零入门kubernetes网络实战-23-＞基于tun虚拟网络设备来构建点对点的VPN案例(golang版本、helloworld级别)

2023-10-24 11:20
文章标签 实战 golang 构建 入门 kubernetes 网络 版本 案例 23 虚拟 网络设备 级别 vpn helloworld tun 点对点

本文主要是介绍零入门kubernetes网络实战-23-＞基于tun虚拟网络设备来构建点对点的VPN案例(golang版本、helloworld级别)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

《零入门kubernetes网络实战》视频专栏地址
https://www.ixigua.com/7193641905282875942

本篇文章视频地址(稍后上传)

本篇文章主要是练习：

  • 通过tun设备来实现跨主机通信
  • 测试在宿主机-1上使用curl命令可以访问宿主机-2上的web服务；
    • 请求有去，有回
  • 测试在宿主机-1上使用ping命令 可以ping通 宿主机-2上的tun类型的虚拟网卡设备，
    • 如ping通flannel99
    • 请求有去，有回

本篇文章测试时提供的代码，属于helloworld级别的，基本属于最精简的。

再下一篇文章里，为大家介绍一个开源社区提供的VPN，稍微多了点功能。

1、原理介绍

1.1、原理图说明

如下图所示：
在这里插入图片描述

该图只画出了请求路线，回复路线反之即可。

该图主要分为上下两个框：

  • 上面代表的是宿主机-1，对外的物理网卡是eth0,IP是10.211.55.122
  • 下面代表的是宿主机-2，对外的物理网卡是eth0,IP是10.211.55.123

在宿主机-1中，使用tun-vpn-client创建了tun设备，如flannel99，IP是10.244.2.2
在宿主机-2中，使用tun=vpn-server创建了tun设备，如flannel99，IP是10.244.3.3

1.2、在宿主机-1上使用curl访问宿主机-2上的web服务的数据包请求路线：

  • curl请求创建的TCP类型的数据包，经过本机的网络协议栈，路由表，防火墙规则后，
  • 进入到了网络虚拟设备flannel99中，flannel99自动给TCP数据包添加一层IP报文头，20个字节；
    • 源地址是10.244.2.2
    • 目的地址是10.244.3.3
    • 协议类型是TCP
  • 网络虚拟设备flannel99新创建的数据包，会自动的转发到/dev/net/tun文件描述符里
  • tun-vpn-client会一直在读取/dev/net/tun文件描述符里的数据包，将读取的数据包通过本地的UDP连接发送到对端的UDP连接里；本地的UDP连接是通过eth0网卡发送过去的。
  • UDP类型的数据包到达对端的eth0网卡后，会经过路由表，防火墙，网络协议栈会到达本机的UDP服务里；
  • tun-vpn-server会一直从本机的UDP服务链接里接收数据包
  • tun-vpn-server将接收到的UDP数据包，写入到/dev/net/tun文件描述符里，
  • 当数据包到达/dev/net/tun文件描述符后，会自动的转发到网络虚拟设备flannel99里
  • 网络虚拟设备flannel99会自动将数据包中的IP报文头删除掉，只保留curl创建的TCP数据包
  • 当TCP数据包从flannel99设备出来后会经过路由表，防火墙规则，网络协议栈，最终web服务接收到TCP数据包，并进行反馈。

1.3、tun-vpn-client与tun-vpn-server

1.3.1、名称说明？

不要被名字误解，无所谓哪个是客户端，哪个是服务器端

请求是哪个发起的，就是客户端；

被请求方就是服务器端。

都是相对的。

1.3.2、实现原理说明

原理是一样的。

因此，我们只介绍一下tun-vpn-client的原理即可。

2、tun-vpn-client原理说明

2.1、代码如下

package mainimport ("bytes""fmt""github.com/vishvananda/netlink""log""net""os""syscall""time""unsafe"
)const (tunName    = "flannel99"tunDevice  = "/dev/net/tun"ifnameSize = 16localAddr  = "10.211.55.122:8285"remoteAddr = "10.211.55.123:8285"tunIP      = "10.244.2.2"
)type ifreqFlags struct {IfrnName  [ifnameSize]byteIfruFlags uint16
}func ioctl(fd int, request, argp uintptr) error {_, _, errno := syscall.Syscall(syscall.SYS_IOCTL, uintptr(fd), request, argp)if errno != 0 {fmt.Errorf("ioctl failed with '%s'\n", errno)return fmt.Errorf("ioctl failed with '%s'", errno)}return nil
}func fromZeroTerm(s []byte) string {return string(bytes.TrimRight(s, "\000"))
}func OpenTun(name string) (*os.File, string, error) {tun, err := os.OpenFile(tunDevice, os.O_RDWR|syscall.O_NONBLOCK, 0)if err != nil {fmt.Printf("OpenTun Failed! err:%v", err.Error())return nil, "", err}var ifr ifreqFlagscopy(ifr.IfrnName[:len(ifr.IfrnName)-1], []byte(name+"\000"))ifr.IfruFlags = syscall.IFF_TUN | syscall.IFF_NO_PIerr = ioctl(int(tun.Fd()), syscall.TUNSETIFF, uintptr(unsafe.Pointer(&ifr)))if err != nil {fmt.Printf("OpenTun Failed! err:%v\n", err.Error())return nil, "", err}ifName := fromZeroTerm(ifr.IfrnName[:ifnameSize])return tun, ifName, nil
}func main() {fmt.Printf("======>Now----Client----Tun---VPN---UDP<======\n")tunFile, err := createTun()if err != nil {fmt.Printf("ICMP Listen Packet Failed! err:%v\n", err.Error())return}defer tunFile.Close()udpConn, err := createUDP()if err != nil {fmt.Printf("UDP conn Failed! err:%v\n", err.Error())return}defer udpConn.Close()go tunToUDP(udpConn, tunFile)go udpToTun(udpConn, tunFile)time.Sleep(time.Hour)
}func createUDP() (*net.UDPConn, error) {localAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", localAddr)if err != nil {log.Fatalln("failed to get udp socket:", err)return nil, err}conn, err := net.ListenUDP("udp", localAddr)if err != nil {log.Fatalln("failed to listen on udp socket:", err)return nil, err}return conn, nil}func tunToUDP(udpConn *net.UDPConn, tunFile *os.File) {packet := make([]byte, 1024*64)size := 0var err errorfor {if size, err = tunFile.Read(packet); err != nil {return}b := packet[:size]srcIP := GetSrcIP(b)dstIP := GetDstIP(b)fmt.Printf("tunToUDP--->Msg Protocol type: %v(1=ICMP, 6=TCP, 17=UDP)\tsrcIP:%v--->dstIP:%v", packet[9], srcIP, dstIP)rAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", remoteAddr)if err != nil {log.Fatalln("failed to get udp socket:", err)return}if size, err = udpConn.WriteTo(packet[:size], rAddr); err != nil {fmt.Println(err.Error())return}fmt.Printf("tunToUDP--->Write Msg To UDP Conn OK! size:%d\n", size)}
}func udpToTun(udpConn *net.UDPConn, tunFile *os.File) {var packet = make([]byte, 1024*64)var size intvar err errorvar addr net.Addrfor {if size, addr, err = udpConn.ReadFrom(packet); err != nil {continue}size, err = tunFile.Write(packet[:size])if err != nil {continue}fmt.Printf("udpToTun--->Write Msg To /dev/net/tun OK! size:%d\tsrcIP:%v\n", size, addr)}
}func createTun() (*os.File, error) {err := addTun()if err != nil {return nil, err}err = configTun()if err != nil {return nil, err}tunFile, _, err := OpenTun(tunName)if err != nil {return nil, err}return tunFile, nil
}func addTun() error {la := netlink.LinkAttrs{Name:  tunName,Index: 8,MTU:   1500,}tun := netlink.Tuntap{LinkAttrs: la,Mode:      netlink.TUNTAP_MODE_TUN,}l, err := netlink.LinkByName(tunName)if err == nil {netlink.LinkSetDown(l)netlink.LinkDel(l)}err = netlink.LinkAdd(&tun)if err != nil {return err}return nil
}func configTun() error {l, err := netlink.LinkByName(tunName)if err != nil {return err}ip, err := netlink.ParseIPNet(fmt.Sprintf("%s/%d", tunIP, 24))if err != nil {return err}addr := &netlink.Addr{IPNet: ip, Label: ""}if err = netlink.AddrAdd(l, addr); err != nil {return err}err = netlink.LinkSetUp(l)if err != nil {return err}return nil
}func GetSrcIP(packet []byte) string {key := ""if IsIPv4(packet) && len(packet) >= 20 {key = GetIPv4Src(packet).To4().String()}return key
}func IsIPv4(packet []byte) bool {flag := packet[0] >> 4return flag == 4
}func GetDstIP(packet []byte) string {key := ""if IsIPv4(packet) && len(packet) >= 20 {key = GetIPv4Dst(packet).To4().String()}return key
}func GetIPv4Src(packet []byte) net.IP {return net.IPv4(packet[12], packet[13], packet[14], packet[15])
}func GetIPv4Dst(packet []byte) net.IP {return net.IPv4(packet[16], packet[17], packet[18], packet[19])
}

2.2、主流程说明

在这里插入图片描述

2.3、tunToUDP函数原理说明

在这里插入图片描述

2.4、udpToTun函数原理说明

在这里插入图片描述

tun-vpn-server的原理跟tun-vpn-client一样，就不再介绍了。

2.5、本地编译，上传到测试服务器10.211.55.122

Makefile文件内容

build:CGO_ENABLED=0 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o tun-vpn-client main.goscp:scp tun-vpn-client root@10.211.55.122:/rootall:make build && make scp

执行

make all

即可

3、tun-vpn-server原理说明

3.1、代码如下

package mainimport ("bytes""fmt""github.com/vishvananda/netlink""log""net""os""syscall""time""unsafe"
)const (tunName    = "flannel99"tunDevice  = "/dev/net/tun"ifnameSize = 16localAddr  = "10.211.55.123:8285"remoteAddr = "10.211.55.122:8285"tunIP      = "10.244.3.3"
)type ifreqFlags struct {IfrnName  [ifnameSize]byteIfruFlags uint16
}func ioctl(fd int, request, argp uintptr) error {_, _, errno := syscall.Syscall(syscall.SYS_IOCTL, uintptr(fd), request, argp)if errno != 0 {fmt.Errorf("ioctl failed with '%s'\n", errno)return fmt.Errorf("ioctl failed with '%s'", errno)}return nil
}func fromZeroTerm(s []byte) string {return string(bytes.TrimRight(s, "\000"))
}func OpenTun(name string) (*os.File, string, error) {tun, err := os.OpenFile(tunDevice, os.O_RDWR|syscall.O_NONBLOCK, 0)if err != nil {fmt.Printf("OpenTun Failed! err:%v", err.Error())return nil, "", err}var ifr ifreqFlagscopy(ifr.IfrnName[:len(ifr.IfrnName)-1], []byte(name+"\000"))ifr.IfruFlags = syscall.IFF_TUN | syscall.IFF_NO_PIerr = ioctl(int(tun.Fd()), syscall.TUNSETIFF, uintptr(unsafe.Pointer(&ifr)))if err != nil {fmt.Printf("OpenTun Failed! err:%v\n", err.Error())return nil, "", err}ifName := fromZeroTerm(ifr.IfrnName[:ifnameSize])return tun, ifName, nil
}func main() {fmt.Printf("======>Now----Server----Tun---VPN---UDP<======\n")tunFile, err := createTun()if err != nil {fmt.Printf("ICMP Listen Packet Failed! err:%v\n", err.Error())return}defer tunFile.Close()udpConn, err := createUDP()if err != nil {fmt.Printf("UDP conn Failed! err:%v\n", err.Error())return}defer udpConn.Close()go tunToUDP(udpConn, tunFile)go udpToTun(udpConn, tunFile)time.Sleep(time.Hour)
}func createUDP() (*net.UDPConn, error) {localAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", localAddr)if err != nil {log.Fatalln("failed to get udp socket:", err)return nil, err}conn, err := net.ListenUDP("udp", localAddr)if err != nil {log.Fatalln("failed to listen on udp socket:", err)return nil, err}return conn, nil}func tunToUDP(udpConn *net.UDPConn, tunFile *os.File) {packet := make([]byte, 1024*64)size := 0var err errorfor {if size, err = tunFile.Read(packet); err != nil {return}rAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", remoteAddr)if err != nil {log.Fatalln("failed to get udp socket:", err)return}if size, err = udpConn.WriteTo(packet[:size], rAddr); err != nil {fmt.Println(err.Error())return}fmt.Printf("tunToUDP--->Write Msg To UDP Conn OK! size:%d\n", size)}
}func udpToTun(udpConn *net.UDPConn, tunFile *os.File) {var packet = make([]byte, 1024*64)var size intvar err errorvar addr net.Addrfor {if size, addr, err = udpConn.ReadFrom(packet); err != nil {continue}size, err = tunFile.Write(packet[:size])if err != nil {continue}fmt.Printf("udpToTun--->Write Msg To /dev/net/tun OK! size:%d\tsrcIP:%v\n", size, addr)}
}func createTun() (*os.File, error) {err := addTun()if err != nil {return nil, err}err = configTun()if err != nil {return nil, err}tunFile, _, err := OpenTun(tunName)if err != nil {return nil, err}return tunFile, nil
}func addTun() error {la := netlink.LinkAttrs{Name:  tunName,Index: 8,MTU:   1500,}tun := netlink.Tuntap{LinkAttrs: la,Mode:      netlink.TUNTAP_MODE_TUN,}l, err := netlink.LinkByName(tunName)if err == nil {netlink.LinkSetDown(l)netlink.LinkDel(l)}err = netlink.LinkAdd(&tun)if err != nil {return err}return nil
}func configTun() error {l, err := netlink.LinkByName(tunName)if err != nil {return err}ip, err := netlink.ParseIPNet(fmt.Sprintf("%s/%d", tunIP, 24))if err != nil {return err}addr := &netlink.Addr{IPNet: ip, Label: ""}if err = netlink.AddrAdd(l, addr); err != nil {return err}err = netlink.LinkSetUp(l)if err != nil {return err}return nil
}

3.2、本地编译，上传到测试服务器10.211.55.123上

Makefile内容

build:CGO_ENABLED=0 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o tun-vpn-server main.goscp:scp tun-vpn-server root@10.211.55.123:/rootall:make build && make scp

执行

make all

即可

4、web服务说明

简单提供了一个web服务

4.1、代码如下

package mainimport ("encoding/json""fmt""net/http"
)type Stu struct {Age intMsg string
}func sayHello(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {stu := Stu{Age: 12, Msg: "hello world\nTun VPN\n"}stuJson, e := json.Marshal(&stu)if e != nil {panic(e)}w.Write(stuJson)fmt.Printf("Reply MSG:%v\n", string(stuJson))
}func main() {http.HandleFunc("/", sayHello)fmt.Printf("App URL: http://10.244.3.3:9090\n")err := http.ListenAndServe("10.244.3.3:9090", nil)if err != nil {fmt.Printf("http server failed, err:%v\n", err)return}
}

在这里插入图片描述

4.2、本地编译，上传到测试服务器10.211.55.123上

Makefile内容

build:CGO_ENABLED=0 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o app main.goscp:scp app root@10.211.55.123:/rootall:make build && make scp

执行

make all

即可

5、对端的路由设置

5.1、是否需要设置路由呢？

如果宿主机-1和宿主机-2上的flannel99都是属于同一个网段，比方：

  • 宿主机-1上的flannel99的IP是10.244.2.2
  • 宿主机-2上的flannel99的IP是10.244.2.3
    的话，是不需要单独设置路由的

而当前我们的测试用例中，两个宿主机上的flannel99的网络是不同的，

因此，需要设置路由。

5.2、在宿主机-1上(10.211.55.122)

查看当前的路由表、并且设置数据包访问宿主机-2上flannel99网络的路由

route -nroute add -net 10.244.3.0/24 dev flannel99route -n

在这里插入图片描述

5.3、在宿主机-2上(10.211.55.123)

查看当前的路由表、并且设置数据包访问宿主机-1上flannel99网络的路由

route -nroute add -net 10.244.2.0/24 dev flannel99route -n

在这里插入图片描述

可能会存在一种现象，新增的路由规则，经常被删除。原因不在深挖了。手工重新添加即可。生产中，可以对路由规则进行定时检测的。

6、测试

6.1、登录到10.211.55.122服务器上，启动tun-vpn-client服务

./tun-vpn-client

在这里插入图片描述

6.2、登录到10.211.55.123服务器上

6.2.1、启动tun-vpn-server服务

./tun-vpn-server

在这里插入图片描述

6.2.2、启动web服务

./app

在这里插入图片描述

6.3、重新登录10.211.55.122服务器上

6.3.1、curl命令测试 6.3.1.1、curl命令测试

curl 10.244.3.3:9090

在这里插入图片描述

tun-vpn-client与tun-vpn-server服务打印日志，

在启动服务的时候，已经截图了，

不再重复截图了。

6.3.1.2、抓包，wireshark分析
6.3.1.2.1、针对flannel99网卡抓包分析
tcpdump -nn -i flannel99 -w curl.pcap

抓取命令
在这里插入图片描述

tcp的三次握手
在这里插入图片描述
(注意下：图片中 “flannel99自动给tcp报文添加的IP报文头”，这种说法是有待研究的。仅供参考)

curl请求
在这里插入图片描述

web服务app的回复
在这里插入图片描述

四次挥手
在这里插入图片描述

6.3.1.2.2、针对eth0网卡抓包分析
tcpdump -nn udp -i eth0 -w curl.pcap

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

6.3.2、ping命令测试，测试是否可以ping通10.211.55.123节点上的flannel99网卡

ping 10.244.3.3ping 10.244.3.3 -I flannel99sysctl net.ipv4.conf.all.rp_filter

在这里插入图片描述

ping命令就不在注抓取数据包了。

大家可以自行抓取。

7、总结

  • 本篇文章我们利用tun类型的虚拟网络设备实现了点对点的VPN组网，
  • 并进行了curl命令，ping命令的测试；
  • 支持TCP，ICMP协议的数据包传输。
  • 观察原理图的话，你会发现
  • 数据包在用户空间和内核空间之间来回的切换，这种方式性能肯定存在一定的问题。
  • 未来会有其他网络形式进行代替。

如果本篇文章的内容，你已经了解了的话，

那么，恭喜你，flannel中的UDP模式，你已经掌握核心了。

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