TUN/TAP设备浅析(一) -- 原理浅析

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Yihulee
0.1 2017.06.12 21:34* 字数 1254

TUN/TAP设备浅析

TUN设备

TUN 设备是一种虚拟网络设备,通过此设备,程序可以方便地模拟网络行为。TUN 模拟的是一个三层设备,也就是说,通过它可以处理来自网络层的数据,更通俗一点的说,通过它,我们可以处理 IP 数据包。

先来看看物理设备是如何工作的:

tun设备

上图中的 eth0 表示我们主机已有的真实的网卡接口 (interface)。

网卡接口 eth0 所代表的真实网卡通过网线(wire)和外部网络相连,该物理网卡收到的数据包会经由接口 eth0 传递给内核的网络协议栈(Network Stack)。然后协议栈对这些数据包进行进一步的处理。

对于一些错误的数据包,协议栈可以选择丢弃;对于不属于本机的数据包,协议栈可以选择转发;而对于确实是传递给本机的数据包,而且该数据包确实被上层的应用所需要,协议栈会通过 Socket API 告知上层正在等待的应用程序。

下面看看 TUN 的工作方式:

数据包处理过程
01_UDP_VPN.png

我们知道,普通的网卡是通过网线来收发数据包的话,而 TUN 设备比较特殊,它通过一个文件收发数据包。

如上图所示,tunX 和上面的 eth0 在逻辑上面是等价的, tunX 也代表了一个网络接口,虽然这个接口是系统通过软件所模拟出来的.

网卡接口 tunX 所代表的虚拟网卡通过文件 /dev/tunX 与我们的应用程序(App) 相连,应用程序每次使用 write 之类的系统调用将数据写入该文件,这些数据会以网络层数据包的形式,通过该虚拟网卡,经由网络接口 tunX 传递给网络协议栈,同时该应用程序也可以通过 read 之类的系统调用,经由文件 /dev/tunX 读取到协议栈向 tunX 传递的所有数据包。

此外,协议栈可以像操纵普通网卡一样来操纵 tunX 所代表的虚拟网卡。比如说,给 tunX 设定 IP 地址,设置路由,总之,在协议栈看来,tunX 所代表的网卡和其他普通的网卡区别不大,当然,硬要说区别,那还是有的,那就是 tunX 设备不存在 MAC 地址,这个很好理解,tunX 只模拟到了网络层,要 MAC地址没有任何意义。当然,如果是 tapX 的话,在协议栈的眼中,tapX 和真是网卡没有任何区别。

如果我们使用 TUN 设备搭建一个基于 UDPVPN ,那么整个处理过程可能是这幅样子:

udp vpn

首先,我们的应用程序通过 eth0 和远程的 UDP 程序相连,对方传递过来的 UDP 数据包经由左边的协议栈传递给了应用程序,UDP 数据包的内容其实是一个网络层的数据包,比如说 IP 数据报,应用程序接收到该数据包的数据(剥除了各种头部之后的 UDP 数据)之后,然后进行一定的处理,处理完成后将处理后的数据写入文件 /dev/tunX,这样,数据会第二次到达协议栈。需要注意的是,上图中绘制的两个协议栈其实是同一个协议栈,之所以这么画是为了叙述的方便。

TAP设备

TAP 设备与 TUN 设备工作方式完全相同,区别在于:

  1. TUN 设备是一个三层设备,它只模拟到了 IP 层,即网络层 我们可以通过 /dev/tunX 文件收发 IP 层数据包,它无法与物理网卡做 bridge,但是可以通过三层交换(如 ip_forward)与物理网卡连通。可以使用ifconfig之类的命令给该设备设定 IP 地址。
  2. TAP 设备是一个二层设备,它比 TUN 更加深入,通过 /dev/tapX 文件可以收发 MAC 层数据包,即数据链路层,拥有 MAC 层功能,可以与物理网卡做 bridge,支持 MAC 层广播。同样的,我们也可以通过ifconfig之类的命令给该设备设定 IP 地址,你如果愿意,我们可以给它设定 MAC 地址。

最后,关于文章中出现的二层,三层,我这里说明一下,第一层是物理层,第二层是数据链路层,第三层是网络层,第四层是传输层。

参考文章:
[1]. https://blog.kghost.info/2013/03/27/linux-network-tun/

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