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tun 与 tap 设备，网桥、VLAN、bonding 的学习

齐昆
2023-12-01

tun 与 tap 设备

这两个都是虚拟网络设备，tun 设备用来实现三层隧道（三层 ip 数据报），tap 设备用来实现二层隧道（二层以太网数据帧）。

tun 示例程序：

#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/if.h>
#include <linux/if_tun.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int tun_open(void)
{
	struct ifreq ifr;
	int fd;
	char dev[IFNAMSIZ];
	char buf[512];

	fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR);

	memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
	ifr.ifr_flags = IFF_TUN | IFF_NO_PI;
	strncpy(ifr.ifr_name, "tun%d", IFNAMSIZ);
	ioctl(fd, TUNSETIFF, &ifr);

	strncpy(dev, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
	sprintf(buf, "ifconfig %s 192.168.1.1 pointopoint 192.168.1.2", dev);
	system(buf);
	
	return fd;
}

void dump_pkt(unsigned char *pkt, int len)
{
	int i;

	for (i = 0; i < len; i++) 
		printf("%02x ", pkt[i]);

	printf("\n");
}

void pingpong(int fd)
{
	fd_set fds;
	int len;
	unsigned char pkt[512];

	FD_ZERO(&fds);
	FD_SET(fd, &fds);

	select(fd + 1, &fds, NULL, NULL, NULL);

	if (FD_ISSET(fd, &fds)) {
		len = read(fd, pkt, 512);
		dump_pkt(pkt, len);
		
		/* echo request */
		if (pkt[20] != 0x08)
			return;
		
		/* 修改 ip 头的 src */
		pkt[15] = 0x02;
		pkt[19] = 0x01;
		pkt[20] = 0x00;
		write(fd, pkt, len);
	}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;

	fd = tun_open();

	for (;;) 
		pingpong(fd);

	return 0;
}

第一步需要加载 tun.ko 模块，执行 modprobe tun 即可。加载此模块后 /dev/net/tun 设备文件会被生成，这样上述程序才能正常工作。

longyu@virt-debian10:~$ ls -lh /dev/net/tun
crw-rw-rw- 1 root root 10, 200 7月  28 08:23 /dev/net/tun

使用 root 权限执行上述程序，执行后在另外一个终端中执行 ifconfig 命令查看，系统中增加了一个 tun0 这个虚拟接口。

tun0: flags=4305<UP,POINTOPOINT,RUNNING,NOARP,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.1  netmask 255.255.255.255  destination 192.168.1.2
        inet6 fe80::f384:8174:9911:8438  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        unspec 00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00  txqueuelen 500  (UNSPEC)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 2  bytes 96 (96.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

执行 ping 192.168.1.2 后有如下报警：

64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=122 ttl=64 time=0.105 ms (BAD CHECKSUM!)
64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=123 ttl=64 time=0.110 ms (BAD CHECKSUM!)
64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=124 ttl=64 time=0.111 ms (BAD CHECKSUM!)

BAD CHECKSUM 这个提示表示数据包头部校验失败。有了这个提示再来审视上面的代码，我发现上面的代码在修改了 ip header 中的 src 与 dst 地址后并没有重新生成 chechsum 并更新就直接发送了。当 ping 收到这个报文时，校验 checksum 就会失败。

这里我直接将 write 调用注释掉，然后重新编译并运行程序，这次继续 ping 会报地址不可达的警告。

From 192.168.1.5 icmp_seq=141 Destination Host Unreachable

这是正常的。

ping 了几个包后，观察 ifconfig 收包情况，可以看到有统计数目。

longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig tun0
tun0: flags=4305<UP,POINTOPOINT,RUNNING,NOARP,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.1  netmask 255.255.255.255  destination 192.168.1.2
        inet6 fe80::f6fe:2e04:68c7:dfd3  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        unspec 00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00  txqueuelen 500  (UNSPEC)
        RX packets 5  bytes 420 (420.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 8  bytes 564 (564.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

执行 ethtool 命令输出如下：

longyu@virt-debian10:~$ sudo ethtool tun0
Settings for tun0:
	Supported ports: [ ]
	Supported link modes:   Not reported
	Supported pause frame use: No
	Supports auto-negotiation: No
	Supported FEC modes: Not reported
	Advertised link modes:  Not reported
	Advertised pause frame use: No
	Advertised auto-negotiation: No
	Advertised FEC modes: Not reported
	Speed: 10Mb/s
	Duplex: Full
	Port: Twisted Pair
	PHYAD: 0
	Transceiver: internal
	Auto-negotiation: off
	MDI-X: Unknown
	Current message level: 0xffffffa1 (-95)
			       drv ifup tx_err tx_queued intr tx_done rx_status pktdata hw wol 0xffff8000
	Link detected: yes

上述输出是由 tun 的实现决定的，在其 ethtool_ops 的实现中，speed、duplex、port 等等信息都是固定的，不会改变，这与常见的物理网卡有所区别。

网桥

使用网桥可以将多个接口连接到同一网段内，这一功能等同于交换式集线器。

使用 brctl 命令来创建网桥接口。

       The command brctl addbr <name> creates a new instance of the ethernet bridge. The network interface corresponding to the bridge will be called <name>.

       The  command  brctl delbr <name> deletes the instance <name> of the ethernet bridge. The network interface corresponding to the bridge must be down before it can
       be deleted!

       The command brctl show shows all current instances of the ethernet bridge.

PORTS
       Each bridge has a number of ports attached to it. Network traffic coming in on any of these ports will be forwarded to the other ports transparently, so that the
       bridge is invisible to the rest of the network (i.e. it will not show up in traceroute(8) ).

       The command brctl addif <brname> <ifname> will make the interface <ifname> a port of the bridge <brname>. This means that all frames received on <ifname> will be
       processed as if destined for the bridge. Also, when sending frames on <brname>, <ifname> will be considered as a potential output interface.

       The command brctl delif <brname> <ifname> will detach the interface <ifname> from the bridge <brname>.

       The command brctl show <brname> will show some information on the bridge and its attached ports.

使用此命令前，需要加载 bridge.ko 内核模块，直接执行 modprobe bridge.ko 即可。

在我的虚拟机中有四个网卡接口：

longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig -a
enp1s0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.122.29  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.122.255
        inet6 fe80::5054:ff:fe71:c999  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 52:54:00:71:c9:99  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 2188027  bytes 208647751 (198.9 MiB)
        RX errors 0  dropped 3  overruns 0  frame 0
        TX packets 5180286  bytes 856255243 (816.5 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

enp4s0: flags=4098<BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 52:54:00:d9:bf:99  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        device interrupt 22  memory 0xfca40000-fca60000  

enp8s0: flags=4098<BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 52:54:00:df:a9:b0  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        device interrupt 22  memory 0xfc240000-fc260000  

enp9s0: flags=4098<BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 52:54:00:08:3f:ef  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        device interrupt 23  memory 0xfc040000-fc060000

创建 br0 并设置 ip 地址等信息。

longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl addbr br0
longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig br0
br0: flags=4098<BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        ether c2:7e:25:a0:16:f7  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig br0 10.1.0.100 netmask 255.255.255.0 broadmask 10.1.0.255 up
longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig br0
br0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.1.0.255  netmask 255.0.0.0  broadcast 10.255.255.255
        inet6 fe80::c07e:25ff:fea0:16f7  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether c2:7e:25:a0:16:f7  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 6  bytes 516 (516.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

添加接口到 br0 中：

longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl addif br0 enp4s0
longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl addif br0 enp8s0 
longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl addif br0 enp9s0 
longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl show
bridge name	bridge id		STP enabled	interfaces
br0		8000.525400083fef	no		enp4s0
							enp8s0
							enp9s0

将添加到的接口激活：

longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig enp4s0 up
longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig enp8s0 up
longyu@virt-debian10:~$ sudo ifconfig enp9s0 up

/etc/network/interfaces 文件中添加 br0 配置项目：

auto br0
iface br0 inet dhcp 
	bridge_ports enp4s0 enp8s0 enp9s0
	bridge_stp off

br0 中会存储一张转发表，可以用 brctl showmacs 命令来查看。

longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl showmacs br0
port no	mac addr		is local?	ageing timer
  3	52:54:00:08:3f:ef	yes		   0.00
  3	52:54:00:08:3f:ef	yes		   0.00
  1	52:54:00:22:e3:e6	no		   1.48
  1	52:54:00:d9:bf:99	yes		   0.00
  1	52:54:00:d9:bf:99	yes		   0.00
  2	52:54:00:df:a9:b0	yes		   0.00
  2	52:54:00:df:a9:b0	yes		   0.00
  1	fe:54:00:d9:bf:99	no		   0.62
  2	fe:54:00:df:a9:b0	no		 182.63
longyu@virt-debian10:~$

网络端口可能会不断的变化，当 bridge 学习到了一个地址时，一个定时器也会自动启动，经验值是 5 分钟，这个时间称为 ageing time。在一个 ageing time 时间内如果一个地址入口不可见，这个地址将从 bridge 的数据库中移除。

可以执行 brctl setageing 命令来设定 ageing time.

longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl setageing br0 1
longyu@virt-debian10:~$ sudo brctl showmacs br0
port no	mac addr		is local?	ageing timer
  3	52:54:00:08:3f:ef	yes		   0.00
  3	52:54:00:08:3f:ef	yes		   0.00
  1	52:54:00:d9:bf:99	yes		   0.00
  1	52:54:00:d9:bf:99	yes		   0.00
  2	52:54:00:df:a9:b0	yes		   0.00
  2	52:54:00:df:a9:b0	yes		   0.00

VLAN

vlan 全程 virtual lan，能够用来虚拟分配以太网。归属于不同的 VLAN ID 的设备之间需要一个路由才能够通信，这意味这不同的 VLAN ID 将以太网划分成了不同的分组。

即使将 LAN 的连线街道相同集线器或交换机上，VLAN ID 不同也不能相互通信。

vconfig 命令生成 vlan 接口。

sudo ip link add link enp4s0 name enp4s0.100 type vlan id 100
longyu@virt-debian10:~$ sudo ip link add link enp8s0 name enp8s0.100 type vlan id 100
longyu@virt-debian10:~$ sudo ip link add link enp9s0 name enp9s0.101 type vlan id 101

生成 vlan 接口后查看 proc 文件信息，有如下内容：

longyu@virt-debian10:~$ ls /proc/net/vlan/
config      enp4s0.100  enp8s0.100  enp9s0.101 
longyu@virt-debian10:~$ sudo cat /proc/net/vlan/config 
VLAN Dev name	 | VLAN ID
Name-Type: VLAN_NAME_TYPE_RAW_PLUS_VID_NO_PAD
enp4s0.100     | 100  | enp4s0
enp8s0.100     | 100  | enp8s0
enp9s0.101     | 101  | enp9s0

删除接口的 vlan 分组可以继续执行 ip 命令来完成，将 add 改为 delete 并只加上 vlan 接口名。

示例如下：

ip link delete enp4s0.100

VLAN 接口名的种类：

1, VLAN_PLUS_VID 字符串 vlan + 0 padding+ VLAN ID
2. VLAN_PLUS_VID_NO_PAD 字符串 vlan + VLAN ID
3. DEV_PLUS_VID 物理接口名+点+0 padding + VLAN ID
4. DEV_PLUS_VID_NO_PAD 物理接口名+点+VLAN ID

我们上面的 vlan 接口名就是用了第 4 种命名方式。

bonding 驱动程序

bonding 用于聚合多个物理网络端口。

bonding 有 7 种模式，列举如下：

  1. balance-rr
  2. active-backup
  3. balance-xor
  4. broadcast
  5. 802.3ad
  6. balance-tlb
  7. balance-alb

可以在模块加载的时候执行 mode 参数来设定不同的模式，既可以指定字符串，也可以指定数字。

命令示例如下：

modprobe bonding mode=active-backup
modprobe bonding mode=1

内核源码目录中有如下对 bonding 功能的说明文档：

Documentation/networking/bonding.txt

阅读上述文件，手动创建一个 bond0 接口可以通过向 /sys/class/net/bonding_masters 写值来完成。命令示例如下：

su -c 'echo +bond0 > /sys/class/net/bonding_masters'

创建后查看 dmesg 信息可以看到创建成功了，ifconfig bond0 能够看到接口信息，这个 bod0 是 master 接口。操作日志记录如下：

longyu@virt-debian10:~/linux-source-4.19/Documentation/networking$ sudo dmesg | tail -n 1
[93154.264172] bonding: bond0 is being created...
longyu@virt-debian10:~/linux-source-4.19/Documentation/networking$ sudo ifconfig bond0
bond0: flags=5122<BROADCAST,MASTER,MULTICAST>  mtu 1500
        ether c6:75:a1:27:73:1c  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

此时 /proc/net/bonding 目录中也添加了 bond0 的内容，查看内容如下：

ls /proc/net/bonding/
bond0

这之后可以将多个网口添加到 bond0 中，这可以通过执行 ifenslave 命令来完成。我的系统中没有预装这个软件，执行 sudo apt-get install ifenslave 完成安装。

longyu@virt-debian10:~/linux-source-4.19/Documentation/networking$ sudo ifenslave bond0 enp8s0 enp9s0
longyu@virt-debian10:~/linux-source-4.19/Documentation/networking$ sudo dmesg | tail -n 10
[93659.999911] bond0: Enslaving enp8s0 as an active interface with an up link
[93660.091509] 8021q: adding VLAN 0 to HW filter on device enp9s0
[93660.101759] bond0: Enslaving enp9s0 as an active interface with an up link
[93662.056500] e1000e: enp9s0 NIC Link is Up 1000 Mbps Full Duplex, Flow Control: Rx/Tx
[93662.217044] e1000e: enp8s0 NIC Link is Up 1000 Mbps Full Duplex, Flow Control: Rx/Tx

上面的例子中，我执行 ifenslave 将 enp8s0 与 enp9s0 添加到了 bond0 中，并查看了 demsg 信息。这两个网络接口添加后，再次执行 ifconfig 查看接口信息，发现都增加了 SLAVE 标志。示例如下：

longyu@virt-debian10:~/linux-source-4.19/Documentation/networking$ sudo ifconfig enp8s0 
enp8s0: flags=6211<UP,BROADCAST,RUNNING,SLAVE,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 52:54:00:df:a9:b0  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 18027  bytes 1217882 (1.1 MiB)
        RX errors 1005  dropped 0  overruns 0  frame 1005
        TX packets 19884  bytes 3872849553 (3.6 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        device interrupt 22  memory 0xfc240000-fc260000  

longyu@virt-debian10:~/linux-source-4.19/Documentation/networking$ sudo ifconfig enp9s0 
enp9s0: flags=6211<UP,BROADCAST,RUNNING,SLAVE,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 52:54:00:df:a9:b0  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 215721  bytes 19494398 (18.5 MiB)
        RX errors 997  dropped 0  overruns 0  frame 997
        TX packets 3766  bytes 415268735 (396.0 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        device interrupt 23  memory 0xfc040000-fc060000

查看 /proc/net/bonding/bond0 文件，发现其中添加了 slave 接口的信息，命令示例如下：

longyu@virt-debian10:~/linux-source-4.19/Documentation/networking$ cat /proc/net/bonding/bond0 
Ethernet Channel Bonding Driver: v3.7.1 (April 27, 2011)

Bonding Mode: load balancing (round-robin)
MII Status: up
MII Polling Interval (ms): 0
Up Delay (ms): 0
Down Delay (ms): 0

Slave Interface: enp8s0
MII Status: up
Speed: 1000 Mbps
Duplex: full
Link Failure Count: 0
Permanent HW addr: 52:54:00:df:a9:b0
Slave queue ID: 0

Slave Interface: enp9s0
MII Status: up
Speed: 1000 Mbps
Duplex: full
Link Failure Count: 0
Permanent HW addr: 52:54:00:08:3f:ef
Slave queue ID: 0

可以看到 enp8s0 与 enp9s0 都作为了 Slave 并处于 up 状态。

 类似资料：

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