Linux tun 设备介绍

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tun 是一种虚拟的 3 层虚拟网络设备，同时它也是一个字符设备，字符设备意味着可以把它当做一个文件，可以使用文件 API 操作这个设备，例如 open/read/write，由于它同时也是一个网络设备，所以它也可以像一个网卡一样，从内核网络协议栈中收发报文。所以从它架构上来看，tun 设备的一端连接着应用程序，一端连接着网络协议栈，如下图所示：

从在系统中的表象来看，字符设备的文件类型是 c，没有大小，但是有主次版本号：

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$ ls -alh /dev/net/tun
crw-rw-rw- 1 root root 10, 200 Jan 30 17:00 /dev/net/tun

tun 设备的创建是通过打开 /dev/net/tun 这个文件，然后使用 ioctl 系统调用对其进行 clone。也可以使用 ip 命令来实现 tun 设备的创建：

ip tuntap add dev tun1 mod tun

新创建的 tun1 设备位于 /sys/class/net/ 目录中：

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$ ll /sys/class/net/tun1
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Feb  4 15:44 /sys/class/net/tun1 -> ../../devices/virtual/net/tun1/

删除使用如下命令：

ip tuntap del dev tun1 mod tun

ICMP 示例

如前文所述，tun 设备的使用需要打开 /dev/net/tun 并对其 clone 之后才能进行使用，所以通用的创建 tun 设备有如下的步骤：

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int tun_alloc(char *dev, int flags)
{
    assert(dev != NULL);

    struct ifreq ifr;
    int fd, err;

    char *clonedev = "/dev/net/tun";

    if ((fd = open(clonedev, O_RDWR)) < 0) {
        return fd;
    }

    memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
    ifr.ifr_flags = flags;
    
    if (*dev != '\0') {
        strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);
    }
    if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0) {
        close(fd);
        return err;
    }

    strcpy(dev, ifr.ifr_name);

    return fd;
}

创建 tun 设备需要是 root 的用户，或者该应用程序需要具有 CAP_NET_ADMIN 权限，/dev/net/tun 必须以读写方式打开，它是创建任何 tun/tap 虚拟接口的起点，因此也被称为克隆设备 (clone device)。操作 (open()) 后会返回一个文件描述符，但此时还无法与接口通信。下一步会使用一个特殊的 ioctl() 系统调用，该函数的入参为上一步得到的文件描述符，以及一个 TUNSETIFF 常数和一个指向描述虚拟接口的结构体指针。

tun_alloc 函数的两个参数中：

  • dev：指的是创建的 tun 设备的名称，如果 *dev 为'\0'，则内核会尝试使用第一个对应类型的可用的接口，例如从 tun0 开始，如果 tun0 存在就为 tun1；
  • flags：用于指定虚拟设备的类型，通常为 IFF_TUN 或者 IFF_TAP，分别代表 tun 或者 tap 设备。除此之外，还有一个 IFF_NO_PI 标志，可以与 IFF_TUN 或 IFF_TAP 配合使用。IFF_NO_PI 会告诉内核不需要提供报文信息，即告诉内核仅需要提供 "纯"IP 报文，不需要其他字节。否则 (不设置 IFF_NO_PI)，会在报文开始处添加 4 个额外的字节 (2 字节的标识和 2 字节的协议)；

如果要完整的处理到达 tun 设备的 ICMP 请求，需要手动回响应：

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int main()
{
    int tun_fd, nread;
    char buffer[4096];
    char tun_name[IFNAMSIZ];

    tun_name[0] = '\0';

    tun_fd = tun_alloc(tun_name, IFF_TUN | IFF_NO_PI);

    if (tun_fd < 0) {
        perror("Allocating interface");
        exit(1);
    }

    printf("Open tun/tap device: %s for reading...\n", tun_name);

    while (1) {
        unsigned char ip[4];
        // 收包
        nread = read(tun_fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (nread < 0) {
            perror("Reading from interface");
            close(tun_fd);
            exit(1);
        }

        // IP 报文第9个字节表示协议类型，其中：
        // 1:  ICMP
        // 6:  TCP
        // 17: UDP
        if (buffer[9] != 1) {
            continue;
        }

        printf("Read %d bytes from tun/tap device, icmp type: %d\n", nread, buffer[20]);

        // IP报文中，从12个字节开始的连续4个字节保存源IP地址，第16个字节开始的连续4字节保存目的IP
        // 这里调换 ICMP 请求中的源IP和目的IP。用于响应
        // 更多关于IP报文格式的请看：https://www.tutorialspoint.com/ipv4/ipv4_packet_structure.htm
        memcpy(ip, &buffer[12], 4);
        memcpy(&buffer[12], &buffer[16], 4);
        memcpy(&buffer[16], ip, 4);

        // IP 头的长度是20个字节，对于ICMP报文，第20个字节表示TCMP报文类型：
        //    0: 表示 Echo Reply
        //    8: 表示 Echo Request
        buffer[20] = 0;
        *((unsigned short *)&buffer[22]) += 8;

        printf("source ip addr: %d %d %d %d \n", ip[0], ip[1], ip[2], ip[3]);

        // 发包
        nread = write(tun_fd, buffer, nread);
        printf("Write %d bytes to tun device\n", nread);
    }
    return 0;
}

完整的示例程序如下所示：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <net/if.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/if_tun.h>
#include <unistd.h>

int tun_alloc(char *dev, int flags)
{
    assert(dev != NULL);

    struct ifreq ifr;
    int fd, err;

    char *clonedev = "/dev/net/tun";

    if ((fd = open(clonedev, O_RDWR)) < 0) {
        return fd;
    }

    memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
    ifr.ifr_flags = flags;
    
    if (*dev != '\0') {
        strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);
    }
    if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0) {
        close(fd);
        return err;
    }

    strcpy(dev, ifr.ifr_name);

    return fd;
}

int main()
{
    int tun_fd, nread;
    char buffer[4096];
    char tun_name[IFNAMSIZ];

    tun_name[0] = '\0';

    tun_fd = tun_alloc(tun_name, IFF_TUN | IFF_NO_PI);

    if (tun_fd < 0) {
        perror("Allocating interface");
        exit(1);
    }

    printf("Open tun/tap device: %s for reading...\n", tun_name);

    while (1) {
        unsigned char ip[4];
        // 收包
        nread = read(tun_fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (nread < 0) {
            perror("Reading from interface");
            close(tun_fd);
            exit(1);
        }

        // IP 报文第9个字节表示协议类型，其中：
        // 1:  ICMP
        // 6:  TCP
        // 17: UDP
        if (buffer[9] != 1) {
            continue;
        }

        printf("Read %d bytes from tun/tap device, icmp type: %d\n", nread, buffer[20]);
        printf("source ip addr: %d %d %d %d \n", buffer[12], buffer[13], buffer[14], buffer[15]);
        printf("destination ip addr: %d %d %d %d \n", buffer[16], buffer[17], buffer[18], buffer[19]);

        // IP报文中，从12个字节开始的连续4个字节保存源IP地址，第16个字节开始的连续4字节保存目的IP
        // 这里调换 ICMP 请求中的源IP和目的IP。用于响应
        // 更多关于IP报文格式的请看：https://www.tutorialspoint.com/ipv4/ipv4_packet_structure.htm
        memcpy(ip, &buffer[12], 4);
        memcpy(&buffer[12], &buffer[16], 4);
        memcpy(&buffer[16], ip, 4);

        // IP 头的长度是20个字节，对于ICMP报文，第20个字节表示TCMP报文类型：
        //    0: 表示 Echo Reply
        //    8: 表示 Echo Request
        buffer[20] = 0;
        *((unsigned short *)&buffer[22]) += 8;

        // 发包
        nread = write(tun_fd, buffer, nread);
        printf("Write %d bytes to tun device\n", nread);
    }
    return 0;
}

将完整的源代码保存成文件 tun.c，使用如下的命令进行编译：

gcc -o taptun tun.c

打开终端运行编译生成的可执行程序 taptun 可执行程序。然后打开另外一个终端，查询创建的 tun0 设备：

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$ ifconfig tun0
tun0: flags=4240<POINTOPOINT,NOARP,MULTICAST>  mtu 1500
        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

这个时候的 tun0 还未设置 IP 地址，可以使用如下的命令进行设置并启用：

ip a a 10.1.1.2/24 dev tun0
ip l s tun0 up

再次查看该设备，可以看到 IP 地址已经设置，并且处于启用状态：

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$ ifconfig tun0
tun0: flags=4305<UP,POINTOPOINT,RUNNING,NOARP,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.1.1.2  netmask 255.255.255.0  destination 10.1.1.2
        inet6 fe80::2ee1:4ade:16e4:8355  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        unspec 00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00  txqueuelen 500  (UNSPEC)
        RX packets 1  bytes 48 (48.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 1  bytes 48 (48.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

创建设置并且设置 IP 以后，可以看到操作系统会自动添加一条路由，表示发往 10.1.1.0/24 这个网段的所有报文都会经 tun0 设备发出：

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$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
10.1.1.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 tun0

所以只要 ping 这个网段内的任一 IP 都会到达 tun0 设备，并且被我们的 taptun 应用程序收到并处理，例如：

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$ ping -c 1 10.1.1.10
PING 10.1.1.10 (10.1.1.10) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.080 ms

--- 10.1.1.10 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.080/0.080/0.080/0.000 ms
$ ping -c 1 10.1.1.111
PING 10.1.1.111 (10.1.1.111) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.111: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.189 ms

--- 10.1.1.111 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.189/0.189/0.189/0.000 ms

应用程序将会有如下的输出：

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$ ./taptun
Open tun/tap device: tun0 for reading...
Read 84 bytes from tun/tap device, icmp type: 8
source ip addr: 10 1 1 2
destination ip addr: 10 1 1 10
Write 84 bytes to tun device
Read 84 bytes from tun/tap device, icmp type: 8
source ip addr: 10 1 1 2
destination ip addr: 10 1 1 111
Write 84 bytes to tun device

参考链接

  1. IP packets
  2. IPv4 - Packet Structure
  3. ICMP Explained and Packet Format
  4. https://juejin.cn/post/7057833934947614750
  5. https://blog.51cto.com/u_11299290/5107265
  6. https://ctimbai.github.io/2019/03/01/tech/net/vnet/ 基于 taptun 写一个 ICMP 程序 /
  7. https://www.zhengwenfeng.com/pages/143447/# 应用程序通过 tun 设备获取 ping 数据包
  8. https://lxd.me/a-simple-vpn-tunnel-with-tun-device-demo-and-some-basic-concepts
  9. https://www.rectcircle.cn/posts/linux-net-virual-05-tunnel/#tun-tap - 虚拟设备
  10. https://www.zhaohuabing.com/post/2020-02-24-linux-taptun/
  11. https://www.luozhiyun.com/archives/684
  12. https://blog.avdancedu.com/52f625ca/
  13. https://www.xzcoder.com/posts/network/05-simple-vpn.html# 程序测试