Linux虚拟网络设备之tun/tap

蔚落 2023-06-15 12:27 30阅读 0赞

在现在的云时代，到处都是虚拟机和容器，它们背后的网络管理都离不开虚拟网络设备，所以了解虚拟网络设备有利于我们更好的理解云时代的网络结构。从本篇开始，将介绍Linux下的虚拟网络设备。

## 虚拟设备和物理设备的区别 ##

在[Linux网络数据包的接收过程][Linux]和[数据包的发送过程][Link 1]这两篇文章中，介绍了数据包的收发流程，知道了Linux内核中有一个网络设备管理层，处于网络设备驱动和协议栈之间，负责衔接它们之间的数据交互。驱动不需要了解协议栈的细节，协议栈也不需要了解设备驱动的细节。

对于一个网络设备来说，就像一个管道（pipe）一样，有两端，从其中任意一端收到的数据将从另一端发送出去。

比如一个物理网卡eth0，它的两端分别是内核协议栈（通过内核网络设备管理模块间接的通信）和外面的物理网络，从物理网络收到的数据，会转发给内核协议栈，而应用程序从协议栈发过来的数据将会通过物理网络发送出去。

那么对于一个虚拟网络设备呢？首先它也归内核的网络设备管理子系统管理，对于Linux内核网络设备管理模块来说，虚拟设备和物理设备没有区别，都是网络设备，都能配置IP，从网络设备来的数据，都会转发给协议栈，协议栈过来的数据，也会交由网络设备发送出去，至于是怎么发送出去的，发到哪里去，那是设备驱动的事情，跟Linux内核就没关系了，所以说虚拟网络设备的一端也是协议栈，而另一端是什么取决于虚拟网络设备的驱动实现。

## tun/tap的另一端是什么？ ##

先看图再说话：

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    |  +--------------------+      +--------------------+            |
    |  | User Application A |      | User Application B |<-----+     |
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    |               | 1                    | 5                 |     |
    |...............|......................|...................|.....|
    |               ↓                      ↓                   |     |
    |         +----------+           +----------+              |     |
    |         | socket A |           | socket B |              |     |
    |         +----------+           +----------+              |     |
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    |.................|.................|......................|.....|
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    |             +------------------------+                 4 |     |
    |             | Newwork Protocol Stack |                   |     |
    |             +------------------------+                   |     |
    |                | 7                 | 3                   |     |
    |................|...................|.....................|.....|
    |                ↓                   ↓                     |     |
    |        +----------------+    +----------------+          |     |
    |        |      eth0      |    |      tun0      |          |     |
    |        +----------------+    +----------------+          |     |
    |    10.32.0.11  |                   |   192.168.3.11      |     |
    |                | 8                 +---------------------+     |
    |                |                                               |
    +----------------|-----------------------------------------------+
                     ↓
             Physical Network

上图中有两个应用程序A和B，都在用户层，而其它的socket、协议栈（Newwork Protocol Stack）和网络设备（eth0和tun0）部分都在内核层，其实socket是协议栈的一部分，这里分开来的目的是为了看的更直观。

tun0是一个Tun/Tap虚拟设备，从上图中可以看出它和物理设备eth0的差别，它们的一端虽然都连着协议栈，但另一端不一样，eth0的另一端是物理网络，这个物理网络可能就是一个交换机，而tun0的另一端是一个用户层的程序，协议栈发给tun0的数据包能被这个应用程序读取到，并且应用程序能直接向tun0写数据。

这里假设eth0配置的IP是10.32.0.11，而tun0配置的IP是192.168.3.11.

> 这里列举的是一个典型的tun/tap设备的应用场景，发到192.168.3.0/24网络的数据通过程序B这个隧道，利用10.32.0.11发到远端网络的10.33.0.1，再由10.33.0.1转发给相应的设备，从而实现VPN。

下面来看看数据包的流程：

1.  应用程序A是一个普通的程序，通过socket A发送了一个数据包，假设这个数据包的目的IP地址是192.168.3.1
2.  socket将这个数据包丢给协议栈
3.  协议栈根据数据包的目的IP地址，匹配本地路由规则，知道这个数据包应该由tun0出去，于是将数据包交给tun0
4.  tun0收到数据包之后，发现另一端被进程B打开了，于是将数据包丢给了进程B
5.  进程B收到数据包之后，做一些跟业务相关的处理，然后构造一个新的数据包，将原来的数据包嵌入在新的数据包中，最后通过socket B将数据包转发出去，这时候新数据包的源地址变成了eth0的地址，而目的IP地址变成了一个其它的地址，比如是10.33.0.1.
6.  socket B将数据包丢给协议栈
7.  协议栈根据本地路由，发现这个数据包应该要通过eth0发送出去，于是将数据包交给eth0
8.  eth0通过物理网络将数据包发送出去

10.33.0.1收到数据包之后，会打开数据包，读取里面的原始数据包，并转发给本地的192.168.3.1，然后等收到192.168.3.1的应答后，再构造新的应答包，并将原始应答包封装在里面，再由原路径返回给应用程序B，应用程序B取出里面的原始应答包，最后返回给应用程序A

> 这里不讨论Tun/Tap设备tun0是怎么和用户层的进程B进行通信的，对于Linux内核来说，有很多种办法来让内核空间和用户空间的进程交换数据。

从上面的流程中可以看出，数据包选择走哪个网络设备完全由路由表控制，所以如果我们想让某些网络流量走应用程序B的转发流程，就需要配置路由表让这部分数据走tun0。

## tun/tap设备有什么用？ ##

从上面介绍过的流程可以看出来，tun/tap设备的用处是将协议栈中的部分数据包转发给用户空间的应用程序，给用户空间的程序一个处理数据包的机会。于是比较常用的数据压缩，加密等功能就可以在应用程序B里面做进去，tun/tap设备最常用的场景是VPN，包括tunnel以及应用层的IPSec等，比较有名的项目是[VTun][]，有兴趣可以去了解一下。

## tun和tap的区别 ##

用户层程序通过tun设备只能读写IP数据包，而通过tap设备能读写链路层数据包，类似于普通socket和raw socket的差别一样，处理数据包的格式不一样。

## 示例 ##

### 示例程序 ###

这里写了一个程序，它收到tun设备的数据包之后，只打印出收到了多少字节的数据包，其它的什么都不做，如何编程请参考后面的参考链接。

#include <net/if.h>
    #include <sys/ioctl.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <string.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <linux/if_tun.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<stdio.h>
    
    int tun_alloc(int flags)
    {
    
        struct ifreq ifr;
        int fd, err;
        char *clonedev = "/dev/net/tun";
    
        if ((fd = open(clonedev, O_RDWR)) < 0) {
            return fd;
        }
    
        memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
        ifr.ifr_flags = flags;
    
        if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0) {
            close(fd);
            return err;
        }
    
        printf("Open tun/tap device: %s for reading...\n", ifr.ifr_name);
    
        return fd;
    }
    
    int main()
    {
    
        int tun_fd, nread;
        char buffer[1500];
    
        /* Flags: IFF_TUN   - TUN device (no Ethernet headers)
         *        IFF_TAP   - TAP device
         *        IFF_NO_PI - Do not provide packet information
         */
        tun_fd = tun_alloc(IFF_TUN | IFF_NO_PI);
    
        if (tun_fd < 0) {
            perror("Allocating interface");
            exit(1);
        }
    
        while (1) {
            nread = read(tun_fd, buffer, sizeof(buffer));
            if (nread < 0) {
                perror("Reading from interface");
                close(tun_fd);
                exit(1);
            }
    
            printf("Read %d bytes from tun/tap device\n", nread);
        }
        return 0;
    }

### 演示 ###

#--------------------------第一个shell窗口----------------------
    #将上面的程序保存成tun.c，然后编译
    dev@debian:~$ gcc tun.c -o tun
    
    #启动tun程序，程序会创建一个新的tun设备，
    #程序会阻塞在这里，等着数据包过来
    dev@debian:~$ sudo ./tun
    Open tun/tap device tun1 for reading...
    Read 84 bytes from tun/tap device
    Read 84 bytes from tun/tap device
    Read 84 bytes from tun/tap device
    Read 84 bytes from tun/tap device
    
    #--------------------------第二个shell窗口----------------------
    #启动抓包程序，抓经过tun1的包
    # tcpdump -i tun1
    tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
    listening on tun1, link-type RAW (Raw IP), capture size 262144 bytes
    19:57:13.473101 IP 192.168.3.11 > 192.168.3.12: ICMP echo request, id 24028, seq 1, length 64
    19:57:14.480362 IP 192.168.3.11 > 192.168.3.12: ICMP echo request, id 24028, seq 2, length 64
    19:57:15.488246 IP 192.168.3.11 > 192.168.3.12: ICMP echo request, id 24028, seq 3, length 64
    19:57:16.496241 IP 192.168.3.11 > 192.168.3.12: ICMP echo request, id 24028, seq 4, length 64
    
    #--------------------------第三个shell窗口----------------------
    #./tun启动之后，通过ip link命令就会发现系统多了一个tun设备，
    #在我的测试环境中，多出来的设备名称叫tun1，在你的环境中可能叫tun0
    #新的设备没有ip，我们先给tun1配上IP地址
    dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.3.11/24 dev tun1
    
    #默认情况下，tun1没有起来，用下面的命令将tun1启动起来
    dev@debian:~$ sudo ip link set tun1 up
    
    #尝试ping一下192.168.3.0/24网段的IP，
    #根据默认路由，该数据包会走tun1设备，
    #由于我们的程序中收到数据包后，啥都没干，相当于把数据包丢弃了，
    #所以这里的ping根本收不到返回包，
    #但在前两个窗口中可以看到这里发出去的四个icmp echo请求包，
    #说明数据包正确的发送到了应用程序里面，只是应用程序没有处理该包
    dev@debian:~$ ping -c 4 192.168.3.12
    PING 192.168.3.12 (192.168.3.12) 56(84) bytes of data.
    
    --- 192.168.3.12 ping statistics ---
    4 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 3023ms

## 结束语 ##

平时我们用到tun/tap设备的机会不多，不过由于其结构比较简单，拿它来了解一下虚拟网络设备还不错，为后续理解Linux下更复杂的虚拟网络设备（比如网桥）做个铺垫。

## 参考 ##

*  [Universal TUN/TAP device driver][Universal TUN_TAP device driver]
 *  [Tun/Tap interface tutorial][Tun_Tap interface tutorial]

[Linux]: https://segmentfault.com/a/1190000008836467
[Link 1]: https://segmentfault.com/a/1190000008926093
[VTun]: http://vtun.sourceforge.net/
[Universal TUN_TAP device driver]: https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/tuntap.txt
[Tun_Tap interface tutorial]: http://backreference.org/2010/03/26/tuntap-interface-tutorial/