虚拟网络隧道端点：极简回环设备

项目概述

本项目旨在创建一个极简的虚拟网络设备驱动，该驱动能够将接收到的所有网络数据包原样发回，形成一个完整的回环（loopback）机制。这种设备在测试和开发环境中非常有用，可以模拟网络行为而不需要实际的物理设备。

核心概念

• 网络设备接口: Linux内核通过网络设备接口与网络硬件交互，虚拟设备模拟这些接口。
• 数据包处理: 包括接收（RX）和发送（TX）数据包的处理机制。
• 回环机制: 将接收到的数据包立即发送回去，形成内部循环。
• QEMU集成: 在虚拟化环境中测试和运行驱动，确保兼容性。

驱动架构

组件	功能描述
初始化模块	注册虚拟网络设备，分配资源，设置设备参数。
数据包接收处理	拦截到达设备的数据包，准备回送。
数据包发送处理	将接收到的数据包原样发送回来源。
清理模块	卸载驱动时释放资源，注销设备。

代码实现

设备初始化

#include <linux/module.h>
#include <linux/netdevice.h>

static struct net_device *vndev;

static int virtual_net_open(struct net_device *dev)
{
    netif_start_queue(dev);
    printk(KERN_INFO "virtual_net device opened\n");
    return 0;
}

static int virtual_net_stop(struct net_device *dev)
{
    netif_stop_queue(dev);
    printk(KERN_INFO "virtual_net device closed\n");
    return 0;
}

static netdev_tx_t virtual_net_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
    // 数据包回环处理
    skb->dev = dev;
    skb->pkt_type = PACKET_LOOPBACK;
    skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;
    netif_rx(skb);
    return NETDEV_TX_OK;
}

static const struct net_device_ops virtual_net_ops = {
    .ndo_open = virtual_net_open,
    .ndo_stop = virtual_net_stop,
    .ndo_start_xmit = virtual_net_xmit,
};

static void virtual_net_setup(struct net_device *dev)
{
    ether_setup(dev);
    dev->netdev_ops = &virtual_net_ops;
    dev->flags |= IFF_NOARP;
    dev->features |= NETIF_F_LLTX;
}

static int __init virtual_net_init(void)
{
    vndev = alloc_netdev(0, "vnet%d", NET_NAME_ENUM, virtual_net_setup);
    if (register_netdev(vndev)) {
        free_netdev(vndev);
        return -1;
    }
    printk(KERN_INFO "virtual_net device registered\n");
    return 0;
}

static void __exit virtual_net_exit(void)
{
    unregister_netdev(vndev);
    free_netdev(vndev);
    printk(KERN_INFO "virtual_net device unregistered\n");
}

module_init(virtual_net_init);
module_exit(virtual_net_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

测试方法

1. 编译驱动并加载到内核：insmod virtual_net.ko
2. 启用设备：ip link set vnet0 up
3. 分配IP地址：ip addr add 192.168.100.1/24 dev vnet0
4. 使用ping测试：ping 192.168.100.1
5. 使用tcpdump观察数据包：tcpdump -i vnet0

数据流图

关键知识点

• struct net_device: 表示网络设备的核心数据结构
• netif_rx(): 将数据包送入网络协议栈的函数
• sk_buff: 内核中表示网络数据包的结构
• 设备注册和注销机制
• 虚拟设备与物理设备的区别