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  1. 1. ifndef sun
  2. 2. endif

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。

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  1. 1. ifndef sun
  2. 2. endif