4. TUN/TAP 设备创建与销毁：ioctl 接口、命名规则与内核回调

本章深入 TUN/TAP 设备生命周期的核心环节——用户态通过 ioctl 系统调用与内核驱动交互，完成虚拟网络接口的创建、命名与销毁。我们将重点剖析 TUNSETIFF 命令的工作流程、设备命名规则，以及内核中 tun_net_init 与 tun_net_uninit 两个关键回调函数的实现机制。

4.1 ioctl 接口：TUNSETIFF 命令详解

ioctl 是用户态与 TUN/TAP 驱动通信的主要通道。TUNSETIFF 命令负责将字符设备文件描述符与一个虚拟网络接口绑定，并在必要时创建新的接口。

4.1.1 接口定义与数据结构

用户态程序需包含 <linux/if_tun.h> 头文件，使用 struct ifreq 结构体传递参数：

#include <linux/if.h>
#include <linux/if_tun.h>

int ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *)&ifr);

struct ifreq {
    char ifr_name[IFNAMSIZ]; /* 接口名称，如 "tun0" 或 "tap0" */
    int  ifr_flags;          /* 标志位：IFF_TUN | IFF_TAP | IFF_NO_PI 等 */
};

4.1.2 创建流程

1. 打开字符设备： fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR);
2. 填充 ifreq 结构： 设置 ifr_name（可留空由内核自动命名）和 ifr_flags。
3. 调用 ioctl： ioctl(fd, TUNSETIFF, &ifr);
4. 内核处理： 驱动检查名称是否冲突、分配 net_device 结构、注册网络接口、调用 tun_net_init。
5. 返回： 成功后 ifr.ifr_name 被填充为实际接口名，用户态可通过该 fd 读写数据包。

4.2 设备命名规则

TUN/TAP 设备的命名遵循内核网络设备命名规范，同时受驱动内部逻辑约束：

• 默认前缀： TUN 设备默认以 tun 开头，TAP 设备以 tap 开头。
• 自动编号： 若用户未指定名称，内核从 0 开始递增分配，如 tun0、tun1……
• 自定义名称： 用户可指定任意不超过 IFNAMSIZ（16 字节）的名称，但需避免与已有接口冲突。
• 持久化与非持久化： 默认创建的设备随文件描述符关闭而销毁。通过 ioctl(TUNSETPERSIST) 可设置为持久化设备，即使 fd 关闭，接口仍保留在系统中。

4.3 tun_net_init：网络设备初始化回调

当内核通过 register_netdevice 注册新的虚拟网络接口时，会调用驱动注册的 net_device_ops 中的 ndo_init 回调。对于 TUN/TAP 驱动，该回调指向 tun_net_init 函数。

4.3.1 函数原型与核心逻辑

static int tun_net_init(struct net_device *dev)
{
    struct tun_struct *tun = netdev_priv(dev);
    struct tun_file *tfile;

    /* 1. 初始化 tun_struct 中的关键字段 */
    tun->flags = 0;
    tun->filter_attached = false;
    INIT_LIST_HEAD(&tun->disabled);
    
    /* 2. 设置设备类型（ARP 硬件类型） */
    if (tun->flags & IFF_TAP) {
        dev->type = ARPHRD_ETHER;      /* 以太网类型 */
        dev->hard_header_len = ETH_HLEN; /* 以太网头部长度 */
    } else {
        dev->type = ARPHRD_NONE;       /* 无链路层 */
        dev->hard_header_len = 0;
    }
    
    /* 3. 设置 MTU 和特性 */
    dev->mtu = 1500;
    dev->features |= NETIF_F_LLTX;     /* 驱动自身管理锁 */
    
    /* 4. 关联第一个 tfile（由 ioctl 传入的 fd 对应） */
    tfile = rtnl_dereference(tun->tfiles[0]);
    if (tfile)
        tfile->tun = tun;
    
    return 0;
}

4.4 tun_net_uninit：网络设备销毁回调

当虚拟网络接口被删除（如用户关闭 fd 或显式删除设备）时，内核调用 ndo_uninit 回调，即 tun_net_uninit。该函数负责清理资源，确保无残留引用。

4.4.1 函数实现与资源回收

static void tun_net_uninit(struct net_device *dev)
{
    struct tun_struct *tun = netdev_priv(dev);
    struct tun_file *tfile;
    int i;

    /* 1. 断开所有关联的 tfile 与 tun 的绑定 */
    for (i = 0; i < tun->numqueues; i++) {
        tfile = rtnl_dereference(tun->tfiles[i]);
        if (tfile) {
            tfile->tun = NULL;
            /* 唤醒可能阻塞在 read/write 上的进程 */
            wake_up_interruptible(&tfile->wq.wait);
        }
    }
    
    /* 2. 清理过滤器列表 */
    tun_flow_cleanup(tun);
    
    /* 3. 释放多队列相关资源 */
    if (tun->flags & IFF_MULTI_QUEUE) {
        /* 释放每个队列的 skb 缓存 */
        for (i = 0; i < MAX_TAP_QUEUES; i++)
            __skb_queue_purge(&tun->tx_queue[i]);
    }
    
    /* 4. 标记设备为已关闭 */
    tun->flags |= IFF_DETACH_QUEUE;
}

4.4.2 销毁触发场景

• 文件描述符关闭： 用户态程序调用 close(fd) 或进程退出，驱动检测到 tun_file 引用计数归零。
• 显式删除： 通过 ioctl(TUNSETIFF) 传入 IFF_DETACH_QUEUE 标志，或使用 ip link delete tun0。
• 模块卸载： rmmod tun 时，驱动遍历所有活跃设备并逐一销毁。

4.5 完整创建与销毁示例代码

以下代码展示了用户态创建 TUN 设备、读写数据包并最终销毁的完整流程：

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

int tun_alloc(char *dev, int flags) {
    struct ifreq ifr;
    int fd, err;

    /* 打开 TUN/TAP 字符设备 */
    if ((fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR)) < 0) {
        perror("open /dev/net/tun");
        return -1;
    }

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

    /* 若 dev 非空，则指定设备名；否则由内核自动分配 */
    if (*dev)
        strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);

    /* 调用 ioctl 创建设备 */
    if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *)&ifr)) < 0) {
        perror("ioctl TUNSETIFF");
        close(fd);
        return -1;
    }

    /* 内核返回实际设备名 */
    strcpy(dev, ifr.ifr_name);
    return fd;
}

int main() {
    char tun_name[IFNAMSIZ] = "tun_demo";
    int tun_fd;
    char buf[2048];

    /* 创建 TUN 设备 */
    tun_fd = tun_alloc(tun_name, IFF_TUN | IFF_NO_PI);
    if (tun_fd < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to create TUN device\n");
        return 1;
    }
    printf("TUN device %s created, fd=%d\n", tun_name, tun_fd);

    /* 读取数据包（阻塞模式） */
    int nread = read(tun_fd, buf, sizeof(buf));
    if (nread > 0) {
        printf("Read %d bytes from TUN device\n", nread);
    }

    /* 关闭 fd 触发设备销毁 */
    close(tun_fd);
    printf("TUN device %s destroyed\n", tun_name);
    return 0;
}

4.6 本章小结