我们先来看一下 Linux 内核中关于 tuntap 的描述文件在Documentation/networking/tuntap.txtTUN/TAP provides packet reception and transmission for user space programs. It can be seen as a simple Point-to-Point or Ethernet device, which, instead of receiving packets from physical media, receives them from user space program and instead of sending packets via physical media writes them to the user space program.简单来说 TUN/TAP 设备是 Linux 内核提供的一种虚拟网络设备模拟了一个虚拟的网络设备它为用户空间程序提供了一种接收和发送数据包的机制。TUN/TAP 设备在 VPN、容器、虚拟化等领域有着广泛的应用例如OpenVPN 使用 TUN/TAP 接口来传输加密的 IP 数据包知名的容器网络方案 flannel 的 UDP 模式也是使用 TUN/TAP 来实现覆盖网络网络协议栈测试工具 packetdrill 则利用 TUN/TAP 将测试数据包写入内核协议栈以测试协议栈的响应。安全系统可以将恶意流量引导到 TAP 设备上然后在用户空间对其进行分析虽然我们经常将 TUN 和 TAP 放在一起提及它们的工作原理确实类似但实际上它们是两种不同类型的设备TUN 设备模拟了一个三层设用于处理 IP 数据包TAP 设备模拟了一个二层设备用于处理以太网帧用户通过与/dev/net/tun这个字符驱动设备文件进行交互来与 TUN/TAP 设备交互实现数据包的收发当内核将数据包发送给 TUN/TAP 设备时用户空间程序可以通过读取/dev/net/tun来获取数据包的内容当用户空间程序向/dev/net/tun写入数据时这些数据会作为数据包被发送到内核的网络协议栈中如下图所示下面是一个使用 TUN 设备的简单示例它展示了如何创建并配置一个 TUN 设备并从该设备读取数据包int tun_alloc(char *dev) { struct ifreq ifr; int fd, err; // 1、打开 /dev/net/tun 文件获取操作句柄 fd if ((fd open(/dev/net/tun, O_RDWR)) 0) { perror(Opening /dev/net/tun); return -1; } memset(ifr, 0, sizeof(ifr)); // 2、设置创建设备的 flag、设备名 ifr.ifr_flags IFF_TUN | IFF_NO_PI; if (*dev) { strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ); } // 3、调用 ioctl 来设置 TUN/TAP 设备的接口标志 if ((err ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) ifr)) 0) { perror(ioctl(TUNSETIFF)); close(fd); return -1; } strcpy(dev, ifr.ifr_name); return fd; }调用tun_alloc函数就可以创建一个 TUN 设备然后就可以像普通文件一样对返回的fd 进行读写操作与内核网络栈交换数据包。int main() { char tun_name[IFNAMSIZ]; int tun_fd, nread; unsigned char buffer[1500]; strcpy(tun_name, tun1); // 分配一个 tun1 虚拟网卡 tun_fd tun_alloc(tun_name); if (tun_fd 0) { perror(Allocating interface); exit(1); } printf(TUN/TAP device %s opened\n, tun_name); while (1) { // 从 tun_fd 读取数据内核发往用户态 nread read(tun_fd, buffer, sizeof(buffer)); if (nread 0) { perror(Reading from interface); close(tun_fd); exit(1); } // 打印 ip 头 print_ip_header((struct ip_header *) buffer); // 调用 payload print_payload(buffer, 20, nread); } return 0; }编译运行上面的代码但是别急此时 tun1 还没有 ip 地址也还没有被启用。给 tun1 设备配置 IP 地址并启用它$ ip addr add 10.0.5.100/24 dev tun1 $ ip link set tun1 up $ ifconfig -a tun1: flags4305UP,POINTOPOINT,RUNNING,NOARP,MULTICAST mtu 1500 inet 10.0.5.100 netmask 255.255.255.0 destination 10.0.5.100 unspec 00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00 txqueuelen 500 (UNSPEC) RX packets 0 bytes 0 (0.0 B) RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 0 bytes 0 (0.0 B) TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0通过route -n我们可以知道所有去往10.0.5.0包都会经过 tun1 网卡$ route -n Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface 0.0.0.0 192.168.31.1 0.0.0.0 UG 100 0 0 enp0s31f6 10.0.5.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 tun1此时如果 ping 一个 10.0.5.0/24 网段内的 IP例如 10.0.5.101我们的程序就可以收到相应的 ICMP 包并打印出包的内容。这表明数据包已经被成功地发送到了用户空间程序。在我们的应用进程就收到了对应的 icmp 包对应的数据如下IP Header |-Version : 4 |-Header Length : 20 Bytes |-Type Of Service: 0 |-Total Length : 21504 Bytes |-Identification : 53078 |-TTL : 64 |-Protocol : 1 |-Checksum : 4549 |-Source IP : 10.0.5.100 |-Destination IP : 10.0.5.101 Data Payload: 08 00 FC 5D 64 68 00 69 D3 74 AF 65 00 00 00 00 4E 23 07 00 00 00 00 00 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A 1B 1C 1D 1E 1F 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2A 2B 2C 2D 2E 2F 30 31 32 33 34 35 36 37使用 TUN/TAP 实现用户态 TCP 协议有了 TUN/TAP 就可以搞很多好玩的项目比如实现一个用户态 TCP 协议栈。基本思路是通过 TUN/TAP 设备接收和发送数据包并在用户态处理 TCP 协议的各个功能模块如连接管理、数据传输、拥塞控制等。如果你真要动手写需要仔细阅读 TCP 的 RFC 文档 RFC793 datatracker.ietf.org/doc/html/rf…需要实现以下主要功能模块连接管理处理 TCP 三次握手和四次挥手管理连接状态。数据传输实现数据包的发送和接收处理重传和确认机制。拥塞控制实现 TCP 拥塞控制算法如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。目前已有一些开源项目利用 TUN/TAP 在用户态实现了TCP/IP协议栈,可供我们学习参考:mstack-cpp 基于 TUN/TAP 设备用 C20 实现用户态TCP/IP协议栈Rust 届的大佬有一个视频介绍如何通过 TUN/TAP 从零到一实现用户态 TCP 协议感兴趣的同学可以参照这个视频www.youtube.com/watch?vbzj…小结TUN/TAP 为用户空间程序提供了一种直接与网络协议栈交互的方式使得许多有趣的应用场景成为可能强烈推荐大家动手试一试。
