tapip的网络拓扑

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网络拓扑一：替换内核网络协议栈

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+----------+
| internet |            (10.20.133.20)
+----|-----+                |
+----|-----+                |
|   eth0   |            (0.0.0.0)
+----|-----+                |
+----|-----+                |
|  bridge  |            (0.0.0.0)
+----|-----+                |
+----|---------+            |
|   tap0       |        (0.0.0.0)
|--------------|
| /dev/net/tun |        /dev/net/tun
+--|----|---|--+            |
  poll  |   |               |
   |  read  |               |
   |    |  write            |
+--|----|---|--+            |
| my netstack  |        (10.20.133.21)
+--------------+

通过网桥连通本地网络eth0和虚拟网络tap0

区别

  1. 本地网络作为网关
  2. 不支持重定向
  3. 路由初始化，下一跳为TAP的IP
  4. 如果下一跳不可达，需要返回Code 0 (Network Unreachable) ICMP报文(RFC 1812)
  5. 虚拟网络设备额外初始化过程
  6. ifconfig 命令特殊提示

脚本

  1. 创建网络设备tap0 简要输出接口名到垃圾桶
  2. 创建网桥设备br0
  3. 配置网桥通过 br0 连通 eth0 tap0
  4. 将eth0 tap0 br0加入本地网络并启动

WARNING

谨慎使用该模式，内核协议栈会被挂起，网络由用户态接管。
如果是远程登录使用TOP1可能会导致断连，无法继续使用。
建议直接使用串口同真实机器交互，以方便恢复原网络拓扑。

网络拓扑二：虚拟设备与核心交互

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localhost                     outside network
kernel stack                  usermode stack [ ./tapip ]
    |                           (10.0.0.1)
    |                   (write) |        .
    |                          \|/      /|\
    |                           '        | (read)
  tap0 <------ netif_rx() -----/dev/net/tun
(10.0.0.2) `-- tun_net_xmit() -----------^

local -> tap0(10.0.0.2) -> veth0(10.0.0.1)

交互

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                  +-------------------[Linux kernel TCP/IP stack]---------------------+
                  |                                                                   |
arping 10.0.0.1 -----> socket send --> route -->  tap0 -->  tap0::dev_hard_xmit       |
                  | ( arp packet:                              |                      |
                  |  10.0.0.2 request                          |                      |
                  |  hwaddr of 10.0.0.1)                       |   _tap0 (10.0.0.2)_  |
                  |                                            |                      |
arping received <----- socket recv <--  tap0(netif_rx) <----.  |                      |
                  |                                         |  |                      |
                  +-----------------------------------------|--|----------------------+
                                                            |  |
                                                        /dev/net/tun
                                                            |  |
                                                   (write)  |  |  (read)
                                                            |  |
                             .--------> reply --> netdev_tx-'  |   _veth (10.0.0.1)_
                             |                                \|/
                             |                                 '
                             '- arp_in <-- netif_in <-----  process
        update arp cache <------'                   { usermode network stack }
  1. arping 命令进程向内核发起寻址请求
  2. 内核将请求包路由至tap0设备
  3. 经虚拟网络设备交换至用户态协议栈tapip处理
  4. 寻址结果返回设备tap0，经内核返回arping命令进程显示

Linux虚拟网络设备之tun/tap
user-mode TCP/IP stack based on linux tap device