什么是Tun/Tap

TAP等同于一个以太网设备，它操作第二层数据包如以太网数据帧。TUN模拟了网络层设备，操作第三层数据包比如IP数据封包。

操作系统通过TUN/TAP设备向绑定该设备的用户空间的程序发送数据，反之，用户空间的程序也可以像操作硬件网络设备那样，通过TUN/TAP设备发送数据。在后种情况下，TUN/TAP设备向操作系统的网络栈投递（或“注入”）数据包，从而模拟从外部接受数据的过程。

应用程序如何操作Tun/Tap

Linux Tun/Tap驱动程序为应用程序提供了两种交互方式：虚拟网络接口和字符设备/dev/net/tun。写入字符设备/dev/net/tun的数据会发送到虚拟网络接口中；发送到虚拟网络接口中的数据也会出现在该字符设备上。

应用程序可以通过标准的Socket API向Tun/Tap接口发送IP数据包，就好像对一个真实的网卡进行操作一样。除了应用程序以外，操作系统也会根据TCP/IP协议栈的处理向Tun/Tap接口发送IP数据包或者以太网数据包，例如ARP或者ICMP数据包。Tun/Tap驱动程序会将Tun/Tap接口收到的数据包原样写入到/dev/net/tun字符设备上，处理Tun/Tap数据的应用程序如V**程序可以从该设备上读取到数据包，以进行相应处理。

应用程序也可以通过/dev/net/tun字符设备写入数据包，这种情况下该字符设备上写入的数据包会被发送到Tun/Tap虚拟接口上，进入操作系统的TCP/IP协议栈进行相应处理，就像从物理网卡进入操作系统的数据一样。

Tun虚拟设备和物理网卡的区别是Tun虚拟设备是IP层设备，从/dev/net/tun字符设备上读取的是IP数据包，写入的也只能是IP数据包，因此不能进行二层操作，如发送ARP请求和以太网广播。与之相对的是，Tap虚拟设备是以太网设备，处理的是二层以太网数据帧，从/dev/net/tun字符设备上读取的是以太网数据帧，写入的也只能是以太网数据帧。从这点来看，Tap虚拟设备和真实的物理网卡的能力更接近。
下图描述了Tap/Tun的工作原理：

通过应用程序从/dev/net/tun字符设备中读取或者写入数据看上去并没有太大用处，但通过将Tun/Tap结合物理网络设备使用,我们可以创建一个点对点的隧道。如下图所示，左边主机上应用程序发送到Tun虚拟设备上的IP数据包被V**程序通过字符设备接收，然后再通过一个TCP或者UDP隧道发送到右端的V**服务器上，V**服务器将隧道负载中的原始IP数据包写入字符设备，这些IP包就会出现在右侧的Tun虚拟设备上，最后通过操作系统协议栈和socket接口发送到右侧的应用程序上。

上图中的隧道也可以采用Tap虚拟设备实现。使用Tap的话，隧道的负载将是以太数据帧而不是IP数据包，而且还会传递ARP等广播数据包。

使用Tun/Tap隧道绕过防火墙

结合路由规则和IPTables规则，可以将V**服务器端的主机作为连接外部网络的网关，以绕过防火墙对客户端的一些外部网络访问限制。如下图所示，防火墙规则允许客户端访问主机IP2，而禁止访问其他Internet上的节点。通过采用Tun隧道，从防火墙角度只能看到被封装后的数据包，因此防火墙认为客户端只是在访问IP2，会对数据进行放行。而V**服务端在解包得到真实的访问目的后，会通过路由规则和IPTables规则将请求转发到真正的访问目的地上，然后再将真实目的地的响应IP数据包封装进隧道后原路返回给客户端，从而达到绕过防火墙限制的目的。

使用Tap隧道桥接两个远程站点

如下图所示，可以使用tap建立二层隧道将两个远程站点桥接起来，组成一个局域网。对于两边站点中的主机来说，访问对方站点的主机和本地站点的主机的方式没有区别，都处于一个局域网192.168.0.0/24中。
V**主机上有两个物理网卡，其中Eth0用于和对方站点的V**主机进行通信，建立隧道。Eth1在通过网线连接到以太网交换机的同时也被则加入了Linux Bridge，这相当于用一条网线将Linux Bridge上的一个端口（Eth1）连接到了本地站点的以太网交换机上，Eth1上收到的所有数据包都会被发送到Linux Bridge上，Linux Bridge发给Eth1的数据包也会被发送到以太网交换机上。Linux Bridge上还有一个Tap虚拟网卡，用于V**程序接收从Linux Bridge上收到的数据包。

假设192.168.0.5发出了一个对192.168.0.3的ARP请求，该ARP请求在网络中经过的路径如下：

192.168.0.5发出ARP请求，询问192.168.0.3的MAC地址。
该ARP请求将被发送到以太网交换机上。
以太网交换机对该请求进行泛洪，发送到其包括Eth1在内的所有端口上。
由于Eth1被加入了V**主机上的Linux Bridge，因此Linux Bridge收到该ARP请求。
Linux Bridge对该ARP请求进行泛洪，发送到连到其上面的Tap虚拟网卡上。
V**程序通过/dev/net/tun字符设备读取到该ARP请求，然后封装到TCP/UDP包中，发送到对端站点的V**主机。
对端站点的V**程序通过监听TCP/UDP端口接收到封装的ARP请求，将ARP请求通过/dev/net/tun字符设备写入到Tap设备中。
Linux Bridge泛洪，将ARP请求发送往Eth1，由于Eth1连接到了以太网交换机上，以太网交换机接收到了该ARP请求。
以太网交换机进行泛洪，将ARP请求发送给了包括192.168.0.3的所有主机。
192.168.0.3收到了APR请求，判断iP地址和自己相同，对此请求进行响应。
同理，ARP响应包也可以按照该路径返回到图左边包括192.168.0.5在内的站点中。

从站点主机的角度来看，上面图中两个V**主机之间的远程连接可以看作一条虚拟的网线，这条网线将两个Linux Bridge连接起来。这两个Linux Bridge和两个以太网交换机一起将左右两个站点的主机连接在一起，形成了一个局域网。