什么是Netlink通信機(jī)制

一：什么是Netlink通信機(jī)制

Netlink是linux提供的用于內(nèi)核和用戶態(tài)進(jìn)程之間的通信方式。

但是注意雖然Netlink主要用于用戶空間和內(nèi)核空間的通信，但是也能用于用戶空間的兩個進(jìn)程通信。只是進(jìn)程間通信有其他很多方式，一般不用Netlink。除非需要用到Netlink的廣播特性時。

那么Netlink有什么優(yōu)勢呢？

一般來說用戶空間和內(nèi)核空間的通信方式有三種：/proc、ioctl、Netlink。而前兩種都是單向的，但是Netlink可以實(shí)現(xiàn)雙工通信。

Netlink協(xié)議基于BSD socket和AF_NETLINK地址簇(address family)，使用32位的端口號尋址(以前稱作PID)，每個Netlink協(xié)議(或稱作總線，man手冊中則稱之為netlink family)，通常與一個或一組內(nèi)核服務(wù)/組件相關(guān)聯(lián)，如NETLINK_ROUTE用于獲取和設(shè)置路由與鏈路信息、NETLINK_KOBJECT_UEVENT用于內(nèi)核向用戶空間的udev進(jìn)程發(fā)送通知等。

netlink具有以下特點(diǎn)：

① 支持全雙工、異步通信(當(dāng)然同步也支持)

② 用戶空間可使用標(biāo)準(zhǔn)的BSD socket接口(但netlink并沒有屏蔽掉協(xié)議包的構(gòu)造與解析過程，推薦使用libnl等第三方庫)

③ 在內(nèi)核空間使用專用的內(nèi)核API接口

④ 支持多播(因此支持“總線”式通信，可實(shí)現(xiàn)消息訂閱)

⑤ 在內(nèi)核端可用于進(jìn)程上下文與中斷上下文

二：用戶態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

首先看一下幾個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

1.struct msghdr

msghdr這個結(jié)構(gòu)在socket變成中就會用到，并不算Netlink專有的，這里不在過多說明。只說明一下如何更好理解這個結(jié)構(gòu)的功能。我們知道socket消息的發(fā)送和接收函數(shù)一般有這幾對：recv／send、readv／writev、recvfrom／sendto。當(dāng)然還有recvmsg／sendmsg，前面三對函數(shù)各有各的特點(diǎn)功能，而recvmsg／sendmsg就是要囊括前面三對的所有功能，當(dāng)然還有自己特殊的用途。msghdr的前兩個成員就是為了滿足recvfrom／sendto的功能，中間兩個成員msg_iov和msg_iovlen則是為了滿足readv／writev的功能，而最后的msg_flags則是為了滿足recv／send中flag的功能，剩下的msg_control和msg_controllen則是滿足recvmsg／sendmsg特有的功能。

2.struct sockaddr_ln

struct sockaddr_ln為Netlink的地址，和我們通常socket編程中的sockaddr_in作用一樣，他們的結(jié)構(gòu)對比如下：

struct sockaddr_nl的詳細(xì)定義和描述如下：

(1) nl_pid：在Netlink規(guī)范里，PID全稱是Port-ID(32bits)，其主要作用是用于唯一的標(biāo)識一個基于netlink的socket通道。通常情況下nl_pid都設(shè)置為當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程號。前面我們也說過，Netlink不僅可以實(shí)現(xiàn)用戶-內(nèi)核空間的通信還可使現(xiàn)實(shí)用戶空間兩個進(jìn)程之間，或內(nèi)核空間兩個進(jìn)程之間的通信。該屬性為0時一般指內(nèi)核。

(2) nl_groups：如果用戶空間的進(jìn)程希望加入某個多播組，則必須執(zhí)行bind()系統(tǒng)調(diào)用。該字段指明了調(diào)用者希望加入的多播組號的掩碼(注意不是組號，后面我們會詳細(xì)講解這個字段)。如果該字段為0則表示調(diào)用者不希望加入任何多播組。對于每個隸屬于Netlink協(xié)議域的協(xié)議，最多可支持32個多播組(因?yàn)閚l_groups的長度為32比特)，每個多播組用一個比特來表示。

3.struct nlmsghdr

Netlink的報文由消息頭和消息體構(gòu)成，struct nlmsghdr即為消息頭。消息頭定義在文件里，由結(jié)構(gòu)體nlmsghdr表示：

消息頭中各成員屬性的解釋及說明：

(1) nlmsg_len：整個消息的長度，按字節(jié)計算。包括了Netlink消息頭本身。

(2) nlmsg_type：消息的類型，即是數(shù)據(jù)還是控制消息。目前(內(nèi)核版本2.6.21)Netlink僅支持四種類型的控制消息，如下：

a) NLMSG_NOOP-空消息，什么也不做；

b) NLMSG_ERROR-指明該消息中包含一個錯誤；

c) NLMSG_DONE-如果內(nèi)核通過Netlink隊(duì)列返回了多個消息，那么隊(duì)列的最后一條消息的類型為NLMSG_DONE，其余所有消息的nlmsg_flags屬性都被設(shè)置NLM_F_MULTI位有效。

d) NLMSG_OVERRUN-暫時沒用到。

(3) nlmsg_flags：附加在消息上的額外說明信息，如上面提到的NLM_F_MULTI。

三：用戶空間Netlink socket API

1.創(chuàng)建socket

int socket(int domain, int type, int protocol)

domain指代地址族,即AF_NETLINK;

套接字類型為SOCK_RAW或SOCK_DGRAM,因?yàn)閚etlink是一個面向數(shù)據(jù)報的服務(wù);

protocol選擇該套接字使用哪種netlink特征。

以下是幾種預(yù)定義的協(xié)議類型:

NETLINK_ROUTE,

NETLINK_FIREWALL,

NETLINK_APRD,

NETLINK_ROUTE6_FW。

可以非常容易的添加自己的netlink協(xié)議。

為每一個協(xié)議類型最多可以定義32個多播組。

每一個多播組用一個bitmask來表示,1<

2.地址綁定bind()

bind(fd, (struct sockaddr*)&, nladdr, sizeof(nladdr));

3.發(fā)送netlink消息

為了發(fā)送一條netlink消息到內(nèi)核或者其他的用戶空間進(jìn)程,另外一個struct sockaddr_nl nladdr需要作為目的地址,這和使用sendmsg()發(fā)送一個UDP包是一樣的。

如果該消息是發(fā)送至內(nèi)核的,那么nl_pid和nl_groups都置為0.

如果消息是發(fā)送給另一個進(jìn)程的單播消息,nl_pid是另外一個進(jìn)程的pid值而nl_groups為零。

如果消息是發(fā)送給一個或多個多播組的多播消息,所有的目的多播組必須bitmask必須or起來從而形成nl_groups域。

sendmsg(fd, &, msg, 0);

4.接收netlink消息

一個接收程序必須分配一個足夠大的內(nèi)存用于保存netlink消息頭和消息負(fù)載。然后其填充struct msghdr msg,再使用標(biāo)準(zhǔn)的recvmsg()函數(shù)來接收netlink消息。

當(dāng)消息被正確的接收之后,nlh應(yīng)該指向剛剛接收到的netlink消息的頭。nladdr應(yīng)該包含接收消息的目的地址,其中包括了消息發(fā)送者的pid和多播組。同時,宏NLMSG_DATA(nlh),定義在netlink.h中,返回一個指向netlink消息負(fù)載的指針。調(diào)用close(fd)關(guān)閉fd描述符所標(biāo)識的socket

recvmsg(fd, &, msg, 0);

四：內(nèi)核空間Netlink socket API

1.創(chuàng)建 netlink socket

參數(shù)說明：

(1) net：是一個網(wǎng)絡(luò)名字空間namespace，在不同的名字空間里面可以有自己的轉(zhuǎn)發(fā)信息庫，有自己的一套net_device等等。默認(rèn)情況下都是使用 init_net這個全局變量。

(2) unit：表示netlink協(xié)議類型，如NETLINK_TEST、NETLINK_SELINUX。

(3) groups：多播地址。

(4) input：為內(nèi)核模塊定義的netlink消息處理函數(shù)，當(dāng)有消 息到達(dá)這個netlink socket時，該input函數(shù)指針就會被引用，且只有此函數(shù)返回時，調(diào)用者的sendmsg才能返回。

(5) cb_mutex：為訪問數(shù)據(jù)時的互斥信號量。

(6) module：一般為THIS_MODULE。

2.發(fā)送單播消息 netlink_unicast

參數(shù)說明：

(1) ssk：為函數(shù) netlink_kernel_create()返回的socket。

(2) skb：存放消息，它的data字段指向要發(fā)送的netlink消息結(jié)構(gòu)，而 skb的控制塊保存了消息的地址信息，宏NETLINK_CB(skb)就用于方便設(shè)置該控制塊。

(3) pid：為接收此消息進(jìn)程的pid，即目標(biāo)地址，如果目標(biāo)為組或內(nèi)核，它設(shè)置為 0。

(4) nonblock：表示該函數(shù)是否為非阻塞，如果為1，該函數(shù)將在沒有接收緩存可利用時立即返回；而如果為0，該函數(shù)在沒有接收緩存可利用定時睡眠。

3.發(fā)送廣播消息 netlink_broadcast

前面的三個參數(shù)與 netlink_unicast相同，參數(shù)group為接收消息的多播組，該參數(shù)的每一個位代表一個多播組，因此如果發(fā)送給多個多播組，就把該參數(shù)設(shè)置為多個多播組組ID的位或。參數(shù)allocation為內(nèi)核內(nèi)存分配類型，一般地為GFP_ATOMIC或GFP_KERNEL，GFP_ATOMIC用于原子的上下文（即不可以睡眠），而GFP_KERNEL用于非原子上下文。

4.釋放 netlink socket

五：用戶態(tài)范例一

上面程序首先向內(nèi)核發(fā)送一條消息；“Hello you”，然后進(jìn)入循環(huán)一直等待讀取內(nèi)核的回復(fù)，并將收到的回復(fù)打印出來。如果看上面程序感覺很吃力，那么應(yīng)該首先復(fù)習(xí)一下UDP中使用sendmsg的用法，特別時struct msghdr的結(jié)構(gòu)要清楚，這里再贅述。下面主要分析與UDP發(fā)送數(shù)據(jù)包的不同點(diǎn)：

1. socket地址結(jié)構(gòu)不同，UDP為sockaddr_in，Netlink為struct sockaddr_nl；
2. 與UDP發(fā)送數(shù)據(jù)相比，Netlink多了一個消息頭結(jié)構(gòu)struct nlmsghdr需要我們構(gòu)造。

注意代碼注釋中的A、B、C三處分別設(shè)置了pid。首先解釋一下什么是pid，網(wǎng)上很多文章把這個字段說成是進(jìn)程的pid，其實(shí)這完全是望文生義。這里的pid和進(jìn)程pid沒有什么關(guān)系，僅僅相當(dāng)于UDP的port。對于UDP來說port和ip標(biāo)示一個地址，那對我們的NETLINK_TEST協(xié)議（注意Netlink本身不是一個協(xié)議）來說，pid就唯一標(biāo)示了一個地址。所以你如果用進(jìn)程pid做為標(biāo)示當(dāng)然也是可以的。當(dāng)然同樣的pid對于NETLINK_TEST協(xié)議和內(nèi)核定義的其他使用Netlink的協(xié)議是不沖突的（就像TCP的80端口和UDP的80端口）。

下面分析這三處設(shè)置pid分別有什么作用，首先A和B位置的比較好理解，這是在地址（sockaddr_nl）上進(jìn)行的設(shè)置，就是相當(dāng)于設(shè)置源地址和目的地址（其實(shí)是端口），只是注意B處設(shè)置pid為0，0就代表是內(nèi)核，可以理解為內(nèi)核專用的pid，那么用戶進(jìn)程就不能用0做為自己的pid嗎？這個只能說如果你非要用也是可以的，只是會產(chǎn)生一些問題，后面在分析。

接下來看為什么C處的消息頭仍然需要設(shè)置pid呢？這里首先要知道一個前提：內(nèi)核不會像UDP一樣根據(jù)我們設(shè)置的原、目的地址為我們構(gòu)造消息頭，所以我們不在包頭寫入我們自己的地址（pid），那內(nèi)核怎么知道是誰發(fā)來的報文呢？當(dāng)然如果內(nèi)核只是處理消息不需要回復(fù)進(jìn)程的話舍不設(shè)置這個消息頭pid都可以。

所以每個pid的設(shè)置功能不同：A處的設(shè)置是要設(shè)置發(fā)送者的源地址，有人會說既然源地址又不會自動填充到報文中，我們?yōu)槭裁催€要設(shè)置這個，因?yàn)槟氵€可能要接收回復(fù)啊。就像寄信，你連“門牌號”都沒有，即使你在寫信時候?qū)懮夏愕牡刂肥?00號，對方回信目的地址也是100號，但是郵局發(fā)現(xiàn)根本沒有這個地址怎么可能把信送到你手里呢？所以A的主要作用是注冊源地址，保證可以收到回復(fù)，如果不需要回復(fù)當(dāng)然可以簡單將pid設(shè)置為0；B處自然就是收信人的地址，pid為0代表內(nèi)核的地址，假如有一個進(jìn)程在101號上注冊了地址，并調(diào)用了recvmsg，如果你將B處的pid設(shè)置為101，那數(shù)據(jù)包就發(fā)給了另一個進(jìn)程，這就實(shí)現(xiàn)了使用Netlink進(jìn)行進(jìn)程間通信；C相當(dāng)于你在信封上寫的源地址，通常情況下這個應(yīng)該和你的真實(shí)地址（A）處注冊的源地址相同，當(dāng)然你要是不想收到回信，又想惡搞一下或者有特殊需求，你可以寫成其他進(jìn)程注冊的pid（比如101）。這和我們現(xiàn)實(shí)中寄信是一樣的，你給你朋友寫封情書，把寫信人寫成你的另一個好基友，然后后果你懂得……

好了，有了這個例子我們就大概知道用戶態(tài)怎么使用Netlink了。

六：內(nèi)核態(tài)程序范例一

附上內(nèi)核代碼的Makefile文件：

我們將內(nèi)核模塊insmod后，運(yùn)行用戶態(tài)程序，結(jié)果如下：

這個結(jié)果復(fù)合我們的預(yù)期，但是運(yùn)行過程中打印出“state_smg”卡了好久才輸出了后面的結(jié)果。這時候查看客戶進(jìn)程是處于D狀態(tài)的（不了解D狀態(tài)的同學(xué)可以google一下）。這是為什么呢？因?yàn)檫M(jìn)程使用Netlink向內(nèi)核發(fā)數(shù)據(jù)是同步，內(nèi)核向進(jìn)程發(fā)數(shù)據(jù)是異步。什么意思呢？也就是用戶進(jìn)程調(diào)用sendmsg發(fā)送消息后，內(nèi)核會調(diào)用相應(yīng)的接收函數(shù)，但是一定到這個接收函數(shù)執(zhí)行完用戶態(tài)的sendmsg才能夠返回。我們在內(nèi)核態(tài)的接收函數(shù)中調(diào)用了10次回發(fā)函數(shù)，每次都等待3秒鐘，所以內(nèi)核接收函數(shù)30秒后才返回，所以我們用戶態(tài)程序的sendmsg也要等30秒后才返回。相反，內(nèi)核回發(fā)的數(shù)據(jù)不用等待用戶程序接收，這是因?yàn)閮?nèi)核所發(fā)的數(shù)據(jù)會暫時存放在一個隊(duì)列中。

再來回到之前的一個問題，用戶態(tài)程序的源地址（pid）可以用0嗎？我把上面的用戶程序的A和C處pid都改為了0，結(jié)果一運(yùn)行就死機(jī)了。為什么呢？我們看一下內(nèi)核代碼的邏輯，收到用戶消息后，根據(jù)消息中的pid發(fā)送回去，而pid為0，內(nèi)核并不認(rèn)為這是用戶程序，認(rèn)為是自身，所有又將回發(fā)的10個消息發(fā)給了自己（內(nèi)核），這樣就陷入了一個死循環(huán)，而用戶態(tài)這時候進(jìn)程一直處于D。

另外一個問題，如果同時啟動兩個用戶進(jìn)程會是什么情況？答案是再調(diào)用bind時出錯：“Address already in use”，這個同UDP一樣，同一個地址同一個port如果沒有設(shè)置SO_REUSEADDR兩次bind就會出錯，之后我用同樣的方式再Netlink的socket上設(shè)置了SO_REUSEADDR，但是并沒有什么效果。

七：用戶態(tài)范例二

之前我們說過UDP可以使用sendmsg／recvmsg也可以使用sendto／recvfrom，那么Netlink同樣也可以使用sendto／recvfrom。具體實(shí)現(xiàn)如下：

熟悉UDP編程的同學(xué)看到這個程序一定很熟悉，除了多了一個Netlink消息頭的設(shè)置。但是我們發(fā)現(xiàn)程序中調(diào)用了bind函數(shù)，這個函數(shù)再UDP編程中的客戶端不是必須的，因?yàn)槲覀儾恍枰裊DP socket與某個地址關(guān)聯(lián)，同時再發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包時內(nèi)核會為我們分配一個隨即的端口。但是對于Netlink必須要有這一步bind，因?yàn)镹etlink內(nèi)核可不會為我們分配一個pid。再強(qiáng)調(diào)一遍消息頭（nlmsghdr）中的pid是告訴內(nèi)核接收端要回復(fù)的地址，但是這個地址存不存在內(nèi)核并不關(guān)心，這個地址只有用戶端調(diào)用了bind后才存在。

我們看到這兩個例子都是用戶態(tài)首先發(fā)起的，那Netlink是否支持內(nèi)核態(tài)主動發(fā)起的情況呢？

當(dāng)然是可以的，只是內(nèi)核一般需要事件觸發(fā)，這里，只要和用戶態(tài)約定號一個地址（pid），內(nèi)核直接調(diào)用netlink_unicast就可以了。