云计算网络之---tap/tun/veth 虚拟网卡详解

Posted 2022-12-06 hello-Will

参考资料
https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/tuntap.txt
https://www.cnblogs.com/bakari/p/10450711.html - linux云计算网络

区别图

一图胜千言，进入正题： 物理网卡，TUN, TAP, VETH 四种模型的数据收发如下图所示

TAP/TUN

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

VETH PAIRS

Veth设备被构建为成对的连接虚拟以太网接口，并且可以被视为虚拟跳线。最终结果将在另一端显现出来。

这使得veth对非常适合将不同的虚拟网络组件（例如Linux网桥，OVS网桥和LXC容器）连接在一起。

您将在veth pairs对中看到的一个常见用例是OpenStack Neutron。在使用第veth pairs对将多个Linux桥接器连接在一起的情况下，您目前无法使用基于Tap的设备进行此操作。

常见问题

1. TUN / TAP驱动程序支持哪些平台？
   目前，驱动程序已为3 Unices编写：
   Linux内核2.2.x，2.4.x 及以后版本
   FreeBSD 3.x，4.x，5.x及以后版本
   Solaris 2.6、7.0、8.0及以后版本

2. TUN / TAP驱动程序用于什么？
   如上所述，TUN / TAP驱动程序的主要目的是隧道。
   VTun（http://vtun.sourceforge.net）使用它。

使用TUN / TAP的另一个有趣的应用程序是pipsecd
（http://perso.enst.fr/~beyssac/pipsec/），一个用户空间IPSec
可以使用完整的内核路由的实现（与FreeS / WAN不同）。

3.虚拟网络设备实际如何工作？
可以将虚拟网络设备视为简单的点对点或
以太网设备，而不是从物理设备接收数据包
媒体，从用户空间程序接收它们，而不是发送
通过物理媒体发送的数据包将它们发送到用户空间程序。

假设您在tap0上配置了IPv6，
内核将IPv6数据包发送到tap0，并将其传递给应用程序
（例如，VTun）。该应用程序将其加密，压缩并发送到
另一端在TCP或UDP上。另一边的应用解压缩
解密接收到的数据并将数据包写入TAP设备，
内核会像处理来自实际物理设备的数据包一样处理数据包。

4. TUN驱动程序和TAP驱动程序有什么区别？
   TUN适用于IP框架。 TAP适用于以太网帧。

这意味着在使用tun和
使用水龙头时使用以太网帧。

5. BPF和TUN / TAP驱动程序有什么区别？
   BPF是高级数据包筛选器。可以附加到现有的
   网络接口。它不提供虚拟网络接口。
   TUN / TAP驱动程序确实提供了虚拟网络接口，并且可能
   将BPF附加到此接口。

6. TAP驱动程序是否支持内核以太网桥接？
   是。 Linux和FreeBSD驱动程序支持以太网桥接。