动的主进程，其他的进程都由mother进程创建。但在fork其他进程前，mother会建立两对UNIX Socket通道，一个用于在父子进程之间发送数据和文件描述符，另一个用于监控进程的存活状态。创建完其他进程后，mother开始循环处理客户端的TCP连接的accept。
monitor: 基于超时时间处理其他进程的共享内存数据。
negotiate: 处理SOCKS协议的协商。
request: 建立到远端服务器的请求。
io: 在客户端和远端服器之间转发数据。

整体的进程架构图如下:

上述的基于TCP的代理流程在sockd中的处理流程是:

• 客户端向sockd发起TCP连接。
• sockd的mother进程accept连接，然后选择一个negotiate进程，将相关数据结构及客户端连接fd发送给它。
• negotiate进程接收到fd和数据结构，从客户端fd读取协商请求和方法。从中选定一种方法，发送给客户端。
• 客户端根据sockd返回的校验方法发送校验请求。
• negotiate进程读取校验请求并校验通过后，发送成功状态给客户端。
• 客户端发送代理请求。
• negotiate进程读取代理请求并构建相应的数据结构，将这个数据结构和客户端fd再发送回mother进程。
• mother进程收到这些信息后再选择一个request进程，并将这些信息转发给该进程。
• request进程根据收到的请求信息建立到远端服务器的TCP连接，并根据客户端和远端服务器两端信息构建相关数据结构，和两个fd一起发送回mother进程。
• mother进程将收到的数据和两个fd转发给选定的一个io进程。
• io进程接收到这些信息后，在两个fd之间进行数据转发。

整体流程如图:

每个角色进程的逻辑主体都是基于select实现的事件驱动模型。众所周知，select有最大支持1024个文件描述符的限制。而在一些操作系统具体实现上，实际并不会真的去检查该限制。Dante的实现就利用这一点来突破1024的限制。这篇文章介绍了这种方法:
https://blog.csdn.net/dog250/article/details/105896693

但实际上这里还是存在一个BUG。Dante默认的编译情况下，会定义_FORTIFY_SOURCE, 这会导致FD_SET中会去检查1024的限制。当代理请求较多时，子进程越来越多，mother的fd数量就会超过1024而导致进程崩溃。

可以通过不再定义这个宏来修复问题，也可以通过另外的方法来绕过这个问题。

Dante支持创建多个mother进程，每个mother都会再创建自己的一系列negotiate,request, io等进程，但monitor进程只是最初的mother(叫做main mother)会创建。因为main mother是在开始listen之后再fork其他进程，因而多个mother进程都监听在同一端口上，它们会调用accept来抢夺客户端连接。抢夺到连接的mother会在自己的一系列子进程中进行处理。这样我们可以限制每个mother的文件描述符小于1024,而启动若干个mother。mother的数量可以通过命令行参数-N来指定。这种情况的进程架构如图:

Dante里很多实现细节不太考虑性能, 大量使用数组和遍历。举例来说，negotiate进程每次循环会调用neg_gettimedout函数获取一个超时的协商请求:

while (1 /* CONSTCOND */) {
    ...


#if HAVE_NEGOTIATE_PHASE
    gettimeofday_monotonic(&tnow);
    while ((neg = neg_gettimedout(&tnow)) != NULL) {

}
}

而neg_gettimedout的实现里依然是一个遍历:

static sockd_negotiate_t *
neg_gettimedout(const struct timeval *tnow)
{
   size_t i;

for (i = 0; i < negc; ++i) {
      if (!negv[i].allocated
      || CRULE_OR_HRULE(&negv[i])->timeout.negotiate == 0)
         continue;

if (socks_difftime(tnow->tv_sec, negv[i].state.time.negotiatestart.tv_sec)
      >= CRULE_OR_HRULE(&negv[i])->timeout.negotiate)
         return &negv[i];
   }

return NULL;
}

当协商请求很多时，negv这个数组基本被分配完，如果有一个请求超时，neg_gettimedout返回超时请求，下一次依然从数组第一个元素开始遍历。

如果对于SOCKS服务器性能有比较强的需求，Dante还是有很多优化空间的。比如使用epoll替换select, 使用其他结构替换数组等等。