Linux虚拟网络设备之tun/tap

摘要：虚拟设备和物理设备的区别在网络数据包的接收过程和数据包的发送过程这两篇文章中，介绍了数据包的收发流程，知道了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。

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。

在Linux网络数据包的接收过程和数据包的发送过程这两篇文章中，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。

先看图再说话：

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|  +--------------------+      +--------------------+            |
|  | User Application A |      | User Application B |<-----+     |
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|               | 1                    | 5                 |     |
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|         | socket A |           | socket B |              |     |
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|             | Newwork Protocol Stack |                   |     |
|             +------------------------+                   |     |
|                | 7                 | 3                   |     |
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|                ↓                   ↓                     |     |
|        +----------------+    +----------------+          |     |
|        |      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：

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

socket将这个数据包丢给协议栈

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

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

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.

socket B将数据包丢给协议栈

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

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。

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。

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。

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 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include
#include

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...
", 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
", nread);
    }
    return 0;
}

#--------------------------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

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。

Universal TUN/TAP device driver

Tun/Tap interface tutorial