linux tun/tap设备的实现（kennel 3.10）

linux tun/tap设备的实现（kennel 3.10）

什么是tun/tap？

TUN/TAP虚拟网络设备为用户空间程序提供了网络数据包的发送和接收能力。他既可以当做点对点设备（TUN），也可以当做以太网设备（TAP）。实际上，不仅Linux支持TUN/TAP虚拟网络设备，其他UNIX也是支持的，他们之间只有少许差别。

TUN/TAP虚拟网络设备的原理比较简单，他在Linux内核中添加了一个TUN/TAP虚拟网络设备的驱动程序和一个与之相关连的字符设备/dev/net/tun，字符设备tun作为用户空间和内核空间交换数据的接口。当内核将数据包发送到虚拟网络设备时，数据包被保存在设备相关的一个队列中，直到用户空间程序通过打开的字符设备tun的描述符读取时，它才会被拷贝到用户空间的缓冲区中，其效果就相当于，数据包直接发送到了用户空间。通过系统调用write发送数据包时其原理与此类似。

值得注意的是：一次read系统调用，有且只有一个数据包被传送到用户空间，并且当用户空间的缓冲区比较小时，数据包将被截断，剩余部分将永久地消失，write系统调用与read类似，每次只发送一个数据包。所以在编写此类程序的时候，请用足够大的缓冲区，直接调用系统调用read/write，避免采用C语言的带缓存的IO函数。

TUN/TAP是一类虚拟网卡的驱动。网卡驱动很好理解，就是netdev+driver，最后将数据包通过这些驱动发送出去，netdev可以参考内核或者OVS代码，基本使用的就是几个钩子函数。

虚拟网卡就是没有物理设备的网卡，那么他的驱动就是需要开发人员自己编写。一般虚拟网卡用于实现物理网卡不愿意做的事情，例如tunnel封装（用于vpn，openvpn（ http://openvpn.sourceforge.net）和Vtun( http://vtun.sourceforge.net)），多个物理网卡的聚合等。一般使用虚拟网卡的方式与使用物理网卡一样，在协议栈中通过回调函数call到虚拟网卡的API，经过虚拟网卡处理之后的数据包再由协议栈发送出去。

tun/tap的使用

linux2.4内核之后代码默认编译tun、tap驱动，使用的时候只需要将模块加载即可（modprobe tun，mknod /dev/net/tun c 10 200）。运行tun、tap设备之后，会在内核空间添加一个杂项设备（miscdevice，类比字符设备、块设备等）/dev/net/tun，实质上是主设备号10的字符设备。从功能上看，tun设备驱动主要应该包括两个部分，一是虚拟网卡驱动，其实就是虚拟网卡中对skb进行封装解封装等操作；二是字符设备驱动，用于内核空间与用户空间的交互。

源代码在/drivers/net/tun.c中，与其他netdev类似，tun这个netdev也提供open、close、read、write等API。在分析TUN/TAP驱动实现前，我们先看下如何使用。使用tun/tap设备的示例程序(摘自openvpn开源项目http://openvpn.sourceforge.net，tun.c文件)

int open_tun (const char *dev, char *actual, int size) 
 
{ 
  struct ifreq ifr; 
 int fd; 
  char *device = "/dev/net/tun"; 
 if ((fd = open (device, O_RDWR)) < 0) //创建描述符 
   msg (M_ERR, "Cannot open TUN/TAP dev %s", device); 
  memset (&ifr, 0, sizeof (ifr)); 
  ifr.ifr_flags = IFF_NO_PI; 
 if (!strncmp (dev, "tun", 3)) { 
ifr.ifr_flags |= IFF_TUN; 
 } 
 else if (!strncmp (dev, "tap", 3)) { 
ifr.ifr_flags |= IFF_TAP; 
} 
 else { 
   msg (M_FATAL, "I don't recognize device %s as a TUN or TAP device",dev); 
} 
 if (strlen (dev) > 3) /* unit number specified? */ 
   strncpy (ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ); 
 if (ioctl (fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr) < 0) //打开虚拟网卡 
   msg (M_ERR, "Cannot ioctl TUNSETIFF %s", dev); 
  set_nonblock (fd); 
  msg (M_INFO, "TUN/TAP device %s opened", ifr.ifr_name); 
 strncpynt (actual, ifr.ifr_name, size); 
  return fd; 
} 

调用上述函数后，就可以在shell命令行下使用ifconfig 命令配置虚拟网卡了：

ifconfigdevname10.0.0.1 up

route add -net 10.0.0.2 netmask255.255.255.255 devdevname

配置好虚拟网卡地址后，就可以通过生成的字符设备描述符，在程序中使用read和write函数就可以读取或者发送给虚拟的网卡数据了。

tun/tap的实现

tun/tap设备驱动的开始也是init函数，其中主要调用了misc_register注册了一个miscdev设备。

static int __init tun_init(void)
 
{
  /*……*/
  ret = misc_register(&tun_miscdev);
  /*……*/
} 

而tun_miscdev得定义如下：

static struct miscdevice tun_miscdev = {
 
.minor = TUN_MINOR,
.name = "tun",
.nodename = "net/tun",
.fops = &tun_fops,
} 

注册完这个设备之后将在系统中生成一个“/dev/net/tun”文件，同字符设备类似，当应用程序使用open系统调用打开这个文件时，将生成file文件对象，而其file_operations将指向tun_fops。

static const struct file_operations tun_fops = {
 
.owner= THIS_MODULE,
.llseek = no_llseek,
.read = do_sync_read,
.aio_read = tun_chr_aio_read,
.write = do_sync_write,
.aio_write = tun_chr_aio_write,
.poll= tun_chr_poll,
.unlocked_ioctl= tun_chr_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = tun_chr_compat_ioctl,
#endif
.open= tun_chr_open,
.release = tun_chr_close,
.fasync = tun_chr_fasync
}; 

下面我们以应用层使用的步骤来分析内核的对应实现。应用层首先调用open打开“/dev/net/tun”，这将最终调用tun_fops的open函数，即tun_chr_open。

l tun_chr_open

static int tun_chr_open(struct inode *inode, struct file * file)
 
{
struct tun_file *tfile;

DBG1(KERN_INFO, "tunX: tun_chr_open\n");

/*分配并初始化struct tun_file结构*/
tfile = (struct tun_file *)sk_alloc(&init_net, AF_UNSPEC, GFP_KERNEL,
 &tun_proto);
if (!tfile)
return -ENOMEM;
rcu_assign_pointer(tfile->tun, NULL);
tfile->net = get_net(current->nsproxy->net_ns);
tfile->flags = 0;

rcu_assign_pointer(tfile->socket.wq, &tfile->wq);
init_waitqueue_head(&tfile->wq.wait);

tfile->socket.file = file;
/*设置struct tun_file的socket成员ops*/
tfile->socket.ops = &tun_socket_ops;

sock_init_data(&tfile->socket, &tfile->sk);
sk_change_net(&tfile->sk, tfile->net);

tfile->sk.sk_write_space = tun_sock_write_space;
tfile->sk.sk_sndbuf = INT_MAX;
/*将struct tun_file作为file的私有字段，而file就是每次应用调用open打开/dev/net/tun生成的*/
file->private_data = tfile;
set_bit(SOCK_EXTERNALLY_ALLOCATED, &tfile->socket.flags);
INIT_LIST_HEAD(&tfile->next);

sock_set_flag(&tfile->sk, SOCK_ZEROCOPY);

return 0;
} 

经过这个函数后，整个数据结构的关系就如下图所示。注意这里的struct file结构就是每次应用调用open打开/dev/net/tun生成的。