[原创] 详解云计算网络底层技术——虚拟网络设备 tap/tun 原理解析

本文首发于我的公众号 Linux云计算网络（id: cloud_dev），专注于干货分享，号内有 10T 书籍和视频资源，后台回复「1024」即可领取，欢迎大家关注，二维码文末可以扫。

在云计算时代，虚拟机和容器已经成为标配。它们背后的网络管理都离不开一样东西，就是虚拟网络设备，或者叫虚拟网卡，tap/tun 就是在云计算时代非常重要的虚拟网络网卡。

tap/tun 是什么

tap/tun 是 Linux 内核 2.4.x 版本之后实现的虚拟网络设备，不同于物理网卡靠硬件网路板卡实现，tap/tun 虚拟网卡完全由软件来实现，功能和硬件实现完全没有差别，它们都属于网络设备，都可以配置 IP，都归 Linux 网络设备管理模块统一管理。

作为网络设备，tap/tun 也需要配套相应的驱动程序才能工作。tap/tun 驱动程序包括两个部分，一个是字符设备驱动，一个是网卡驱动。这两部分驱动程序分工不太一样，字符驱动负责数据包在内核空间和用户空间的传送，网卡驱动负责数据包在 TCP/IP 网络协议栈上的传输和处理。

用户空间与内核空间的数据传输

在 Linux 中，用户空间和内核空间的数据传输有多种方式，字符设备就是其中的一种。tap/tun 通过驱动程序和一个与之关联的字符设备，来实现用户空间和内核空间的通信接口。

在 Linux 内核 2.6.x 之后的版本中，tap/tun 对应的字符设备文件分别为：

tap：/dev/tap0
tun：/dev/net/tun

设备文件即充当了用户空间和内核空间通信的接口。当应用程序打开设备文件时，驱动程序就会创建并注册相应的虚拟设备接口，一般以 tunX 或 tapX 命名。当应用程序关闭文件时，驱动也会自动删除 tunX 和 tapX 设备，还会删除已经建立起来的路由等信息。

tap/tun 设备文件就像一个管道，一端连接着用户空间，一端连接着内核空间。当用户程序向文件 /dev/net/tun 或 /dev/tap0 写数据时，内核就可以从对应的 tunX 或 tapX 接口读到数据，反之，内核可以通过相反的方式向用户程序发送数据。

tap/tun 和网络协议栈的数据传输

tap/tun 通过实现相应的网卡驱动程序来和网络协议栈通信。一般的流程和物理网卡和协议栈的交互流程是一样的，不同的是物理网卡一端是连接物理网络，而 tap/tun 虚拟网卡一般连接到用户空间。

如下图的示意图，我们有两个应用程序 A、B，物理网卡 eth0 和虚拟网卡 tun0 分别配置 IP：10.1.1.11 和 192.168.1.11，程序 A 希望构造数据包发往 192.168.1.0/24 网段的主机 192.168.1.1。

基于上图，我们看看数据包的流程：

应用程序 A 构造数据包，目的 IP 是 192.168.1.1，通过 socket A 将这个数据包发给协议栈。
协议栈根据数据包的目的 IP 地址，匹配路由规则，发现要从 tun0 出去。
tun0 发现自己的另一端被应用程序 B 打开了，于是将数据发给程序 B.
程序 B 收到数据后，做一些跟业务相关的操作，然后构造一个新的数据包，源 IP 是 eth0 的 IP，目的 IP 是 10.1.1.0/24 的网关 10.1.1.1，封装原来的数据的数据包，重新发给协议栈。
协议栈再根据本地路由，将这个数据包从 eth0 发出。

后续步骤，当 10.1.1.1 收到数据包后，会进行解封装，读取里面的原始数据包，继而转发给本地的主机 192.168.1.1。当接收回包时，也遵循同样的流程。

在这个流程中，应用程序 B 的作用其实是利用 tun0 对数据包做了一层隧道封装。其实 tun 设备的最大用途就是用于隧道通信的。

tap/tun 的区别

看到这里，你可能还不大明白 tap/tun 的区别。
tap 和 tun 虽然都是虚拟网络设备，但它们的工作层次还不太一样。

tap 是一个二层设备（或者以太网设备），只能处理二层的以太网帧；
tun 是一个点对点的三层设备（或网络层设备），只能处理三层的 IP 数据包。

tap/tun 的应用

从上面的数据流程中可以看到，tun 设备充当了一层隧道，所以，tap/tun 最常见的应用也就是用于隧道通信，比如 VPN，包括 tunnel 和应用层的 IPsec 等，其中比较有名的两个开源项目是 openvpn 和 VTun。

总结

tun/tap 虚拟网卡，对应于物理网卡，如 eth0。

tun/tap 驱动包括字符设备驱动和网卡驱动。

tun/tap 常用于隧道通信。

我的公众号 「Linux云计算网络」(id: cloud_dev) ，号内有 10T 书籍和视频资源，后台回复 「1024」 即可领取，分享的内容包括但不限于 Linux、网络、云计算虚拟化、容器Docker、OpenStack、Kubernetes、工具、SDN、OVS、DPDK、Go、Python、C/C++编程技术等内容，欢迎大家关注。