利用 Linux tap/tun 虛擬設備寫一個 ICMP echo 程序
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前面兩篇文章已經介紹過 tap/tun 的原理和配置工具。這篇文章經過一個編程示例來深刻了解 tap/tun 的程序結構。編程
01 準備工做
首先經過 modinfo tun 查看系統內核是否支持 tap/tun 設備驅動。網絡
[root@by ~]# modinfo tun filename: /lib/modules/3.10.0-862.14.4.el7.x86_64/kernel/drivers/net/tun.ko.xz alias: devname:net/tun alias: char-major-10-200 license: GPL author: (C) 1999-2004 Max Krasnyansky <maxk@qualcomm.com> description: Universal TUN/TAP device driver retpoline: Y rhelversion: 7.5 srcversion: 50878D5D5A0138445B25AA8 depends: intree: Y vermagic: 3.10.0-862.14.4.el7.x86_64 SMP mod_unload modversions signer: CentOS Linux kernel signing key sig_key: E4:A1:B6:8F:46:8A:CA:5C:22:84:50:53:18:FD:9D:AD:72:4B:13:03 sig_hashalgo: sha256
在 linux 2.4 及以後的內核版本中，tun/tap 驅動是默認編譯進內核中的。tcp
若是你的系統不支持，請先選擇手動編譯內核或者升級內核。編譯時開啓下面的選項便可：ide
Device Drivers => Network device support => Universal TUN/TAP device driver support
tap/tun 也支持編譯成模塊，若是編譯成模塊，須要手動加載它：函數
[root@localhost ~]# modprobe tun [root@localhost ~]# lsmod | grep tun tun 31665 0
關於以上的詳細步驟，網上有不少教程，這裏就再也不贅述了。工具
https://blog.csdn.net/lishuhuakai/article/details/70305543oop
上面只是加載了 tap/tun 模塊，要完成 tap/tun 的編碼，還須要有設備文件，運行命令：測試
mknod /dev/net/tun c 10 200 # c表示爲字符設備，10和200分別是主設備號和次設備號
這樣在 /dev/net 下就建立了一個名爲 tun 的文件。編碼
02 編程示例
2.1 啓動設備
使用 tap/tun 設備，須要先進行一些初始化工做，以下代碼所示：
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;
}
// 一旦設備開啓成功，系統會給設備分配一個名稱，對於tun設備，通常爲tunX，X爲從0開始的編號；
// 對於tap設備，通常爲tapX
strcpy(dev, ifr.ifr_name);
return fd;
}
首先打開字符設備文件 /dev/net/tun，而後用 ioctl 註冊設備的工做模式，是 tap 仍是 tun。這個模式由結構體 struct ifreq 的屬性 ifr_flags 來定義，它有如下表示：
- IFF_TUN: 表示建立一個 tun 設備。
- IFF_TAP: 表示建立一個 tap 設備。
- IFF_NO_PI: 表示不包含包頭信息，默認的，每一個數據包傳到用戶空間時，都會包含一個附加的包頭來保存包信息，這個表示不加包頭。
- IFF_ONE_QUEUE：表示採用單一隊列模式。
仍是有一個屬性是 ifr_name，表示設備的名字，它能夠由用戶本身指定，也能夠由系統自動分配，好比 tapX、tunX，X 從 0 開始編號。
ioctl 完了以後，文件描述符 fd 就和設備創建起了關聯，以後就能夠根據 fd 進行 read 和 write 操做了。
2.2 寫一個 ICMP 的調用函數
爲了測試上面的程序，咱們寫一個簡單的 ICMP echo 程序。咱們會使用 tun 設備，而後給 tunX 接口發送一個 ping 包，程序簡單響應這個包，完成 ICMP 的 request 和 reply 的功能。
以下代碼所示：
int main()
{
int tun_fd, nread;
char buffer[4096];
char tun_name[IFNAMSIZ];
tun_name[0] = '\0';
/* Flags: IFF_TUN - TUN device (no Ethernet headers)
* IFF_TAP - TAP device
* IFF_NO_PI - Do not provide packet information
*/
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);
}
printf("Read %d bytes from tun/tap device\n", nread);
// 簡單對收到的包調換一下順序
memcpy(ip, &buffer[12], 4);
memcpy(&buffer[12], &buffer[16], 4);
memcpy(&buffer[16], ip, 4);
buffer[20] = 0;
*((unsigned short *)&buffer[22]) += 8;
// 發包
nread = write(tun_fd, buffer, nread);
printf("Write %d bytes to tun/tap device, that's %s\n", nread, buffer);
}
return 0;
}
下面測試一下。
2.3 給 tap/tun 設備配置 IP 地址
編譯：
[root@localhost coding]# gcc -o taptun taptun.c [root@localhost coding]# ./taptun Open tun/tap device: tun0 for reading...
開另外一個終端，查看生成了 tun0 接口：
[root@localhost coding]# ip a
6: tun0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 500
link/none
給 tun0 接口配置 IP 並啓用，好比 10.1.1.2/24。
[root@localhost ~]# ip a a 10.1.1.2/24 dev tun0 [root@localhost ~]# ip l s tun0 up
再開一個終端，用 tcpdump 抓 tun0 的包。
[root@localhost ~]# tcpdump -nnt -i tun0
而後在第二個終端 ping 一下 10.1.1.0/24 網段的 IP，好比 10.1.1.3，看到：
[root@localhost ~]# ping -c 4 10.1.1.3 PING 10.1.1.3 (10.1.1.3) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.133 ms 64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.188 ms 64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.092 ms 64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.110 ms --- 10.1.1.3 ping statistics --- 4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3290ms rtt min/avg/max/mdev = 0.092/0.130/0.188/0.038 ms
因爲 tun0 接口建好以後，會生成一條到本網段 10.1.1.0/24 的默認路由，根據默認路由，數據包會走 tun0 口，因此能 ping 通，能夠用 route -n 查看。
再看 tcpdump 抓包終端，成功顯示 ICMP 的 request 包和 reply 包。
[root@localhost ~]# tcpdump -nnt -i tun0 tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode listening on tun0, link-type RAW (Raw IP), capture size 262144 bytes IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 3250, seq 1, length 64 IP 10.1.1.3 > 10.1.1.2: ICMP echo reply, id 3250, seq 1, length 64 IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 3250, seq 2, length 64 IP 10.1.1.3 > 10.1.1.2: ICMP echo reply, id 3250, seq 2, length 64
再看程序 taptun.c 的輸出：
[root@localhost coding]# ./taptun Open tun/tap device: tun0 for reading... Read 48 bytes from tun/tap device Write 48 bytes to tun/tap device Read 48 bytes from tun/tap device Write 48 bytes to tun/tap device
ok，以上便驗證了程序的正確性。
03 總結
經過這個小例子，讓咱們知道了基於 tap/tun 編程的流程，對 tap/tun 又加深了一層理解。
使用 tap/tun 設備須要包含頭文件 #include <linux/if_tun.h>，如下是完整代碼。
/******************************************************************************
* File Name: taptun.c
* Author: 公衆號: CloudDeveloper
* Created Time: 2019年02月23日 星期六 21時28分24秒
*****************************************************************************/
#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>
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;
}
// 一旦設備開啓成功，系統會給設備分配一個名稱，對於tun設備，通常爲tunX，X爲從0開始的編號；
// 對於tap設備，通常爲tapX
strcpy(dev, ifr.ifr_name);
return fd;
}
int main()
{
int tun_fd, nread;
char buffer[4096];
char tun_name[IFNAMSIZ];
tun_name[0] = '\0';
/* Flags: IFF_TUN - TUN device (no Ethernet headers)
* IFF_TAP - TAP device
* IFF_NO_PI - Do not provide packet information
*/
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);
}
printf("Read %d bytes from tun/tap device\n", nread);
// 簡單對收到的包調換一下順序
memcpy(ip, &buffer[12], 4);
memcpy(&buffer[12], &buffer[16], 4);
memcpy(&buffer[16], ip, 4);
buffer[20] = 0;
*((unsigned short *)&buffer[22]) += 8;
// 發包
nread = write(tun_fd, buffer, nread);
printf("Write %d bytes to tun/tap device, that's %s\n", nread, buffer);
}
return 0;
}
個人公衆號 「Linux雲計算網絡」(id: cloud_dev) ，號內有 10T 書籍和視頻資源，後臺回覆 「1024」 便可領取，分享的內容包括但不限於 Linux、網絡、雲計算虛擬化、容器Docker、OpenStack、Kubernetes、工具、SDN、OVS、DPDK、Go、Python、C/C++編程技術等內容，歡迎你們關注。
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