GFW的原理
要与GFW对抗不能仅仅停留在什么不能访问了，什么可以访问之类的表面现象上。知道youtube不能访问了，对于翻墙来说并无帮助。但是知道GFW是如何让我们不能访问youtube的，则对下一步的翻墙方案的选择和实施具有重大意义。所以在讨论如何翻之前，先要深入原理了解GFW是如何封的。
总的来说，GFW是一个分布式的入侵检测系统，并不是一个严格意义上的防火墙。不是说每个出入国境的IP包都需要先经过GFW的首可。做为一个入侵检测系统，GFW把你每一次访问facebook都看做一次入侵，然后在检测到入侵之后采取应对措施，也就是常见的连接重置。
检测有两种方式。一种是人工检测，一种是机器检测。你去国新办网站举报，就是参与了人工检测。在人工检测到不和谐的网站之后，就会采取一些应对方式来防止国内的网民访问该网站。对于这类的封锁，规避检测就不是技术问题了，只能从GFW采取的应对方式上采取反制措施。另外一类检测是机器检测，其检测过程又可以再进一步细分：
重建是指GFW从网络上监听过往的IP包，然后分析其中的TCP协议，最后重建出一个完整的字节流。分析是在这个重建的字节流上分析具体的应用协议，比如HTTP协议。然后在应用协议中查找是不是有不和谐的内容，然后决定采用何种应对方式。
所以，GFW机器检测的第一步就是重建出一个字节流。那么GFW是如何拿到原始的IP包的呢？真正的GFW部署方式，外人根本无从得知。据猜测，GFW是部署在国家的出口路由器的旁路上，用“分光”的方式把IP包复制一份到另外一根光纤上，从而拿到所有进出国境的IP包。下图引在gfwrev.blogspot.com：
但是Google在北京有自己的机房。所以聪明的网友就使用Google的北京机房提供的GAE服务，用Goagent软件达到高速翻墙的目的。但是有网友证实（https://twitter.com/chengr28/status/260970749190365184），
即便是北京的机房也会被骨干网丢包。事实上Google在北京的谷翔机房有一个独立的AS（BGP的概念）。这个AS与谷歌总部有一条IPV6的直连线路，所以通过这个机房可以用IPV6不受墙的限制出去。但是这个AS无论是连接国内还是国外都是要经过GFW的。所以机房在北京也不能保证国内访问不被墙。GFW通过配置骨干网的BGP路由规则，是可以让国内的机房也经过它的。另外一个例子是当我们访问被封的网站触发连接重置的时候，往往收到两个RST包，但是TTL不同。还有一个例子是对于被封的IP，访问的IP包还没有到达国际出口就已经被丢弃。所以GFW应该在其他地方也部署有设备，据推测是在省级骨干路由的位置。
对于GFW到底在哪这个话题，最近又有国外友人表达了兴趣（https://github.com/mothran/mongol）。 笔者在前人的基础上写了一个更完备的探测工具https://github.com/fqrouter/qiang。其原理是基于一个IP协议的特性叫TTL。TTL是Time to Live的简写。IP包在没经过一次路由的时候，路由器都会把IP包的TTL减去1。如果TTL到零了，路由器就不会再把IP包发给下一级路由。然后我们知道GFW会在监听到不和谐的IP包之后发回RST包来重置TCP连接。那么通过设置不同的TTL就可以知道从你的电脑，到GFW之间经过了几个路由器。比如说TTL设置成9不触发RST，但是10就触发RST，那么到GFW就是经过了10个路由器。另外一个IP协议的特性是当TTL耗尽的时候，路由器应该发回一个TTL EXCEEDED的ICMP包，并把自己的IP地址设置成SRC（来源）。结合这两点，就可以探测出IP包是到了IP地址为什么的路由器之后才被GFW检测到。有了IP地址之后，再结合IP地址地理位置的数据库就可以知道其地理位置。据说，得出的位置大概是这样的：
但是这里检测出来的IP到底是GFW的还是骨干路由器的？更有可能的是骨干路由器的IP。GFW做为一个设备用“分光”的方式挂在主干路由器旁边做入侵检测。无论如何，GFW通过某种神奇的方式，可以拿到你和国外服务器之间来往的所有的IP包，这点是肯定的。更严谨的理论研究有：Internet Censorship in China: Where Does the Filtering Occur?
GFW在拥有了这些IP包之后，要做一个艰难的决定，那就是到底要不要让你和服务器之间的通信继续下去。GFW不能太过于激进，毕竟全国性的不能访问国外的网站是违反GFW自身存在价值的。GFW就需要在理解了IP包背后代表的含义之后，再来决定是不是可以安全的阻断你和国外服务器之间的连接。这种理解就要建立了前面说的“重建”这一步的基础上。大概用图表达一下重建是在怎么一回事：
重建需要做的事情就是把IP包1中的GET /inde和IP包2中的x.html H和IP包3中的TTP/1.1拼到一起变成GET /index.html HTTP/1.1。拼出来的数据可能是纯文本的，也可能是二进制加密的协议内容。具体是什么是你和服务器之间约定好的。GFW做为窃听者需要猜测才知道你们俩之间的交谈内容。对于HTTP协议就非常容易猜测了，因为HTTP的协议是标准化的，而且是未加密的。所以GFW可以在重建之后很容易的知道，你使用了HTTP协议，访问的是什么网站。
重建这样的字节流有一个难点是如何处理巨大的流量？这个问题在这篇博客（http://gfwrev.blogspot.tw/2010/02/gfw.html） 中已经讲得很明白了。其原理与网站的负载均衡器一样。对于给定的来源和目标，使用一个HASH算法取得一个节点值，然后把所有符合这个来源和目标的流量都往这个节点发。所以在一个节点上就可以重建一个TCP会话的单向字节流。
最后为了讨论完整，再提两点。虽然GFW的重建发生在旁路上是基于分光来实现的，但并不代表整个GFW的所有设备都在旁路。后面会提到有一些GFW应对形式必须是把一些GFW的设备部署在了主干路由上，比如对Google的HTTPS的间歇性丢包，也就是GFW是要参与部分IP的路由工作的。另外一点是，重建是单向的TCP流，也就是GFW根本不在乎双向的对话内容，它只根据监听到的一个方向的内容然后做判断。但是监听本身是双向的，也就是无论是从国内发到国外，还是从国外发到国内，都会被重建然后加以分析。所以一个TCP连接对于GFW来说会被重建成两个字节流。具体的证据会在后面谈如何直穿GFW中详细讲解。
分析
分析是GFW在重建出字节流之后要做的第二步。对于重建来说，GFW主要处理IP协议，以及上一层的TCP和UDP协议就可以了。但是对于分析来说，GFW就需要理解各种各样的应用层的稀奇古怪的协议了。甚至，我们也可以自己发明新的协议。
总的来说，GFW做协议分析有两个相似，但是不同的目的。第一个目的是防止不和谐内容的传播，比如说使用Google搜索了“不该”搜索的关键字。第二个目的是防止使用翻墙工具绕过GFW的审查。下面列举一些已知的GFW能够处理的协议。
对于GFW具体是怎么达到目的一，也就是防止不和谐内容传播的就牵涉到对HTTP协议和DNS协议等几个协议的明文审查。大体的做法是这样的。
像HTTP这样的协议会有非常明显的特征供检测，所以第一步就没什么好说的了。当GFW发现了包是HTTP的包之后就会按照HTTP的协议规则拆包。这个拆包过程是GFW按照它对于协议的理解来做的。比如说，从HTTP的GET请求中取得请求的URL。然后GFW拿到这个请求的URL去与关键字做匹配，比如查找Twitter是否在请求的URL中。为什么有拆包这个过程？首先，拆包之后可以更精确的打击，防止误杀。另外可能预先做拆包，比全文匹配更节省资源。其次，xiaoxia和liruqi同学的jjproxy的核心就是基于GFW的一个HTTP拆包的漏洞，当然这个bug已经被修复了。其原理就是GFW在拆解HTTP包的时候没有处理有多出来的\r\n这样的情况，但是你访问的google.com却可以正确处理额外的\r\n的情况。从这个例子中可以证明，GFW还是先去理解协议，然后才做关键字匹配的。关键字匹配应该就是使用了一些高效的正则表达式算法，没有什么可以讨论的。
HTTP代理和SOCKS代理，这两种明文的代理都可以被GFW识别。之前笔者认为GFW可以在识别到HTTP代理和SOCKS代理之后，再拆解其内部的HTTP协议的正文。也就是做两次拆包。但是分析发现，HTTP代理的关键字列表和HTTP的关键字列表是不一样的，所以笔者现在认为HTTP代理协议和SOCKS代理协议是当作单独的协议来处理的，并不是拆出载荷的HTTP请求再进行分析的。
目前已知的GFW会做的协议分析如下：
DNS 查询
GFW可以分析53端口的UDP协议的DNS查询。如果查询的域名匹配关键字则会被DNS劫持。可以肯定的是，这个匹配过程使用的是类似正则的机制，而不仅仅是一个黑名单，因为子域名实在太多了。证据是：2012年11月9日下午3点半开始，防火长城对Google的泛域名 .google.com 进行了大面积的污染，所有以 .google.com 结尾的域名均遭到污染而解析错误不能正常访问，其中甚至包括不存在的域名（来源http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%9F%E5%90%8D%E5%8A%AB%E6%8C%81）
目前为止53端口之外的查询也没有被劫持。但是TCP的DNS查询已经可以被TCP RST切断了，表明了GFW具有这样的能力，只是不屑于大规模部署。而且TCP查询的关键字比UDP劫持的域名要少的多。目前只有dl.dropbox.com会触发TCP RST。相关的研究论文有：
- Hold-On: Protecting Against On-Path DNS Poisoning
- The Great DNS Wall of China
HTTP 请求
GFW可以识别出HTTP协议，并且检查GET的URL与HOST。如果匹配了关键字则会触发TCP RST阻断。前面提到了jjproxy使用的构造特殊的HTTP GET请求欺骗GFW的做法已经失效，现在GFW只要看到\r\n就直接TCP RST阻断了（来源https://plus.google.com/u/0/108661470402896863593/posts/6U6Q492M3yY）。相关的研究论文有：
- The Great Firewall Revealed
- Ignoring the Great Firewall of China
- HTTP URL/深度关键字检测
- ConceptDoppler: A Weather Tracker for Internet Censorship
对翻墙流量的分析识别
GFW的第二个目的是封杀翻墙软件。为了达到这个目的GFW采取的手段更加暴力。原因简单，对于HTTP协议的封杀如果做不好会影响互联网的正常运作，GFW与互联网是共生的关系，它不会做威胁自己存在的事情。但是对于TOR这样的几乎纯粹是为翻墙而存在的协议，只要检测出来就是格杀勿论的了。GFW具体是如何封杀各种翻墙协议的，我也不是很清楚，事态仍然在不断更新中。但是举两个例子来证明GFW的高超技术。
第一个例子是GFW对TOR的自动封杀，体现了GFW尽最大努力去理解协议本身。根据这篇博客（https://blog.torproject.org/blog/knock-knock-knockin-bridges-doors）。 使用中国的IP去连接一个美国的TOR网桥，会被GFW发现。然后GFW回头（15分钟之后）会亲自假装成客户端，用TOR的协议去连接那个网桥。如果确认是TOR的网桥，则会封当时的那个端口。换了端口之后，可以用一段时间，然后又会被封。这表现出了GFW对于协议的高超检测能力，可以从国际出口的流量中敏锐地发现你连接的TOR网桥。据TOR的同志说是因为TOR协议中的握手过程具有太明显的特征了。另外一点就表现了GFW的不辞辛劳，居然会自己伪装成客户端过去连连看。
第二个例子表现了GFW根本不在乎加密的流量中的具体内容是不是有敏感词。只要疑似翻墙，特别是提供商业服务给多个翻墙，就会被封杀。根据这个帖子（http://www.v2ex.com/t/55531）， 使用的ShadowSocks协议。预先部署密钥，没有明显的握手过程仍然被封。据说是GFW已经升级为能够机器识别出哪些加密的流量是疑似翻墙服务的。
关于GFW是如何识别与封锁翻墙服务器的，最近写了一篇文章提出我的猜想，大家可以去看看：http://fqrouter.tumblr.com/post/45969604783/gfw。
最近发现GFW对OpenVPN和SSL证书已经可以做到准实时的封IP（端口）。原理应该是离线做的深包分析，然后提取出可疑的IP列表，经过人工确认之后封IP。因为OpenVPN有显著的协议的特征，而且基本不用于商业场景所以很容易确认是翻墙服务。但是SSL也就是HTTPS用的加密协议也能基于“证书”做过滤不得不令人感到敬畏了。Shadowsocks的作者Clowwindy为此专门撰文“为什么不应该用SSL翻墙“：https://gist.github.com/clowwindy/5947691。
总结起来就是，GFW已经基本上完成了目的一的所有工作。明文的协议从HTTP到SMTP都可以分析然后关键字检测，甚至电驴这样不是那么大众的协议GFW都去搞了。从原理上来说也没有什么好研究的，就是明文，拆包，关键字。GFW显然近期的工作重心在分析网络流量上，从中识别出哪些是翻墙的流量。这方面的研究还比较少，而且一个显著的特征是自己用没关系，大规模部署就容易出问题。我目前没有在GFW是如何封翻墙工具上有太多研究，只能是道听途说了。
措施
封IP
一般常见于人工检测之后的应对。还没有听说有什么方式可以直接使得GFW的机器检测直接封IP。一般常见的现象是GFW机器检测，然后用TCP RST重置来应对。过了一段时间才会被封IP，而且没有明显的时间规律。所以我的推测是，全局性的封IP应该是一种需要人工介入的。注意我强调了全局性的封IP，与之相对的是部分封IP，比如只对你访问那个IP封个3分钟，但是别人还是可以访问这样的。这是一种完全不同的封锁方式，虽然现象差不多，都是ping也ping不通。要观摩的话ping twitter.com就可以了，都封了好久了。
其实现方式是把无效的路由黑洞加入到主干路由器的路由表中，然后让这些主干网上的路由器去帮GFW把到指定IP的包给丢弃掉。路由器的路由表是动态更新的，使用的协议是BGP协议。GFW只需要维护一个被封的IP列表，然后用BGP协议广播出去就好了。然后国内主干网上的路由器都好像变成了GFW的一份子那样，成为了帮凶。
如果我们使用traceroute去检查这种被全局封锁的IP就可以发现，IP包还没有到GFW所在的国际出口就已经被电信或者联通的路由器给丢弃了。这就是BGP广播的作用了。
DNS劫持
这也是一种常见的人工检测之后的应对。人工发现一个不和谐网站，然后就把这个网站的域名给加到劫持列表中。其原理是基于DNS与IP协议的弱点，DNS与IP这两个协议都不验证服务器的权威性，而且DNS客户端会盲目地相信第一个收到的答案。所以你去查询facebook.com的话，GFW只要在正确的答案被返回之前抢答了，然后伪装成你查询的DNS服务器向你发错误的答案就可以了。
TCP RST阻断
TCP协议规定，只要看到RST包，连接立马被中断。从浏览器里来看就是连接已经被重置。我想对于这个错误大家都不陌生。据我个人观感，这种封锁方式是GFW目前的主要应对手段。大部分的RST是条件触发的，比如URL中包含某些关键字。目前享受这种待遇的网站就多得去了，著名的有facebook。还有一些网站，会被无条件RST。也就是针对特定的IP和端口，无论包的内容就会触发RST。比较著名的例子是https的wikipedia。GFW在TCP层的应对是利用了IPv4协议的弱点，也就是只要你在网络上，就假装成任何人发包。所以GFW可以很轻易地让你相信RST确实是Google发的，而让Google相信RST是你发的。
封端口
GFW除了自身主体是挂在骨干路由器旁路上的入侵检测设备，利用分光技术从这个骨干路由器抓包下来做入侵检测 (所谓 IDS)，除此之外这个路由器还会被用来封端口 (所谓 IPS)。GFW在检测到入侵之后可以不仅仅可以用TCP RST阻断当前这个连接，而且利用骨干路由器还可以对指定的IP或者端口进行从封端口到封IP，设置选择性丢包的各种封禁措施。可以理解为骨干路由器上具有了类似“iptables”的能力（网络层和传输层的实时拆包，匹配规则的能力）。这个iptables的能力在CISCO路由器上叫做ACL Based Forwarding (ABF)。而且规则的部署是全国同步的，一台路由器封了你的端口，全国的挂了GFW的骨干路由器都会封。一般这种封端口都是针对翻墙服务器的，如果检测到服务器是用SSH或者VPN等方式提供翻墙服务。GFW会在全国的出口骨干路由上部署这样的一条ACL规则，来封你这个服务器+端口的下行数据包。也就是如果包是从国外发向国内的，而且src（源ip）是被封的服务器ip，sport（源端口）是被封的端口，那么这个包就会被过滤掉。这样部署的规则的特点是，上行的数据包是可以被服务器收到的，而下行的数据包会被过滤掉。
如果被封端口之后服务器采取更换端口的应对措施，很快会再次被封。而且多次尝试之后会被封IP。初步推断是，封端口不是GFW的自动应对行为，而是采取黑名单加人工过滤地方式实现的。一个推断的理由就是网友报道，封端口都是发生在白天工作时间。
翻墙原理
前面从原理上讲解了GFW的运作原理。翻墙的原理与之相对应，分为两大类。第一类是大家普遍的使用的绕道的方式。IP包经由第三方中转已加密的形式通过GFW的检查。这样的一种做法更像“翻”墙，是从墙外绕过去的。第二类是找出GFW检测过程的中一些BUG，利用这些BUG让GFW无法知道准确的会话内容从而放行。
基于绕道法的翻墙方式无论是VPN还是SOCKS代理，原理都是类似的。都是以国外有一个代理服务器为前提，然后你与代理服务器通信，代理服务器再与目标服务器通信。
详细的不能列举了。。。
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