零入门kubernetes网络实战-17-＞tun设备介绍以及原理说明

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1、tun、tap设备是什么

TUN与TAP是操作系统内核中的虚拟网络设备。

不同于硬件设备这些虚拟的网络设备全部用软件实现，但提供了与硬件设备完全相同的功能。

2、tun设备跟tap设备的区别？

• TUN 设备
  • 字符描述文件/dev/net/tun，收发的是 IP 层数据包，只能工作在 IP 层；
    • tun设备是没有MAC地址的

    • 

  • 点对点的三层设备；
  • 无法与物理网卡做 bridge，但是可以通过三层交换（如 ip_forward）与物理网卡连通。
• TAP 设备
  • /dev/tapX 文件收发的是 MAC 层数据包(以太网帧)；
  • 拥有 MAC 层功能，可以与物理网卡做 bridge；
  • 支持 MAC 层广播。

换一种形式：

对比项	tun设备	tap设备
协议栈层次	三层设备	二层设备
处理数据包类型	IP数据包	以太网数据包
是否有MAC地址	没有	有
是否是虚拟网卡	是	是

tap比tun更接近于物理网卡

3、tun、tap设备跟物理网卡设备的区别？

3.1、区别？

• tun、tap设备
  • 纯软件实现的
  • 一端链接网络协议栈，一端通过字符文件/dev/net/tun链接应用程序
• 物理网卡
  • 一端链接网络协议栈，一端链接物理网线
  • 非软件实现

3.2、注意点

tun设备和物理网卡eth0分别代表不同的网络，分别属于不同的网络段里。

比方说，

• tun设备所属的网络为10.244.1.0/24
• 物理网卡eth0所属的网络为10.211.55.0/24

要求是，业务应用希望通过tun所在的网络，跟其他宿主机上的tun所属于的网络进行数据的通信；

不同宿主机上tun设备所在的网络，默认情况下，是不能直接通信的，

因此，我们要解决的是如何让不同宿主机上tun设备所在的网络能够通信？

4、tun设备的使用场景

TUN设备最常用的场景是VPN，包括tunnel以及应用层的IPSec

比方说，flannel网络中的UDP模式

5、tun设备、tap设备收发数据包的方式

5.1、物理网卡收发数据包的方式

先看一下，物理网卡收发数据包的方式

用户空间中的应用程序如何跟外部网络进行通信呢？

直接通过物理网卡eth0进行的通信，通过eth0网卡将物理线路wire跟内核空间中的网络协议栈进行链接在一起。

通过eth0网卡，进行数据包的收发。

也没有转发到其他设备。

好，我们看下虚拟网络设备tun、tap是如何收发数据包的？

5.2、虚拟网络设备tun、tap是如何收发数据包的？

5.2.1、业务应用程序APP接收tun设备发送数据包方式？

从上面的图，可以看出来：

虚拟网络设备tun跟物理网卡有一个很大的区别，tun设备的一端并没有链接物理网线，而是链接了一个文件描述符/dev/net/tun;

/dev/net/tun就是一个文件，如下图所示：(centos7.5上)

假设我们以flannel为例

• 用户空间的flannel服务向文件描述符/dev/net/tun发送数据；
  • 注意，给/dev/net/tun发送数据时，必须遵循一定的格式，
  • 比方说，发送一个icmp数据包(ping xx.xx.xx.xx)，必须添加上IP报文头
  • 因为，tun设备，只能处理IP层的数据包
• 可以认为，只要/dev/net/tun文件收到数据后，就会自动的转发给tun设备，即转发了给虚拟网卡flannel0设备；(背后的原理，不再深究，这相当于基础条件，类似于1+1必须等于2)
• 当虚拟网络设备flannel0收到数据包后，可能会经过路由表，IP防火墙规则，网络协议栈等，最终发送给了用户空间的业务应用
  • 注意一点，虚拟网络设备flannel0收到/dev/net/tun转发的数据包后，会解析IP头
  • 将剩下的数据，扔给业务应用APP

接下来，看下面的图：

5.2.2、业务应用程序APP给tun设备发送数据包的方式？

此图跟上面的图，数据包的流向刚好相反

• 假设某个应用的APP产生一个ICMP类型的数据包，此数据包会经过网络协议栈，路由表，防火墙，最终进入到了tun设备里(flannel0)
• 当虚拟网络设备flannel0接收到icmp类型的数据包，会自动给这个数据包添加一个IP层的报文头，
• 此时，新的数据包就会自动的转发到/dev/net/tun文件描述符里
• 而flannel服务在不断的从/dev/net/tun文件描述符里读取数据，这样的话，flannel服务就读取到了业务应用发送的ICMP数据包了
  • 注意一点，flannel服务收到的数据包是IP类型的数据包
  • 需要flannel服务，解析IP数据包，去掉20个字节的IP报文头，获取剩下的数据内容

5.2.3、业务应用程序APP如何利用tun设备跟外部进行通信呢？

接下来，我们分析一下，业务应用程序APP如何利用tun设备跟外部进行通信呢？

上图中的网络协议栈-1，网络协议栈-2 就是宿主机上的同一个网络协议栈，为了更好理解，画了两个。

• 假设用户空间的APP应用执行ping命令，产生ICMP数据包，此数据包经过了路由表，防火墙，网络协议栈，最终到达tun设备(flannel0)
• flannel0设备接收到数据包后，会自动的添加上IP报文头，20个字节，产生的新的数据包，
• 新的数据包会自动的转发到文件描述符/dev/net/tun里
• 用户空间的flannel服务，会不断的监听/dev/net/tun文件描述符，从此文件里读取数据包
• 本地宿主机上，会建立一个socket链接，如udp链接;
• 用户空间的flannel服务会将从/dev/net/tun文件描述符里接收的数据包通过udp连接发送出去

通过这种形式，业务应用就将数据包传输出去了

5.2.4、如何利用tun设备实现不同宿主机上的tun网络通信？跨主机通信

如何利用tun设备实现不同宿主机上的应用通信呢？

如下图所示：

假设，上面的图是宿主机1，下面的图是宿主机2；

宿主机-1对应的物理网卡eth0的IP地址10.211.55.161，

宿主机-2对应的物理网卡eth0的IP地址10.211.55.162，

宿主机-1上flannel0虚拟网卡的IP网络是10.244.1.1/24

宿主机-2上flannel0虚拟网卡的IP网络是10.244.2.1/24

宿主机-1上的业务应用APP-1使用的网络是flannel0网络10.244.1.1/24

宿主机-2上的业务应用APP-2使用的网络是flannel0网络10.244.2.1/24

现在的需求是，希望宿主机-1上的业务应用APP-1能够ping通宿主机-2上的业务应用APP-2

在宿主机-1上

• 业务应用APP-1使用ping命令创建icmp数据包
• 经过路由表，防火墙，网络协议栈，最终达到了tun设备，如flannel0
• 虚拟网络设备flannel0接收到ICMP包后，会自动的给ICMP包添加一个IP报文头，20个字节(如，报文协议，源地址10.244.1.1，目的IP地址10.244.2.1)
• 虚拟网络设备flannel0产生的新的数据包，会自动的转发到文件描述符/dev/net/tun里
• 网络相关服务，如flannel服务，会从/dev/net/tun里读取到虚拟网络设备flannel0产生的数据包，
• flannel服务将接收到的数据包通过udp连接，发送出去

在宿主机-2上

• flannel服务通过UDP连接，读取到宿主机-1上发送过来的数据包
• flannel服务，会将接收到的数据包写到文件描述符/dev/net/tun里
• 虚拟网络设备flannel0从文件描述符/dev/net/tun里读取到了数据包
• 虚拟网络设备flannel0会自动的分析数据包的IP报文头，即分析前20个字节，
• 虚拟网络设备去掉前20个字节后，会将剩下的数据包发送出去

• 离开虚拟网络设备flannel0的数据包，会经过路由表，防火墙，网络协议栈后，最终到达业务应用APP-2里

  = 业务应用APP-2接收到数据包后，会进行响应的处理

其实具体是TUN或者是TAP，都不是在open打开设备的文件节点时就确定的。文件节点只是内核提供给用户的接口而已，应用程序需要ioctl设置自己的虚拟网络设备的工作模式，是TUN还是TAP。

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