vpn-server 虚拟工作模式tun 和tap的区别

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a591244761 2013-07-31 09:11:58 博主文章分类：Linux系统服务-调优-排错 ©著作权

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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 TEXTC:
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 TEXTC:
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 TEXTC:
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 TEXTC:
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 TEXTC:
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 TEXTC:
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。