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。
[c]
int tun_open(char *dev, enum if_mode_enum mode)
{
struct ifreq ifr;
int fd, err;
if ((fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR)) < 0) {
error(0, errno,
"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)");
return -1;
}
memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
ifr.ifr_flags = ((mode == IF_MODE_TUN) ? IFF_TUN : IFF_TAP) | IFF_NO_PI;
if (*dev)
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;
}
[/c]
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：
[c]
static int tun_send_ip(struct sa_block s)
{
int sent, len;
uint8_t start;
start = s->ipsec.rx.buf;
len = s->ipsec.rx.buflen;
if (opt_if_mode == IF_MODE_TAP) {
ifndef sun
/*
* Add ethernet header before s->ipsec.rx.buf where
* at least ETH_HLEN bytes should be available.
*/
struct ether_header *eth_hdr = (struct ether_header *) (s->ipsec.rx.buf - ETH_HLEN);
memcpy(eth_hdr->ether_dhost, s->tun_hwaddr, ETH_ALEN);
memcpy(eth_hdr->ether_shost, s->tun_hwaddr, ETH_ALEN);
/* Use a different MAC as source */
eth_hdr->ether_shost[0] ^= 0x80; /* toggle some visible bit */
eth_hdr->ether_type = htons(ETHERTYPE_IP);
start = (uint8_t *) eth_hdr;
len += ETH_HLEN;
endif
}
sent = tun_write(s->tun_fd, start, len);
if (sent != len)
syslog(LOG_ERR, "truncated in: %d -> %dn", len, sent);
hex_dump("Tx pkt", start, len, NULL);
return 1;
}
[/c]
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()：
[c]
switch (tun->flags & TUN_TYPE_MASK) {
case TUN_TUN_DEV:
if (tun->flags & TUN_NO_PI) {
//…
}
skb_reset_mac_header(skb);
skb->protocol = pi.proto;
skb->dev = tun->dev;
break;
case TUN_TAP_DEV:
skb->protocol = eth_type_trans(skb, tun->dev);
break;
[/c]
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()：
[c]
do_io_in:
c->dst.bytes = min(c->dst.bytes, 4u);
if (!emulator_io_permited(ctxt, ops, c->src.val, c->dst.bytes)) {
emulate_gp(ctxt, 0);
goto done;
}
if (!pio_in_emulated(ctxt, ops, c->dst.bytes, c->src.val,
&c->dst.val))
goto done; / IO is needed /
break;
[/c]
pio_in_emulated() 调用的 emulator_pio_in_emulated() 会进一步触发KVM_EXIT_IO：
[c]
static int emulator_pio_in_emulated(int size, unsigned short port, void val,
unsigned int count, struct kvm_vcpu vcpu)
{
if (vcpu->arch.pio.count)
goto data_avail;
trace_kvm_pio(0, port, size, 1);
vcpu->arch.pio.port = port;
vcpu->arch.pio.in = 1;
vcpu->arch.pio.count = count;
vcpu->arch.pio.size = size;
if (!kernel_pio(vcpu, vcpu->arch.pio_data)) {
data_avail:
memcpy(val, vcpu->arch.pio_data, size * count);
vcpu->arch.pio.count = 0;
return 1;
}
vcpu->run->exit_reason = KVM_EXIT_IO;
vcpu->run->io.direction = KVM_EXIT_IO_IN;
vcpu->run->io.size = size;
vcpu->run->io.data_offset = KVM_PIO_PAGE_OFFSET * PAGE_SIZE;
vcpu->run->io.count = count;
vcpu->run->io.port = port;
return 0;
}
[/c]
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：
[c]
case KVM_EXIT_IO: {
bool ret;
ret = kvm__emulate_io(cpu->kvm,
cpu->kvm_run->io.port,
(u8 *)cpu->kvm_run +
cpu->kvm_run->io.data_offset,
cpu->kvm_run->io.direction,
cpu->kvm_run->io.size,
cpu->kvm_run->io.count);
if (!ret)
goto panic_kvm;
break;
}
[/c]
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。