网络虚拟化技术(二): TUN/TAP MACVLAN MACVTAP
TUN 设备
TUN 设备是一种虚拟网络设备,通过此设备,程序可以方便得模拟网络行为。先来看看物理设备是如何工作的:
所有物理网卡收到的包会交给内核的 Network Stack 处理,然后通过 Socket API 通知给用户程序。下面看看 TUN 的工作方式:
普通的网卡通过网线收发数据包,但是 TUN 设备通过一个文件收发数据包。所有对这个文件的写操作会通过 TUN 设备转换成一个数据包送给内核;当内核发送一个包给 TUN 设备时,通过读这个文件可以拿到包的内容。
如果我们使用 TUN 设备搭建一个基于 UDP VPN,那么整个处理过程就是这样:
数据包会通过内核网络栈两次。但是经过 App 的处理后,数据包可能已经加密,并且原有的 ip 头被封装在 udp 内部,所以第二次通过网络栈内核看到的是截然不同的网络包。
TAP 设备
TAP 设备与 TUN 设备工作方式完全相同,区别在于:
TUN 设备的 /dev/tunX 文件收发的是 IP 层数据包,只能工作在 IP 层,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 设备的 /dev/tapX 文件收发的是 MAC 层数据包,拥有 MAC 层功能,可以与物理网卡做 bridge,支持 MAC 层广播
MACVLAN
有时我们可能需要一块物理网卡绑定多个 IP 以及多个 MAC 地址,虽然绑定多个 IP 很容易,但是这些 IP 会共享物理网卡的 MAC 地址,可能无法满足我们的设计需求,所以有了 MACVLAN 设备,其工作方式如下:
MACVLAN 会根据收到包的目的 MAC 地址判断这个包需要交给哪个虚拟网卡。单独使用 MACVLAN 好像毫无意义,但是配合之前介绍的 network namespace 使用,我们可以构建这样的网络:
由于 macvlan 与 eth0 处于不同的 namespace,拥有不同的 network stack,这样使用可以不需要建立 bridge 在 virtual namespace 里面使用网络。
MACVTAP
MACVTAP 是对 MACVLAN的改进,把 MACVLAN 与 TAP 设备的特点综合一下,使用 MACVLAN 的方式收发数据包,但是收到的包不交给 network stack 处理,而是生成一个 /dev/tapX 文件,交给这个文件:
由于 MACVLAN 是工作在 MAC 层的,所以 MACVTAP 也只能工作在 MAC 层,不会有 MACVTUN 这样的设备。
TAP设备
TAP 设备与 TUN 设备工作方式完全相同,区别在于:
- TUN 设备是一个三层设备,它只模拟到了 IP 层,即网络层 我们可以通过 /dev/tunX 文件收发 IP 层数据包,它无法与物理网卡做 bridge,但是可以通过三层交换(如 ip_forward)与物理网卡连通。可以使用
ifconfig
之类的命令给该设备设定 IP 地址。 - TAP 设备是一个二层设备,它比 TUN 更加深入,通过 /dev/tapX 文件可以收发 MAC 层数据包,即数据链路层,拥有 MAC 层功能,可以与物理网卡做 bridge,支持 MAC 层广播。同样的,我们也可以通过
ifconfig
之类的命令给该设备设定 IP 地址,你如果愿意,我们可以给它设定 MAC 地址。
最后,关于文章中出现的二层,三层,我这里说明一下,第一层是物理层,第二层是数据链路层,第三层是网络层,第四层是传输层。