虽然大家一致认为Java不适合做底层，但我觉得不适合不代表不能做。
本篇文章比起札记，其实更像是一篇show off。
背景
最近我在看去中心系统相关的内容，看到了Yggdrasil，且不说它的原理如何，它在使用方式上就让我耳目一新。传统的overlay network都需要通过某种应用层的接口来让用户访问，比如Tor和I2P都需要浏览器支持，后者更是提供了诸如socks这种代理协议来提供访问，这就要求应用程序必须专门考虑并为此设计，才能获得一定程度的兼容性。对于不支持socks协议的程序，很遗憾，它没法接入I2P网络。
Yggdrasil不同：它在运行时创建了一个TUN设备。TUN设备是一种虚拟网络适配器，类似TAP。TAP设备工作在二层，换言之它能够得到的是数据链路层的数据包（更细致地说，其实是媒体访问控制MAC包），而TUN设备则工作在三层，它能够得到的数据是IP包。Yggdrasil将网络中的每一个节点的公钥映射成IPv6地址中被废弃的一段0020::0/7，这段地址在可观的未来不会被使用（但Yggdrasil网络中节点的公钥是256位，而这个地址段只有121位，我还不太清楚他们是怎么解决地址冲突的），每个节点分配一个段内的IPv6地址，这样一来，只要在操作系统中访问这个段内的地址，不管你是ICMP还是TCP还是UDP，操作系统都封装成IP包，交给这个TUN设备。而Yggdrasil从这个TUN设备中获取封装好的IP号，看一下目的地地址，在网络内路由，到达对方节点后，直接通过TUN设备写入操作系统的IP栈，之后无论是什么协议，全部由操作系统负责处理和分发。多么优雅的解决方案啊！
但是只有一个遗憾，这个软件是Go写的，而我是写Java的。我翻遍了Google和GitHub，也没有发现支持Java在Windows上创建和操作TUN设备的库。我很不爽，于是就自己写了一个。
自己造轮子
经过一番搜索，我发现了一个叫做wintun的C++库，这个库将win32 API的调用封装成了简单的函数，诸如WintunCreateAdapter这种。要知道，让Java调用C就已经很困难了，你需要处理好Java对象和C结构体之间的映射，要处理好指针、类型的问题。而微软的Win32为了让事情变得更加复杂（其实是历史遗留问题），他们使用了自己的一套类型系统，并且有者自己的一套API设计理念，用起来更加麻烦。
看到有前人栽树，现在后人就得想怎么乘凉。好在Java调用C并不是什么稀奇事情：除了原生的JNI之外，我们还有JNA和JNR，还有未来的Project Panama。就目前而言，对于这个项目来讲，JNA是最好的选择。关于编写mapping的过程就不再赘述了，无非就是参照JNA文档，遇到问题了Google一下。不过其中有个小插曲，就是无论怎么调试，一开始得到的结果返回的都是null，我百思不得其解啊。最后无意中想到，这个玩意儿是不是需要管理员权限？但是IDEA并没有提供单独将程序作为管理员运行的选项，不得已，我只能将整个IDEA作为管理员运行。对于来路不明的软件，这个动作其实非常危险：不光是IDEA，由IDEA启动的Gradle也是作为管理员运行的，如果构建脚本里有一些恶意代码，使用管理员权限运行刚好给了他们可乘之机。不过考虑到这个是我自己写的软件，顶多蓝屏，能怎么样？
编写好了Mapping，我发现一个问题：这个软件只能创建和操作TUN设备，但是没办法给TUN设备分配IP。虽然我可以在TUN设备中模拟DHCP包，但是这未免有些复杂且太不灵活了。查阅了一大堆文档，最后发现win32 API还是绕不开了。于是开始想办法编写相关的win32 API。具体内容可以参考这个项目的GitHub Repo。
因为是C，免不了很多面向过程编程。与其一开始考虑怎么把这个东西做的尽可能OOP，我的建议是每次针对一个功能（例如列出IP，插入MIB ROW等），写一个demo，确保能用之后，再将这个功能封装成对象的成员方法。不然一边设计对象，一边考虑C的过程，实属给自己找不痛快。
展示
经过了一周的艰苦奋斗，这个库终于是成了。为了验证效果，我借助pcap4j实现了ICMP ECHO（也就是ping）响应。效果就是，运行程序，创建一个TUN设备，程序为这个TUN设备分配IP为0020::100/7，并开始处理IP包。这个时候在系统内ping任意一个同网段的ip，都可以得到相对应的ping响应。
总体流程还是简单明了的：
package info.skyblond.jna
import com.sun.jna.platform.win32.Guid
import info.skyblond.jna.wintun.*
import org.pcap4j.packet.*
import org.pcap4j.packet.namednumber.IcmpV6Code
import org.pcap4j.packet.namednumber.IcmpV6Type
import org.pcap4j.packet.namednumber.IpNumber
import org.pcap4j.packet.namednumber.IpVersion
import java.io.EOFException
import java.net.Inet6Address
import kotlin.concurrent.thread
import kotlin.experimental.and
import kotlin.random.Random
fun main(args: Array<String>) {
println("Current wintun version: ${WintunLib.INSTANCE.WintunGetRunningDriverVersion()}")
val guid = Guid.GUID.newGuid().toGuidString()
val adapter = WintunAdapter("Wintun Demo Adapter", "Wintun", guid)
// Ring size: 8MB
val session = adapter.newSession(0x800000)
try { // clean up old ip
adapter.dissociateIp(ip)
} catch (t: Throwable) {
t.printStackTrace()
}
val ip = Inet6Address.getByName("0020::100")
println("Set ip to: $ip")
adapter.associateIp(
AdapterIPAddress(ip = ip, prefixLength = 7u)
)
TODO("Handle IP packets")
println("Closing!")
session.close()
adapter.close()
}整体流程就是创建网卡、启动Session、设定IP、处理IP包，最后关闭资源。
处理IP包的部分可以单独放在一个线程里：
val t = thread {
try {
while (true) {
val result = session.readPacket()
if (result != null) thread { handlePacket(session, result) }
}
} catch (e: EOFException) {
e.printStackTrace()
} catch (e: NativeException) {
e.printStackTrace()
}
}
while (t.isAlive) {
Thread.sleep(1000)
}由于读取的时候不一定总会读出数据，因此需要判断一下读出的内容是否为空，不为空再处理。处理起来也相对简单，无非是解析包，拿到目的地IP，然后创建一个回复的包，写回操作系统：
private fun handlePacket(session: WintunSession, packet: ByteArray) {
val isV6 = packet[0].and(0xf0.toByte()) == 0x60.toByte()
println(
"Get IPv${if (isV6) "6" else "4"} packet from OS\n" +
"\tSize: ${packet.size} bytes\n"
)
if (isV6) {
val v6Packet = IpV6Packet.newPacket(packet, 0, packet.size)
println(v6Packet)
(v6Packet.payload as? IcmpV6CommonPacket)?.let { icmpV6Common ->
(icmpV6Common.payload as? IcmpV6EchoRequestPacket)?.let { request ->
val reply = IpV6Packet.Builder()
.version(IpVersion.IPV6)
.trafficClass(IpV6SimpleTrafficClass.newInstance(0x00))
.flowLabel(IpV6SimpleFlowLabel.newInstance(0))
.srcAddr(v6Packet.header.dstAddr)
.dstAddr(v6Packet.header.srcAddr)
.nextHeader(IpNumber.ICMPV6)
.hopLimit(127)
.correctLengthAtBuild(true)
.payloadBuilder(
IcmpV6CommonPacket.Builder()
.srcAddr(v6Packet.header.dstAddr)
.dstAddr(v6Packet.header.srcAddr)
.type(IcmpV6Type.ECHO_REPLY)
.code(IcmpV6Code.NO_CODE)
.correctChecksumAtBuild(true)
.payloadBuilder(
IcmpV6EchoReplyPacket.Builder()
.identifier(request.header.identifier)
.sequenceNumber(request.header.sequenceNumber)
.payloadBuilder(request.payload.builder)
)
)
.build()
println("Reply: \n$reply")
session.writePacket(reply.rawData)
}
}
} else {
val v4Packet = IpV4Packet.newPacket(packet, 0, packet.size)
println(v4Packet)
}
}程序运行起来之后ping 0020::300，效果如下：
关于完整的程序和这个库，可以在GitHub上找到。
-全文完-
【代码札记】使用JNA在Windows上创建并操作TUN设备 由 天空 Blond 采用 知识共享 署名 - 非商业性使用 - 相同方式共享 4.0 国际 许可协议进行许可。
本许可协议授权之外的使用权限可以从 https://skyblond.info/about.html 处获得。