tun/tap詳解

一、tun/tap概述

tun/tap是一種虛擬網絡設備，它可以將數據包從用戶空間傳輸到內核空間，或者反過來，通過用戶空間的程序來協議地訪問網絡設備。

tun/tap模塊的出現，主要是為了滿足虛擬網絡設備的需求。尤其是虛擬機技術的普及，使得網絡設備需要能夠高效地和虛擬機進行通信和交互，tun/tap成為了這方面的最佳選擇。

// 用戶空間程序創建並使用一個tun設備
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int tun_alloc(char *dev) {
    struct ifreq ifr;
    int fd, err;

    if ((fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR)) < 0) {
        return fd;
    }

    memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
    ifr.ifr_flags = IFF_TUN;
    if (*dev) {
        strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);
    }

    if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *)&ifr))  0) {
        printf("Received %lu bytes\n", strlen(buffer));
    }

    close(tun_fd);
    return 0;
}

二、tun/tap的工作原理

tun/tap依賴於內核的TUN/TAP驅動模塊，它通過創建一個虛擬網絡設備，來實現一個虛擬的網絡接口，作為網絡數據包的收發通道。整個過程可以分為以下幾個步驟：

1. 用戶程序申請創建tun/tap設備
2. 內核向用戶程序返回tun/tap設備信息
3. 用戶程序配置tun/tap設備
4. tun/tap設備準備就緒，可以開始數據包的收發
5. 用戶程序通過read/write等系統調用，向tun/tap設備中寫入/讀取數據包

在數據包的收發過程中，用戶程序和TUN/TAP驅動模塊之間通過ioctl系統調用交互，完成接口狀態、MAC和IP地址等的設置、讀取和修改等。同時，內核還會調度進程，執行網絡協議棧，完成數據包的處理和轉發等操作。

三、tun/tap的使用場景

tun/tap最常見的使用場景是虛擬機和容器技術，因為它可以實現網絡設備的隔離、共享和管理。在虛擬機中，將tun/tap設備掛載到虛擬機中，就可以實現虛擬機網絡設備和宿主機網絡設備之間的通信，也可以方便地實現虛擬機之間的網絡互通。

tun/tap還可以用於VPN和隧道網絡等場景，可以實現在公共網絡中建立私有網絡的功能。此外，tun/tap還可以用於網絡監控和測試等需求，方便收集和分析數據包。

四、tun/tap的高級特性

1. 多隊列支持

在網絡設備高負載的情況下，多隊列支持可以提高網絡設備的轉發性能。tun/tap對於多隊列的支持，可以通過參數設置和ioctl系統調用相結合的方式實現。通過設置多個隊列，不同流量可以被映射到不同隊列中，在每個隊列上進行處理，從而提高並發性和負載均衡性。

// 多隊列的創建與設置
int tun_queue[tun_queues];

for (int i = 0; i < tun_queues; i++) {
    // 創建tun設備
    tun_queue[i] = tun_create(tun_queue_name[i], IFF_TAP | IFF_NO_PI);
    // 為tun設備設置隊列數量
    ioctl(tun_queue[i], TUNSETQUEUE, i);
}

// 讀取隊列數據包操作
char buf[BUFLEN];
for (;;) {
    int ret = select(maxfd + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
    if (ret < 0) {
        perror("select");
        break;
    }

    for (int i = 0; i < tun_queues; i++) {
        // 測試該文件描述符是否就緒
        if (FD_ISSET(tun_queue[i], &rfds)) {
            // 讀取數據
            int len = read(tun_queue[i], buf, BUFLEN);
            if (len < 0) {
                perror("read()");
                break;
            }

            // 處理數據包
            // ...
        }
    }
}

2. 用戶空間和內核空間之間的零拷貝技術

在tun/tap的數據收發過程中，往往會涉及到數據的拷貝，因為數據需要在用戶程序和內核之間進行傳遞。為了避免頻繁的數據拷貝對系統性能帶來的負面影響，tun/tap可以使用零拷貝技術，即在發送數據包時，將數據包的內存映射到內核空間，這樣就可以直接從內存中訪問數據包，避免了數據的複製操作。

int tun_fd;
char buffer[2048];

tun_fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR);
if (tun_fd < 0) {
    perror("open");
    return EXIT_FAILURE;
}

memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
ifr.ifr_flags = IFF_TUN | IFF_NO_PI;

if (dev && *dev) {
    strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);
}

if (ioctl(tun_fd, TUNSETIFF, (void *)&ifr) cmsg_level = IPPROTO_IP;
cmsg->cmsg_type = IP_TOS;
cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));
*(int *)CMSG_DATA(cmsg) = IPTOS_LOWDELAY;

// 零拷貝技術的實現
int bytes_sent = sendmsg(tun_fd, &msg, MSG_DONTWAIT);

3. tun/tap虛擬設備的擴展

在tun/tap虛擬設備的使用中，還可以根據需要來自定義設備的協議和實現方式。比如，可以通過對TUN/TAP驅動模塊的修改，增加虛擬設備的類型和功能，也可以通過對用戶程序的修改，增加自定義的數據包處理邏輯。