Linux netlink：用户态进程与内核态进程通信

Netlink套接字

实现用户进程与内核进程通信的一种特殊的进程间通信(IPC) ,也是网络应用程序与内核通信的最常用的接口。

在Linux 内核中，使用netlink 进行应用与内核通信的应用有很多，如

路由 daemon（NETLINK_ROUTE）
用户态 socket 协议（NETLINK_USERSOCK）
防火墙（NETLINK_FIREWALL）
netfilter 子系统（NETLINK_NETFILTER）
内核事件向用户态通知（NETLINK_KOBJECT_UEVENT）
通用netlink（NETLINK_GENERIC）
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Netlink 是一种在内核与用户应用间进行双向数据传输的非常好的方式，用户态应用使用标准的 socket API 就可以使用 netlink 提供的强大功能，内核态需要使用专门的内核 API 来使用 netlink。

一般来说用户空间和内核空间的通信方式有三种：/proc、ioctl、Netlink。而前两种都是单向的，而Netlink可以实现双工通信。

Netlink 相对于系统调用，ioctl 以及 /proc文件系统而言，具有以下优点：

1、netlink使用简单

只需要在include/linux/netlink.h中增加一个新类型的 netlink 协议定义即可,
(如 #define NETLINK_TEST 20 然后，内核和用户态应用就可以立即通过 socket API 使用该
 netlink 协议类型进行数据交换)

2、netlink是一种异步通信机制，在内核与用户态应用之间传递的消息保存在socket缓存队列中，
发送消息只是把消息保存在接收者的socket的接收队列，而不需要等待接收者收到消息

3、netlink 的内核部分可采用模块的方式实现，使用 netlink 的应用部分和内核部分没有编译时依赖

4、netlink 支持多播

内核模块或应用可以把消息多播给一个netlink组，属于该neilink 组的任何内核模块或应用都能接收到该消息，
内核事件向用户态的通知机制就使用了这一特性

5、内核可以使用 netlink 首先发起会话

Netlink协议基于BSD socket和AF_NETLINK地址簇，使用32位的端口号寻址，
每个Netlink协议通常与一个或一组内核服务/组件相关联，
如NETLINK_ROUTE用于获取和设置路由与链路信息、NETLINK_KOBJECT_UEVENT用于内核向用户空间的udev进程发送通知等。
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用户态数据结构

用户态应用使用标准的 socket API有sendto()，recvfrom(), sendmsg(), recvmsg()。

Netlink通信跟常用UDP Socket通信类似，struct sockaddr_nl是netlink通信地址，跟普通socket struct sockaddr_in类似。

1、struct sockaddr_nl结构：

struct sockaddr_nl {
     __kernel_sa_family_t    nl_family;  /* AF_NETLINK （跟AF_INET对应）*/
     unsigned short  nl_pad;     /* zero */
     __u32       nl_pid;     /* port ID  （通信端口号）*/
     __u32       nl_groups;  /* multicast groups mask */
};
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2、struct nlmsghd 结构：

/* struct nlmsghd 是netlink消息头*/
struct nlmsghdr {   
    __u32       nlmsg_len;  /* Length of message including header */
    __u16       nlmsg_type; /* Message content */
    __u16       nlmsg_flags;    /* Additional flags */ 
    __u32       nlmsg_seq;  /* Sequence number */
    __u32       nlmsg_pid;  /* Sending process port ID */
};

nlmsg_type：消息状态，内核在include/uapi/linux/netlink.h中定义了以下4种通用的消息类型，它们分别是：
#define NLMSG_NOOP      0x1 /* Nothing.     */
#define NLMSG_ERROR     0x2 /* Error        */
#define NLMSG_DONE      0x3 /* End of a dump    */
#define NLMSG_OVERRUN       0x4 /* Data lost        */
#define NLMSG_MIN_TYPE      0x10    /* < 0x10: reserved control messages */
nlmsg_flags：消息标记，它们用以表示消息的类型，如下
/* Flags values */
#define NLM_F_REQUEST       1   /* It is request message.   */
#define NLM_F_MULTI     2   /* Multipart message, terminated by NLMSG_DONE */
#define NLM_F_ACK       4   /* Reply with ack, with zero or error code */
#define NLM_F_ECHO      8   /* Echo this request        */
#define NLM_F_DUMP_INTR     16  /* Dump was inconsistent due to sequence change */

/* Modifiers to GET request */
#define NLM_F_ROOT  0x100   /* specify tree root    */
#define NLM_F_MATCH 0x200   /* return all matching  */
#define NLM_F_ATOMIC    0x400   /* atomic GET       */
#define NLM_F_DUMP  (NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH)

/* Modifiers to NEW request */
#define NLM_F_REPLACE   0x100   /* Override existing        */
#define NLM_F_EXCL  0x200   /* Do not touch, if it exists   */
#define NLM_F_CREATE    0x400   /* Create, if it does not exist */
#define NLM_F_APPEND    0x800   /* Add to end of list       */
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3、struct msghdr 结构体

struct iovec {                    /* Scatter/gather array items */
     void  *iov_base;              /* Starting address */
     size_t iov_len;               /* Number of bytes to transfer */
 };
  /* iov_base: iov_base指向数据包缓冲区，即参数buff，iov_len是buff的长度。msghdr中允许一次传递多个buff，以数组的形式组织在 msg_iov中，msg_iovlen就记录数组的长度 （即有多少个buff）  */
 struct msghdr {
     void         *msg_name;       /* optional address */
     socklen_t     msg_namelen;    /* size of address */
     struct iovec *msg_iov;        /* scatter/gather array */
     size_t        msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */
     void         *msg_control;    /* ancillary data, see below */
     size_t        msg_controllen; /* ancillary data buffer len */
     int           msg_flags;      /* flags on received message */
 };
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netlink 内核数据结构

1、netlink消息类型：

#define NETLINK_ROUTE       0   /* Routing/device hook              */
#define NETLINK_UNUSED      1   /* Unused number                */
#define NETLINK_USERSOCK    2   /* Reserved for user mode socket protocols  */
#define NETLINK_FIREWALL    3   /* Unused number, formerly ip_queue     */
#define NETLINK_SOCK_DIAG   4   /* socket monitoring                */
#define NETLINK_NFLOG       5   /* netfilter/iptables ULOG */
#define NETLINK_XFRM        6   /* ipsec */
#define NETLINK_SELINUX     7   /* SELinux event notifications */
#define NETLINK_ISCSI       8   /* Open-iSCSI */
#define NETLINK_AUDIT       9   /* auditing */
#define NETLINK_FIB_LOOKUP  10  
#define NETLINK_CONNECTOR   11
#define NETLINK_NETFILTER   12  /* netfilter subsystem */
#define NETLINK_IP6_FW      13
#define NETLINK_DNRTMSG     14  /* DECnet routing messages */
#define NETLINK_KOBJECT_UEVENT  15  /* Kernel messages to userspace */
#define NETLINK_GENERIC     16
/* leave room for NETLINK_DM (DM Events) */
#define NETLINK_SCSITRANSPORT   18  /* SCSI Transports */
#define NETLINK_ECRYPTFS    19
#define NETLINK_RDMA        20
#define NETLINK_CRYPTO      21  /* Crypto layer */

#define NETLINK_INET_DIAG   NETLINK_SOCK_DIAG

#define MAX_LINKS 32
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2、netlink常用宏：

#define NLMSG_ALIGNTO   4U
/* 宏NLMSG_ALIGN(len)用于得到不小于len且字节对齐的最小数值 */
#define NLMSG_ALIGN(len) ( ((len)+NLMSG_ALIGNTO-1) & ~(NLMSG_ALIGNTO-1) )

/* Netlink 头部长度 */
#define NLMSG_HDRLEN     ((int) NLMSG_ALIGN(sizeof(struct nlmsghdr)))

/* 计算消息数据len的真实消息长度（消息体 +　消息头）*/
#define NLMSG_LENGTH(len) ((len) + NLMSG_HDRLEN)

/* 宏NLMSG_SPACE(len)返回不小于NLMSG_LENGTH(len)且字节对齐的最小数值 */
#define NLMSG_SPACE(len) NLMSG_ALIGN(NLMSG_LENGTH(len))

/* 宏NLMSG_DATA(nlh)用于取得消息的数据部分的首地址，设置和读取消息数据部分时需要使用该宏 */
#define NLMSG_DATA(nlh)  ((void*)(((char*)nlh) + NLMSG_LENGTH(0)))

/* 宏NLMSG_NEXT(nlh,len)用于得到下一个消息的首地址, 同时len 变为剩余消息的长度 */
#define NLMSG_NEXT(nlh,len)  ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \
                  (struct nlmsghdr*)(((char*)(nlh)) + NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len)))

/* 判断消息是否 >len */
#define NLMSG_OK(nlh,len) ((len) >= (int)sizeof(struct nlmsghdr) && \
               (nlh)->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) && \
               (nlh)->nlmsg_len <= (len))

/* NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) 用于返回payload的长度*/
#define NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) ((nlh)->nlmsg_len - NLMSG_SPACE((len)))
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3、netlink 内核常用函数

netlink_kernel_create内核函数用于创建内核socket与用户态通信

static inline struct sock *
netlink_kernel_create(struct net *net, int unit, struct netlink_kernel_cfg *cfg)
/* net: net指向所在的网络命名空间, 一般默认传入的是&init_net(不需要定义);  定义在net_namespace.c(extern struct net init_net);
   unit：netlink协议类型
   cfg： cfg存放的是netlink内核配置参数（如下）
*/

/* optional Netlink kernel configuration parameters */
struct netlink_kernel_cfg {
    unsigned int    groups;  
    unsigned int    flags;  
    void        (*input)(struct sk_buff *skb); /* input 回调函数 */
    struct mutex    *cb_mutex; 
    void        (*bind)(int group); 
    bool        (*compare)(struct net *net, struct sock *sk);
};
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4、单播netlink_unicast() 和 多播netlink_broadcast()

/* 发送单播消息 */
extern int netlink_unicast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, __u32 portid, int nonblock);
/*
 ssk: netlink socket 
 skb: skb buff 指针
 portid： 通信的端口号
 nonblock：表示该函数是否为非阻塞，如果为1，该函数将在没有接收缓存可利用时立即返回，而如果为0，该函数在没有接收缓存可利用定时睡眠
*/

/* 发送多播消息 */
extern int netlink_broadcast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, __u32 portid,
                 __u32 group, gfp_t allocation);
/* 
   ssk: 同上（对应netlink_kernel_create 返回值）、
   skb: 内核skb buff
   portid： 端口id
   group: 是所有目标多播组对应掩码的"OR"操作的合值。
   allocation: 指定内核内存分配方式，通常GFP_ATOMIC用于中断上下文，而GFP_KERNEL用于其他场合。这个参数的存在是因为该API可能需要分配一个或多个缓冲区来对多播消息进行clone
*/
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netlink example

用户态程序: （sendto()， recvfrom()）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define NETLINK_TEST    30
#define MSG_LEN            125
#define MAX_PLOAD        125

typedef struct _user_msg_info
{
    struct nlmsghdr hdr;
    char  msg[MSG_LEN];
} user_msg_info;

int main(int argc, char **argv)
{
    int skfd;
    int ret;
    user_msg_info u_info;
    socklen_t len;
    struct nlmsghdr *nlh = NULL;
    struct sockaddr_nl saddr, daddr;
    char *umsg = "hello netlink!!";

    /* 创建NETLINK socket */
    skfd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);
    if(skfd == -1)
    {
        perror("create socket error\n");
        return -1;
    }

    memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
    saddr.nl_family = AF_NETLINK; //AF_NETLINK
    saddr.nl_pid = 100;  //端口号(port ID) 
    saddr.nl_groups = 0;
    if(bind(skfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)) != 0)
    {
        perror("bind() error\n");
        close(skfd);
        return -1;
    }

    memset(&daddr, 0, sizeof(daddr));
    daddr.nl_family = AF_NETLINK;
    daddr.nl_pid = 0; // to kernel 
    daddr.nl_groups = 0;

    nlh = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PLOAD));
    memset(nlh, 0, sizeof(struct nlmsghdr));
    nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PLOAD);
    nlh->nlmsg_flags = 0;
    nlh->nlmsg_type = 0;
    nlh->nlmsg_seq = 0;
    nlh->nlmsg_pid = saddr.nl_pid; //self port

    memcpy(NLMSG_DATA(nlh), umsg, strlen(umsg));
    ret = sendto(skfd, nlh, nlh->nlmsg_len, 0, (struct sockaddr *)&daddr, sizeof(struct sockaddr_nl));
    if(!ret)
    {
        perror("sendto error\n");
        close(skfd);
        exit(-1);
    }
    printf("send kernel:%s\n", umsg);

    memset(&u_info, 0, sizeof(u_info));
    len = sizeof(struct sockaddr_nl);
    ret = recvfrom(skfd, &u_info, sizeof(user_msg_info), 0, (struct sockaddr *)&daddr, &len);
    if(!ret)
    {
        perror("recv form kernel error\n");
        close(skfd);
        exit(-1);
    }

    printf("from kernel:%s\n", u_info.msg);
    close(skfd);

    free((void *)nlh);
    return 0;
}
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Netlink 内核模块代码

下面代码中这里的这里是关键，注册了回调函数来响应消息
struct netlink_kernel_cfg cfg = {
.input = netlink_rcv_msg, /* set recv callback */
};

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define NETLINK_TEST     30
#define MSG_LEN            125
#define USER_PORT        100

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zhangwj");
MODULE_DESCRIPTION("netlink example");

struct sock *nlsk = NULL;
extern struct net init_net;

int send_usrmsg(char *pbuf, uint16_t len)
{
    struct sk_buff *nl_skb;
    struct nlmsghdr *nlh;

    int ret;

    /* 创建sk_buff 空间 */
    nl_skb = nlmsg_new(len, GFP_ATOMIC);
    if(!nl_skb)
    {
        printk("netlink alloc failure\n");
        return -1;
    }

    /* 设置netlink消息头部 */
    nlh = nlmsg_put(nl_skb, 0, 0, NETLINK_TEST, len, 0);
    if(nlh == NULL)
    {
        printk("nlmsg_put failaure \n");
        nlmsg_free(nl_skb);
        return -1;
    }

    /* 拷贝数据发送 */
    memcpy(nlmsg_data(nlh), pbuf, len);
    ret = netlink_unicast(nlsk, nl_skb, USER_PORT, MSG_DONTWAIT);

    return ret;
}

static void netlink_rcv_msg(struct sk_buff *skb)
{
    struct nlmsghdr *nlh = NULL;
    char *umsg = NULL;
    char *kmsg = "hello users!!!";

    if(skb->len >= nlmsg_total_size(0))
    {
        nlh = nlmsg_hdr(skb);
        umsg = NLMSG_DATA(nlh);
        if(umsg)
        {
            printk("kernel recv from user: %s\n", umsg);
            send_usrmsg(kmsg, strlen(kmsg));
        }
    }
}

struct netlink_kernel_cfg cfg = { 
        .input  = netlink_rcv_msg, /* set recv callback */
};  

int test_netlink_init(void)
{
    /* create netlink socket */
    nlsk = (struct sock *)netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_TEST, &cfg);
    if(nlsk == NULL)
    {   
        printk("netlink_kernel_create error !\n");
        return -1; 
    }   
    printk("test_netlink_init\n");
    
    return 0;
}

void test_netlink_exit(void)
{
    if (nlsk){
        netlink_kernel_release(nlsk); /* release ..*/
        nlsk = NULL;
    }   
    printk("test_netlink_exit!\n");
}

module_init(test_netlink_init);
module_exit(test_netlink_exit);
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Makeflie

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#Desgin of Netlink
#

MODULE_NAME :=netlink_test
obj-m :=$(MODULE_NAME).o

KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

all:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD)

clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean
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运行结果:

记得首先将编译出来的Netlink内核模块插入到系统当中（insmod netlink_test.ko），然后运行应用程序，可以看到如下输出：

# 应用程序打印
send kernel:hello netlink!!
from kernel:hello users!!!
# 内核打印 
[25024.276345] test_netlink_init
[25117.548350] kernel recv from user: hello netlink!!
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