关于 TUN/TAP 设备

长期以来对tun和tap这对兄弟分不太清，今天下定决心研究了一下代码，总算是搞明白了。

首先它们都是从/dev/net/tun里ioctl出来的虚拟设备，一个是通过IFF_TUN，另一个是 IFF_TAP。最好的例子莫过于vpnc里面的代码了。

PLAIN TEXT

C:

1. int tun_open ( char  *dev,  enum if_mode_enum mode )
2. {
3.          struct ifreq ifr;
4.          int fd, err;
5.  
6.          if  ( (fd  = open ( "/dev/net/tun", O_RDWR ) ) < 0 )  {
7.                 error ( 0, errno,
8.                          "can't open /dev/net/tun, check that it is either device char 10 200 or (with DevFS) a symlink to ../misc/net/tun (not misc/net/tun)" );
9.                  return  -1;
10.          }
11.  
12.         memset ( &ifr,  0,  sizeof (ifr ) );
13.         ifr. ifr_flags  =  ( (mode  == IF_MODE_TUN ) ? IFF_TUN  : IFF_TAP ) | IFF_NO_PI;
14.          if  ( *dev )
15.                 strncpy (ifr. ifr_name, dev, IFNAMSIZ );
16.  
17.          if  ( (err  = ioctl (fd, TUNSETIFF,  ( void  * ) &ifr ) ) < 0 )  {
18.                 close (fd );
19.                  return err;
20.          }
21.         strcpy (dev, ifr. ifr_name );
22.          return fd;
23. }

用的ioctl的命令都是同一个TUNSETIFF。

虽然是出自一个娘，但它们仍然有大的不同。tun是点对点的设备，而tap是一个普通的以太网卡设备。也就是说，tun设备其实完全不需要有物理地址的！它收到和发出的包不需要arp，也不需要有数据链路层的头！而tap设备则是有完整的物理地址和完整的以太网帧。

用一个实际的例子来验证一下：

tap0    Link encap:Ethernet  HWaddr 0E:78:39:78:E7:A7
          inet addr:192.168.1.109  Bcast:192.168.1.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::c78:39ff:fe78:e7a7/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:21 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:500
          RX bytes:0 (0.0 b)  TX bytes:0 (0.0 b)


tun0    Link encap:UNSPEC  HWaddr 00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00
          inet addr:X.X.X.X  P-t-P:X.X.X.X  Mask:255.255.255.255
          UP POINTOPOINT RUNNING NOARP MULTICAST  MTU:1412  Metric:1
          RX packets:6 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:6 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:500
          RX bytes:690 (690.0 b)  TX bytes:402 (402.0 b)


% ethtool -i tun0
driver: tun
version: 1.6
firmware-version: N/A
bus-info: tun
% ethtool -i tap0
driver: tun
version: 1.6
firmware-version: N/A
bus-info: tap

继续回来看代码。还是vpnc的代码 tunip.c，看它发送的时候做了什么处理：

PLAIN TEXT

C:

1. static  int tun_send_ip ( struct sa_block  *s )
2. {
3.          int sent, len;
4.         uint8_t  *start;
5.  
6.         start  = s ->ipsec. rx. buf;
7.         len    = s ->ipsec. rx. buflen;
8.  
9.          if  (opt_if_mode  == IF_MODE_TAP )  {
10. #ifndef __sun__
11.                  /*
12.                  * Add ethernet header before s->ipsec.rx.buf where
13.                  * at least ETH_HLEN bytes should be available.
14.                  */
15.                  struct ether_header  *eth_hdr  =  ( struct ether_header  * )  (s ->ipsec. rx. buf  - ETH_HLEN );
16.  
17.                 memcpy (eth_hdr ->ether_dhost, s ->tun_hwaddr, ETH_ALEN );
18.                 memcpy (eth_hdr ->ether_shost, s ->tun_hwaddr, ETH_ALEN );
19.  
20.                  /* Use a different MAC as source */
21.                 eth_hdr ->ether_shost [ 0 ]  ^= 0x80;  /* toggle some visible bit */
22.                 eth_hdr ->ether_type  = htons (ETHERTYPE_IP );
23.  
24.                 start  =  (uint8_t  * ) eth_hdr;
25.                 len  += ETH_HLEN;
26. #endif
27.          }
28.  
29.         sent  = tun_write (s ->tun_fd, start, len );
30.          if  (sent  != len )
31.                 syslog (LOG_ERR,  "truncated in: %d -> %d\n", len, sent );
32.         hex_dump ( "Tx pkt", start, len,  NULL );
33.          return  1;
34. }

从上面的代码我们很容易看出：

1. 所谓发送就是对/dev/net/tun进行写操作。对称的，所谓接收就是读操作。
2. 如果是tap设备，发送时还要多加一个以太网的头。

我们再看内核中对应的代码是怎么处理的，在drivers/net/tun.c 中的 tun_get_user()：

PLAIN TEXT

C:

1. switch  (tun ->flags  & TUN_TYPE_MASK )  {
2.          case TUN_TUN_DEV :
3.                  if  (tun ->flags  & TUN_NO_PI )  {
4.                  //...
5.                  }
6.  
7.                 skb_reset_mac_header (skb );
8.                 skb ->protocol  = pi. proto;
9.                 skb ->dev  = tun ->dev;
10.                  break;
11.          case TUN_TAP_DEV :
12.                 skb ->protocol  = eth_type_trans (skb, tun ->dev );
13.                  break;

内核直接忽略了 tun 设备的以太网帧。现在，整个流程我们就已经很清楚了。

可是，上面只是用vpnc的例子。我们知道，实际中像kvm虚拟机才是tap的使用大户，我们很有必要看一下kvm是怎么使用tap设备的。为了方便起见，我们不看 qemu-kvm，因为它的代码过于复杂，我们看一个简单的kvm tools的实现。

这部分的主要代码在 virtio/net.c里面，virtio_net__tap_init()是在启动虚拟机时初始化tap设备的，然后启动两个线程分别监控tap设备的收发，代码是virtio_net_rx_thread()和virtio_net_tx_thread()，它们负责把进来的IO操作转换成对/dev/net/tun的读写。可是，IO操作是怎么进来的呢？这是关键。

顺着代码里的“针”一个个找下去，我们不难发现，IO操作是由kvm模拟出来的。首先它会把CPU指令中对应的IO操作进行转化，这部分在内核中，arch/x86/kvm/emulate.c::x86_emulate_insn()：

PLAIN TEXT

C:

1. do_io_in :
2.                 c ->dst. bytes  = min (c ->dst. bytes, 4u );
3.                  if  ( !emulator_io_permited (ctxt, ops, c ->src. val, c ->dst. bytes ) )  {
4.                         emulate_gp (ctxt,  0 );
5.                          goto done;
6.                  }
7.                  if  ( !pio_in_emulated (ctxt, ops, c ->dst. bytes, c ->src. val,
8.                                       &c ->dst. val ) )
9.                          goto done;  /* IO is needed */
10.                  break;

pio_in_emulated() 调用的 emulator_pio_in_emulated() 会进一步触发KVM_EXIT_IO：

PLAIN TEXT

C:

1. static  int emulator_pio_in_emulated ( int size,  unsigned  short port,  void  *val,
2.                               unsigned  int count,  struct kvm_vcpu  *vcpu )
3. {
4.          if  (vcpu ->arch. pio. count )
5.                  goto data_avail;
6.  
7.         trace_kvm_pio ( 0, port, size,  1 );
8.  
9.         vcpu ->arch. pio. port  = port;
10.         vcpu ->arch. pio. in  =  1;
11.         vcpu ->arch. pio. count   = count;
12.         vcpu ->arch. pio. size  = size;
13.  
14.          if  ( !kernel_pio (vcpu, vcpu ->arch. pio_data ) )  {
15.         data_avail :
16.                 memcpy (val, vcpu ->arch. pio_data, size  * count );
17.                 vcpu ->arch. pio. count  =  0;
18.                  return  1;
19.          }
20.  
21.         vcpu ->run ->exit_reason  = KVM_EXIT_IO;
22.         vcpu ->run ->io. direction  = KVM_EXIT_IO_IN;
23.         vcpu ->run ->io. size  = size;
24.         vcpu ->run ->io. data_offset  = KVM_PIO_PAGE_OFFSET  * PAGE_SIZE;
25.         vcpu ->run ->io. count  = count;
26.         vcpu ->run ->io. port  = port;
27.  
28.          return  0;
29. }

内核部分结束，转到用户空间，用户空间的 vcpu 会捕捉到这个事件，在 kvm-cpu.c::kvm_cpu__start() 中：

PLAIN TEXT

C:

1. case KVM_EXIT_IO :  {
2.                         bool ret;
3.  
4.                         ret  = kvm__emulate_io (cpu ->kvm,
5.                                         cpu ->kvm_run ->io. port,
6.                                          (u8  * )cpu ->kvm_run  +
7.                                         cpu ->kvm_run ->io. data_offset,
8.                                         cpu ->kvm_run ->io. direction,
9.                                         cpu ->kvm_run ->io. size,
10.                                         cpu ->kvm_run ->io. count );
11.  
12.                          if  ( !ret )
13.                                  goto panic_kvm;
14.                          break;
15.                  }

kvm__emulate_io() 就会调用在 virtio/net.c 注册的 virtio_net_pci_io_in()，数据就这样流向了 tap 网卡了。

转自：http://wangcong.org/blog/