基本概念

A gateway to userspace。

TUN和TAP设备是Linux内核虚拟网络设备，纯软件实现。
OS向连接到TUN/TAP设备的用户空间程序发送报文；用户空间程序可像物理口发送报文那像向TUN/TAP口发送报文，在这种情况下，TUN/TAP设备发送（或注入）报文到OS协议栈，就像报文从物理端口收到一样。
链接:

TUN/TAP: The user-space application/VM can read or write an ethernet frame to the tap interface and it would reach the host kernel, where it would be handled like any other ethernet frame that reached the kernel via physical (e.g. eth0) ports. You can potentially add it to a software-bridge (e.g. linux-bridge)

如何工作

     TUN/TAP 为简单的点对点或以太网设备，不是从物理介质接收数据包，而是从用户空间程序接收；不是通过物理介质发送数据包，而是将它们发送到用户空间程序。
     假设您在 tap0 上配置 IPX，那么每当内核向 tap0 发送一个 IPX 数据包时，它将传递给应用程序（例如 VTun）。应用程序加密、压缩数据包，并通过 TCP/UDP 发送到对端。对端的应用程序解压缩、解密接收的数据包，并将数据包写入 TAP 设备，然后内核处理数据包，就像该数据包来自真实的物理设备。
     在Linux内核中添加了一个TUN/TAP虚拟网络设备的驱动程序和一个与之相关的字符设备/dev/net/tun，字符设备tun作为用户空间和内核空间交换数据的接口。
     用户空间的应用程序可以通过这个设备文件来和内核中的驱动程序进行交互，其他操作方式和普通文件操作无异。当内核将数据包发送到虚拟网络设备时，数据包被保存在设备相关的一个队列中，直到用户空间程序通过打开的字符设备tun的描述符读取时，它才会被拷贝到用户空间的缓冲区中，其效果就相当于，数据包直接发送到了用户空间。通过系统调用write发送数据包时其原理与此类似。
     tun/tap驱动程序中包含两部分：字符设备驱动和网卡驱动。利用网卡驱动部分接受来自tcp/ip协议栈的网络分包并发送或者反过来将接收到的网络分包传给协议栈处理。而字符设备驱动部门将网络分包在内核与用户态之间传送，模拟物理链路的数据接受和发送。tun/tap驱动很好的实现了两种驱动的结合。

用途

用于加密、VPN、隧道、虚拟机等等（encryption, VPN, tunneling,virtual machines）。
tun/tap设备的用处是将协议栈中的部分数据包转发给用户空间的应用程序，给用户空间的程序一个处理数据包的机会。于是比较常用的数据压缩、加密等功能就可以在应用程序中实现。tun/tap设备最常用的场景是VPN，包括tunnel以及应用层的IPSec等。

tap/tun在libvirt中的应用

VPN

其他

常用命令

root@ubuntu:~# ip tuntap help
Usage: ip tuntap { add | del } [ dev PHYS_DEV ] 
          [ mode { tun | tap } ] [ user USER ] [ group GROUP ]
          [ one_queue ] [ pi ] [ vnet_hdr ] [ multi_queue ]

Where: USER  := { STRING | NUMBER }
       GROUP := { STRING | NUMBER }

veth、tun、tap比对

tun 是点对点的设备，而 tap 是一个普通的以太网卡设备。也就是说，tun 设备其实完全不需要有物理地址的。它收到和发出的包不需要 arp，也不需要有数据链路层的头。而 tap 设备则是有完整的物理地址和完整的以太网帧。

TAP (network tap) operates much like TUN however instead of only being able to write and receive layer 3 packets to/from the file descriptor it can do so with raw ethernet packets. You will typically see tap devices used by KVM/Qemu virtualization, where a TAP device is assigned to a virtual guests interface during creation.

TUN（Tunel）设备模拟网络层设备，处理三层报文，如IP报文。TAP设备模型链路层设备，处理二层报文，比如以太网帧。TUN用于路由，而TAP用于创建网桥。

示例（来源于网络）

示例程序

收到tun设备的数据包之后，只打印出收到了多少字节的数据包，其它的什么都不做

#include <net/if.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/if_tun.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int tun_alloc(int flags)
{

    struct ifreq ifr;
    int fd, err;
    char *clonedev = "/dev/net/tun";

    if ((fd = open(clonedev, O_RDWR)) < 0) {
        return fd;
    }

    memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
    ifr.ifr_flags = flags;

    if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0) {
        close(fd);
        return err;
    }

    printf("Open tun/tap device: %s for reading...\n", ifr.ifr_name);

    return fd;
}

int main()
{

    int tun_fd, nread;
    char buffer[1500];

    /* Flags: IFF_TUN   - TUN device (no Ethernet headers)
     *        IFF_TAP   - TAP device
     *        IFF_NO_PI - Do not provide packet information
     */
    tun_fd = tun_alloc(IFF_TUN | IFF_NO_PI);

    if (tun_fd < 0) {
        perror("Allocating interface");
        exit(1);
    }

    while (1) {
        nread = read(tun_fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (nread < 0) {
            perror("Reading from interface");
            close(tun_fd);
            exit(1);
        }

        printf("Read %d bytes from tun/tap device\n", nread);
    }
    return 0;
}

演示

#--------------------------第一个shell窗口----------------------
#将上面的程序保存成tun.c，然后编译
root@ubuntu:~# gcc tun.c -o tun

#启动tun程序，程序会创建一个新的tun设备，
#程序会阻塞在这里，等着数据包过来
root@ubuntu:~# ./tun 
Open tun/tap device: tun0 for reading...
Read 84 bytes from tun/tap device
Read 84 bytes from tun/tap device
Read 84 bytes from tun/tap device
Read 84 bytes from tun/tap device



#--------------------------第二个shell窗口----------------------
#启动抓包程序，抓经过tun0的包
root@ubuntu:/home/sunld# tcpdump -i tun0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on tun0, link-type RAW (Raw IP), capture size 262144 bytes
02:53:08.840817 IP 192.168.209.138 > 192.168.209.139: ICMP echo request, id 9828, seq 1, length 64
02:53:09.839871 IP 192.168.209.138 > 192.168.209.139: ICMP echo request, id 9828, seq 2, length 64
02:53:10.850205 IP 192.168.209.138 > 192.168.209.139: ICMP echo request, id 9828, seq 3, length 64
02:53:11.851285 IP 192.168.209.138 > 192.168.209.139: ICMP echo request, id 9828, seq 4, length 64


#--------------------------第三个shell窗口----------------------
#./tun启动之后，通过ip link命令就会发现系统多了一个tun设备，
27: tun0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 500
    link/none 
#新的设备没有ip，我们先给tun0配上IP地址
root@ubuntu:/home/sunld# ip addr add 192.168.209.138/24 dev tun0
#默认情况下，tun0没有起来，用下面的命令将tun0启动起来
root@ubuntu:/home/sunld# ip link set dev tun0 up

#尝试ping一下192.168.209.0/24网段的IP，
#由于我们的程序中收到数据包后，啥都没干，相当于把数据包丢弃了，
#所以这里的ping根本收不到返回包，
#但在前两个窗口中可以看到这里发出去的四个icmp echo请求包，
#说明数据包正确的发送到了应用程序里面，只是应用程序没有处理该包
root@ubuntu:/home/sunld# ping -c 4 192.168.209.139 -I tun0
PING 192.168.209.139 (192.168.209.139) from 192.168.209.138 tun0: 56(84) bytes of data.

参考资料

kernel doc tuntap
virtual networking devices in linux
Linux Networking Explained
Tun/Tap interface tutorial
TUN, TAP and Veth - Virtual Networking Devices Explained
虚拟机网卡和linux bridge上tap设备的关系
 Linux虚拟网络设备之tun/tap

Linux-虚拟网络设备-tun/tap