这篇主要讲tun2socks里的TUN。
TUN
先讲TUN，Wikipedia是这么说的：
TUN是
network TUNnel的缩写，是一种以软件实现的虚拟网络设备，模拟的是OSI网络模型（OSI Model）中的第三层网络层（Network Layer）设备，处理IP数据包。
socat上有个比较好的解释：
Some operating systems allow the generation of virtual network interfaces that do not connect to a wire but to a process that simulates the network. Often these devices are called TUN or TAP.
通俗点讲：
- TUN是Linux内核的一个模块，可以虚拟成网络层设备来处理IP包；
- 我们可以设置此设备的IP地址或网段；
- 所有与此网段交互的数据包都会到TUN里；
- TUN同时会生成磁盘上一个字符设备（Character Device）用于程序读写。
道理是这些道理，但还是很抽象，下面我们实战一下增强理解。
简单玩一下TUN
目标是创建出一个TUN设备可以被查询到。为了避免各位受环境影响奇怪问题，所有例子都基于docker，没有的去安装一个。
第一步，准备环境。：
docker run --name tun --rm -it -v $PWD:/app --privileged alpine sh
解释：
- 这里我们基于
alpine（简单体积小），如果要换成ubuntu等其他的，只需修改一下拉取依赖的指令即可 --privileged是为了让docker容器拥有完整的网络权限，否则会在第二步中看不到/dev/net/tun文件，参见Docker - Runtime privilege and Linux capabilities-v $PWD:/app是将当前路径映射到容器的/app目录，为了避免等下写的代码在退出容器后丢失
第二步，确认TUN模块存在，在容器中执行
ls -l /dev/net
如果存在会看到：
crw-rw---- 1 root root 10, 200 Jun 9 04:23 tun
文件类型crw-rw----的第一个字是c，是character device即字符设备的意思。
如果前面docker启动时没有加
--privileged参数，将会看不到文件，如果尝试用mknod /dev/net/tun c 10 200建立则会得到Operation not permitted。
第三步，安装环境依赖
# 使用阿里云国内源
sed -i 's/dl-cdn.alpinelinux.org/mirrors.aliyun.com/g' /etc/apk/repositories
# 安装gcc编译环境
apk add g++ make
apk add linux-headers
# 安装后续使用工具
apk add tcpdump
第四步，编写代码并编译：
/app/crtun.cc
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <linux/if_tun.h>
#include <linux/if.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
int tun_alloc(char dev[IFNAMSIZ]) {
struct ifreq ifr;
int fd, err;
if ((fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR)) < 0) { // 打开文件
perror("open");
return -1;
}
bzero(&ifr, sizeof(ifr));
ifr.ifr_flags = IFF_TUN | IFF_NO_PI; // tun设备不包含以太网头部
if (*dev) {
strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);
}
if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0) { // 打开设备
perror("ioctl TUNSETIFF");
close(fd);
return err;
}
strcpy(dev, ifr.ifr_name);
return fd;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
char tun_name[IFNAMSIZ];
tun_name[0] = '\0';
tun_alloc(tun_name);
getchar();
return 0;
}
存储到
/app中的文件会被映射到容器外部宿主机上，确保容器销毁后不丢失
保存好后编译：
cd app
gcc crtun.cc -o crtun
第五步，执行及验证
再开一个会话窗口，并进入tun容器：
docker exec -it tun sh
一个会话执行刚刚编译好的程序：
/app/crtun
另一个会话查看网络设备：
ip address
结果如下：
...
4: tun0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 500
link/[65534]
...
tun0就是刚刚创建出来的TUN虚拟设备。回到第一个会话中，按任意键结束crtun，再次执行ip address，会看到tun0已消失。
现在我们创建过一个TUN了，那么TUN到底有什么用呢？下面再看一个栗子。
再玩一下TUN
目标是做一个TUN监控192.168.0.0/8网段，使得此网段中所有IP均可接收ping。
实现思路：
- 按上一步创建一个TUN
- IP地址为
192.168.0.1，配置子网掩码255.255.255.0，这样等于192.168.0.2 ~ 192.168.0.254都会转发给TUN - 实现简单的ICMP echo request协议（ping使用的协议）使之可以被ping
第一步，还是在我们刚刚的docker容器中，建立3个文件：faketcp.h、faketcp.cc、icmpecho.cc
faketcp.h
#include <algorithm> // std::swap
#include <assert.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h> // inet_ntop
#include <net/if.h>
struct SocketAddr
{
uint32_t saddr, daddr; // 源地址和目的地址
uint16_t sport, dport; // 源端口和目的端口
bool operator==(const SocketAddr& rhs) const
{
return saddr == rhs.saddr && daddr == rhs.daddr &&
sport == rhs.sport && dport == rhs.dport;
}
bool operator<(const SocketAddr& rhs) const
{
return memcmp(this, &rhs, sizeof(rhs)) < 0;
}
};
int tun_alloc(char dev[IFNAMSIZ]);
uint16_t in_checksum(const void* buf, int len);
void icmp_input(int fd, const void* input, const void* payload, int len);
faketcp.cc
#include "faketcp.h"
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/if_tun.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <sys/ioctl.h>
int sethostaddr(const char* dev)
{
struct ifreq ifr;
bzero(&ifr, sizeof(ifr));
strcpy(ifr.ifr_name, dev);
struct sockaddr_in addr;
bzero(&addr, sizeof addr);
addr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "192.168.0.1", &addr.sin_addr);
//addr.sin_addr.s_addr = htonl(0xc0a80001);
bcopy(&addr, &ifr.ifr_addr, sizeof addr);
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0)
return sockfd;
int err = 0;
// ifconfig tun0 192.168.0.1
if ((err = ioctl(sockfd, SIOCSIFADDR, (void *) &ifr)) < 0)
{
perror("ioctl SIOCSIFADDR");
goto done;
}
// ifup tun0 其实就是启动tun0
if ((err = ioctl(sockfd, SIOCGIFFLAGS, (void *) &ifr)) < 0)
{
perror("ioctl SIOCGIFFLAGS");
goto done;
}
ifr.ifr_flags |= IFF_UP;
if ((err = ioctl(sockfd, SIOCSIFFLAGS, (void *) &ifr)) < 0)
{
perror("ioctl SIOCSIFFLAGS");
goto done;
}
// ifconfig tun0 192.168.0.1/24 # 配置子网掩码
inet_pton(AF_INET, "255.255.255.0", &addr.sin_addr);
bcopy(&addr, &ifr.ifr_netmask, sizeof addr);
if ((err = ioctl(sockfd, SIOCSIFNETMASK, (void *) &ifr)) < 0)
{
perror("ioctl SIOCSIFNETMASK");
goto done;
}
done:
close(sockfd);
return err;
}
int tun_alloc(char dev[IFNAMSIZ])
{
struct ifreq ifr;
int fd, err;
if ((fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR)) < 0)
{
perror("open");
return -1;
}
bzero(&ifr, sizeof(ifr));
ifr.ifr_flags = IFF_TUN | IFF_NO_PI; // tun设备不包含以太网头部,而tap包含,仅此而已
if (*dev)
{
strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);
}
if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0)
{
perror("ioctl TUNSETIFF");
close(fd);
return err;
}
strcpy(dev, ifr.ifr_name);
if ((err = sethostaddr(dev)) < 0) // 设定地址等信息
return err;
return fd;
}
uint16_t in_checksum(const void* buf, int len)
{
assert(len % 2 == 0);
const uint16_t* data = static_cast<const uint16_t*>(buf);
int sum = 0;
for (int i = 0; i < len; i+=2)
{
sum += *data++;
}
while (sum >> 16)
sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16);
assert(sum <= 0xFFFF);
return ~sum;
}
void icmp_input(int fd, const void* input, const void* payload, int len)
{
const struct iphdr* iphdr = static_cast<const struct iphdr*>(input); // ip头部
const struct icmphdr* icmphdr = static_cast<const struct icmphdr*>(payload); // icmp头部
// const int icmphdr_size = sizeof(*icmphdr);
const int iphdr_len = iphdr->ihl*4;
if (icmphdr->type == ICMP_ECHO)
{
char source[INET_ADDRSTRLEN];
char dest[INET_ADDRSTRLEN];
inet_ntop(AF_INET, &iphdr->saddr, source, INET_ADDRSTRLEN);
inet_ntop(AF_INET, &iphdr->daddr, dest, INET_ADDRSTRLEN);
printf("%s > %s: ", source, dest);
printf("ICMP echo request, id %d, seq %d, length %d\n",
ntohs(icmphdr->un.echo.id),
ntohs(icmphdr->un.echo.sequence),
len - iphdr_len);
union
{
unsigned char output[ETH_FRAME_LEN]; // 以太网头部
struct
{
struct iphdr iphdr;
struct icmphdr icmphdr;
} out;
};
memcpy(output, input, len);
out.icmphdr.type = ICMP_ECHOREPLY;
out.icmphdr.checksum += ICMP_ECHO; // FIXME: not portable
std::swap(out.iphdr.saddr, out.iphdr.daddr);
write(fd, output, len);
}
}
icmpecho.cc
#include "faketcp.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <linux/if_ether.h>
int main()
{
char ifname[IFNAMSIZ] = "tun%d";
int fd = tun_alloc(ifname); // tun_alloc函数主要用于开启
if (fd < 0)
{
fprintf(stderr, "tunnel interface allocation failed\n");
exit(1);
}
printf("allocted tunnel interface %s\n", ifname);
sleep(1);
for (;;)
{
union
{
unsigned char buf[ETH_FRAME_LEN]; // 以太网头部
struct iphdr iphdr; // ip头部
};
const int iphdr_size = sizeof iphdr; // ip头部默认是20字节
int nread = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (nread < 0)
{
perror("read");
close(fd);
exit(1);
}
printf("read %d bytes from tunnel interface %s.\n", nread, ifname);
const int iphdr_len = iphdr.ihl*4;
if (nread >= iphdr_size
&& iphdr.version == 4
&& iphdr_len >= iphdr_size
&& iphdr_len <= nread
&& iphdr.tot_len == htons(nread)
&& in_checksum(buf, iphdr_len) == 0)
{
const void* payload = buf + iphdr_len;
if (iphdr.protocol == IPPROTO_ICMP) // icmp协议
{
icmp_input(fd, buf, payload, nread);
}
}
else
{
printf("bad packet\n");
for (int i = 0; i < nread; ++i)
{
if (i % 4 == 0) printf("\n");
printf("%02x ", buf[i]);
}
printf("\n");
}
}
return 0;
}
第二步，编译并执行
g++ icmpecho.cc faketcp.cc -o icmpecho
./icmpecho
第三步，打开第二个会话，监听tun0的数据包
tcpdump -i tun0
第四步，打开第三个会话，测试ping
ping 192.168.0.3
ping 192.168.0.188
ping 192.168.0.254
看到icmpecho打印结果：
allocted tunnel interface tun0
read 84 bytes from tunnel interface tun0.
192.168.0.1 > 192.168.0.3: ICMP echo request, id 14336, seq 3, length 64
read 84 bytes from tunnel interface tun0.
...
看到tcpdump打印结果：
06:31:13.685231 IP 192.168.0.1 > 192.168.0.2: ICMP echo request, id 19712, seq 0, length 64
06:31:13.686110 IP 192.168.0.2 > 192.168.0.1: ICMP echo reply, id 19712, seq 0, length 64
...
至此，大概清楚了TUN的原理和实现。后面继续讲tun2socks的SOCKS部分。
参考
参考资料：
延伸阅读：