linux用户空间与内核空间通信——Netlink通信机制【转】
转自：https://blog.csdn.net/zhao_h/article/details/80943226
一：什么是Netlink通信机制
Netlink是linux提供的用于内核和用户态进程之间的通信方式。
但是注意虽然Netlink主要用于用户空间和内核空间的通信，但是也能用于用户空间的两个进程通信。只是进程间通信有其他很多
方式，一般不用Netlink。除非需要用到Netlink的广播特性时。
那么Netlink有什么优势呢？
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，但是Netlink可以实现双工通信。
Netlink协议基于BSD socket和AF_NETLINK地址簇(address family)，使用32位的端口号寻址(以前称作PID)，每个Netlink协议
(或称作总线，man手册中则称之为netlink family)，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。
netlink具有以下特点：
① 支持全双工、异步通信(当然同步也支持)
② 用户空间可使用标准的BSD socket接口(但netlink并没有屏蔽掉协议包的构造与解析过程，推荐使用libnl等第三方库)
③ 在内核空间使用专用的内核API接口
④ 支持多播(因此支持“总线”式通信，可实现消息订阅)
⑤ 在内核端可用于进程上下文与中断上下文
二：用户态数据结构
首先看一下几个重要的数据结构的关系：
1.struct msghdr
msghdr这个结构在socket变成中就会用到，并不算Netlink专有的，这里不在过多说明。只说明一下如何更好理解这个结构的功能。我们
知道socket消息的发送和接收函数一般有这几对：recv／send、readv／writev、recvfrom／sendto。当然还有recvmsg／sendmsg，
前面三对函数各有各的特点功能，而recvmsg／sendmsg就是要囊括前面三对的所有功能，当然还有自己特殊的用途。msghdr的前两个
成员就是为了满足recvfrom／sendto的功能，中间两个成员msg_iov和msg_iovlen则是为了满足readv／writev的功能，而最后的
msg_flags则是为了满足recv／send中flag的功能，剩下的msg_control和msg_controllen则是满足recvmsg／sendmsg特有的功能。
2.struct sockaddr_ln
struct sockaddr_ln为Netlink的地址，和我们通常socket编程中的sockaddr_in作用一样，他们的结构对比如下：
struct sockaddr_nl的详细定义和描述如下：
-
struct sockaddr_nl
-
{
-
sa_family_t nl_family; /*该字段总是为AF_NETLINK */
-
unsigned short nl_pad; /* 目前未用到，填充为0*/
-
__u32 nl_pid; /* process pid */
-
__u32 nl_groups; /* multicast groups mask */
-
};
(1) nl_pid：在Netlink规范里，PID全称是Port-ID(32bits)，其主要作用是用于唯一的标识一个基于netlink的socket通道。通常
情况下nl_pid都设置为当前进程的进程号。前面我们也说过，Netlink不仅可以实现用户-内核空间的通信还可使现实用户空间两
个进程之间，或内核空间两个进程之间的通信。该属性为0时一般指内核。
(2) nl_groups：如果用户空间的进程希望加入某个多播组，则必须执行bind()系统调用。该字段指明了调用者希望加入的多播组
号的掩码(注意不是组号，后面我们会详细讲解这个字段)。如果该字段为0则表示调用者不希望加入任何多播组。对于每个隶属于
Netlink协议域的协议，最多可支持32个多播组(因为nl_groups的长度为32比特)，每个多播组用一个比特来表示。
3.struct nlmsghdr
Netlink的报文由消息头和消息体构成，struct nlmsghdr即为消息头。消息头定义在文件里，由结构体nlmsghdr表示：
-
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 PID */
-
};
消息头中各成员属性的解释及说明：
(1) nlmsg_len：整个消息的长度，按字节计算。包括了Netlink消息头本身。
(2) nlmsg_type：消息的类型，即是数据还是控制消息。目前(内核版本2.6.21)Netlink仅支持四种类型的控制消息，如下：
a) NLMSG_NOOP-空消息，什么也不做；
b) NLMSG_ERROR-指明该消息中包含一个错误；
c) NLMSG_DONE-如果内核通过Netlink队列返回了多个消息，那么队列的最后一条消息的类型为NLMSG_DONE，其余所有消息的nlmsg_flags属性都被设置NLM_F_MULTI位有效。
d) NLMSG_OVERRUN-暂时没用到。
(3) nlmsg_flags：附加在消息上的额外说明信息，如上面提到的NLM_F_MULTI。
三：用户空间Netlink socket API
1.创建socket
int socket(int domain, int type, int protocol)
domain指代地址族,即AF_NETLINK;
套接字类型为SOCK_RAW或SOCK_DGRAM,因为netlink是一个面向数据报的服务;
protocol选择该套接字使用哪种netlink特征。
以下是几种预定义的协议类型:
NETLINK_ROUTE,
NETLINK_FIREWALL,
NETLINK_APRD,
NETLINK_ROUTE6_FW。
可以非常容易的添加自己的netlink协议。
为每一个协议类型最多可以定义32个多播组。
每一个多播组用一个bitmask来表示,1<<i(0<=i<= 31),这在一组进程和内核进程协同完成一项任务时非常有用。发送多播
netlink消息可以减少系统调用的数量,同时减少用来维护多播组成员信息的负担。
2.地址绑定bind()
bind(fd, (struct sockaddr*)&, nladdr, sizeof(nladdr));
3.发送netlink消息
为了发送一条netlink消息到内核或者其他的用户空间进程,另外一个struct sockaddr_nl nladdr需要作为目的地址,这和使用
sendmsg()发送一个UDP包是一样的。
如果该消息是发送至内核的,那么nl_pid和nl_groups都置为0.
如果消息是发送给另一个进程的单播消息,nl_pid是另外一个进程的pid值而nl_groups为零。
如果消息是发送给一个或多个多播组的多播消息,所有的目的多播组必须bitmask必须or起来从而形成nl_groups域。
sendmsg(fd, &, msg, 0);
4.接收netlink消息
一个接收程序必须分配一个足够大的内存用于保存netlink消息头和消息负载。然后其填充struct msghdr msg,再使用标准的
recvmsg()函数来接收netlink消息。
当消息被正确的接收之后,nlh应该指向刚刚接收到的netlink消息的头。nladdr应该包含接收消息的目的地址,其中包括了消息发送
者的pid和多播组。同时,宏NLMSG_DATA(nlh),定义在netlink.h中,返回一个指向netlink消息负载的指针。调用close(fd)关闭fd
描述符所标识的socket。
recvmsg(fd, &, msg, 0);
四：内核空间Netlink socket API
1.创建 netlink socket
-
struct sock *netlink_kernel_create(struct net *net,
-
int unit,unsigned int groups,
-
void (*input)(struct sk_buff *skb),
-
struct mutex *cb_mutex,struct module *module);
参数说明：
(1) net：是一个网络名字空间namespace，在不同的名字空间里面可以有自己的转发信息库，有自己的一套net_device等等。
默认情况下都是使用 init_net这个全局变量。
(2) unit：表示netlink协议类型，如NETLINK_TEST、NETLINK_SELINUX。
(3) groups：多播地址。
(4) input：为内核模块定义的netlink消息处理函数，当有消 息到达这个netlink socket时，该input函数指针就会被引用，且只
有此函数返回时，调用者的sendmsg才能返回。
(5) cb_mutex：为访问数据时的互斥信号量。
(6) module： 一般为THIS_MODULE。
2.发送单播消息 netlink_unicast
int netlink_unicast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, int nonblock)参数说明：
(1) ssk：为函数 netlink_kernel_create()返回的socket。
(2) skb：存放消息，它的data字段指向要发送的netlink消息结构，而 skb的控制块保存了消息的地址信息，宏
NETLINK_CB(skb)就用于方便设置该控制块。
(3) pid：为接收此消息进程的pid，即目标地址，如果目标为组或内核，它设置为 0。
(4) 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。
3.发送广播消息 netlink_broadcast
-
int netlink_broadcast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, gfp_t allocation)
-
前面的三个参数与 netlink_unicast相同，参数group为接收消息的多播组，该参数的每一个位代表一个多播组，因此如果发送给
多个多播组，就把该参数设置为多个多播组组ID的位或。参数allocation为内核内存分配类型，一般地为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.释放 netlink socket
int netlink_broadcast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, gfp_t allocation)五：用户态范例一
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int main(int argc, char* argv[])
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{
-
int state;
-
struct sockaddr_nl src_addr, dest_addr;
-
struct nlmsghdr *nlh = NULL; //Netlink数据包头
-
struct iovec iov;
-
struct msghdr msg;
-
int sock_fd, retval;
-
int state_smg = 0;
-
// Create a socket
-
sock_fd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);
-
if(sock_fd == -1){
-
printf("error getting socket: %s", strerror(errno));
-
return -1;
-
}
-
// To prepare binding
-
memset(&src_addr, 0, sizeof(src_addr));
-
src_addr.nl_family = AF_NETLINK;
-
src_addr.nl_pid = 100; //A：设置源端端口号
-
src_addr.nl_groups = 0;
-
//Bind
-
retval = bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&src_addr, sizeof(src_addr));
-
if(retval < 0){
-
printf("bind failed: %s", strerror(errno));
-
close(sock_fd);
-
return -1;
-
}
-
// To orepare create mssage
-
nlh = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));
-
if(!nlh){
-
printf("malloc nlmsghdr error!\n");
-
close(sock_fd);
-
return -1;
-
}
-
memset(&dest_addr,0,sizeof(dest_addr));
-
dest_addr.nl_family = AF_NETLINK;
-
dest_addr.nl_pid = 0; //B：设置目的端口号
-
dest_addr.nl_groups = 0;
-
nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);
-
nlh->nlmsg_pid = 100; //C：设置源端口
-
nlh->nlmsg_flags = 0;
-
strcpy(NLMSG_DATA(nlh),"Hello you!"); //设置消息体
-
iov.iov_base = (void *)nlh;
-
iov.iov_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);
-
//Create mssage
-
memset(&msg, 0, sizeof(msg));
-
msg.msg_name = (void *)&dest_addr;
-
msg.msg_namelen = sizeof(dest_addr);
-
msg.msg_iov = &iov;
-
msg.msg_iovlen = 1;
-
//send message
-
printf("state_smg\n");
-
state_smg = sendmsg(sock_fd,&msg,0);
-
if(state_smg == -1)
-
{
-
printf("get error sendmsg = %s\n",strerror(errno));
-
}
-
memset(nlh,0,NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));
-
//receive message
-
printf("waiting received!\n");
-
while(1){
-
printf("In while recvmsg\n");
-
state = recvmsg(sock_fd, &msg, 0);
-
if(state<0)
-
{
-
printf("state<1");
-
}
-
printf("Received message: %s\n",(char *) NLMSG_DATA(nlh));
-
}
-
close(sock_fd);
-
return 0;
-
}
上面程序首先向内核发送一条消息；“Hello you”，然后进入循环一直等待读取内核的回复，并将收到的回复打印出来。如果
看上面程序感觉很吃力，那么应该首先复习一下UDP中使用sendmsg的用法，特别时struct msghdr的结构要清楚，这里再赘
述。下面主要分析与UDP发送数据包的不同点：
1. socket地址结构不同，UDP为sockaddr_in，Netlink为struct sockaddr_nl；
2. 与UDP发送数据相比，Netlink多了一个消息头结构struct nlmsghdr需要我们构造。
注意代码注释中的A、B、C三处分别设置了pid。首先解释一下什么是pid，网上很多文章把这个字段说成是进程的pid，其实这
完全是望文生义。这里的pid和进程pid没有什么关系，仅仅相当于UDP的port。对于UDP来说port和ip标示一个地址，那对我们
的NETLINK_TEST协议（注意Netlink本身不是一个协议）来说，pid就唯一标示了一个地址。所以你如果用进程pid做为标示当然
也是可以的。当然同样的pid对于NETLINK_TEST协议和内核定义的其他使用Netlink的协议是不冲突的（就像TCP的80端口和
UDP的80端口）。
下面分析这三处设置pid分别有什么作用，首先A和B位置的比较好理解，这是在地址（sockaddr_nl）上进行的设置，就是相当
于设置源地址和目的地址（其实是端口），只是注意B处设置pid为0，0就代表是内核，可以理解为内核专用的pid，那么用户进
程就不能用0做为自己的pid吗？这个只能说如果你非要用也是可以的，只是会产生一些问题，后面在分析。接下来看为什么C处
的消息头仍然需要设置pid呢？这里首先要知道一个前提：内核不会像UDP一样根据我们设置的原、目的地址为我们构造消息
头，所以我们不在包头写入我们自己的地址（pid），那内核怎么知道是谁发来的报文呢？当然如果内核只是处理消息不需要回
复进程的话舍不设置这个消息头pid都可以。
所以每个pid的设置功能不同：A处的设置是要设置发送者的源地址，有人会说既然源地址又不会自动填充到报文中，我们为什么
还要设置这个，因为你还可能要接收回复啊。就像寄信，你连“门牌号”都没有，即使你在写信时候写上你的地址是100号，对
方回信目的地址也是100号，但是邮局发现根本没有这个地址怎么可能把信送到你手里呢？所以A的主要作用是注册源地址，保证
可以收到回复，如果不需要回复当然可以简单将pid设置为0；B处自然就是收信人的地址，pid为0代表内核的地址，假如有一个
进程在101号上注册了地址，并调用了recvmsg，如果你将B处的pid设置为101，那数据包就发给了另一个进程，这就实现了使
用Netlink进行进程间通信；C相当于你在信封上写的源地址，通常情况下这个应该和你的真实地址（A）处注册的源地址相同，
当然你要是不想收到回信，又想恶搞一下或者有特殊需求，你可以写成其他进程注册的pid（比如101）。这和我们现实中寄信是
一样的，你给你朋友写封情书，把写信人写成你的另一个好基友，然后后果你懂得……
好了，有了这个例子我们就大概知道用户态怎么使用Netlink了。
六：内核态程序范例一
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-
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-
int stringlength(char *s);
-
int err;
-
struct sock *nl_sk = NULL;
-
int flag = 0;
-
//向用户态进程回发消息
-
void sendnlmsg(char *message, int pid)
-
{
-
struct sk_buff *skb_1;
-
struct nlmsghdr *nlh;
-
int len = NLMSG_SPACE(MAX_MSGSIZE);
-
int slen = 0;
-
if(!message || !nl_sk)
-
{
-
return ;
-
}
-
printk(KERN_ERR "pid:%d\n",pid);
-
skb_1 = alloc_skb(len,GFP_KERNEL);
-
if(!skb_1)
-
{
-
printk(KERN_ERR "my_net_link:alloc_skb error\n");
-
}
-
slen = stringlength(message);
-
nlh = nlmsg_put(skb_1,0,0,0,MAX_MSGSIZE,0);
-
NETLINK_CB(skb_1).pid = 0;
-
NETLINK_CB(skb_1).dst_group = 0;
-
message[slen]= '\0';
-
memcpy(NLMSG_DATA(nlh),message,slen+1);
-
printk("my_net_link:send message '%s'.\n",(char *)NLMSG_DATA(nlh));
-
netlink_unicast(nl_sk,skb_1,pid,MSG_DONTWAIT);
-
}
-
int stringlength(char *s)
-
{
-
int slen = 0;
-
for(; *s; s++)
-
{
-
slen++;
-
}
-
return slen;
-
}
-
//接收用户态发来的消息
-
void nl_data_ready(struct sk_buff *__skb)
-
{
-
struct sk_buff *skb;
-
struct nlmsghdr *nlh;
-
char str[100];
-
struct completion cmpl;
-
printk("begin data_ready\n");
-
int i=10;
-
int pid;
-
skb = skb_get (__skb);
-
if(skb->len >= NLMSG_SPACE(0))
-
{
-
nlh = nlmsg_hdr(skb);
-
memcpy(str, NLMSG_DATA(nlh), sizeof(str));
-
printk("Message received:%s\n",str) ;
-
pid = nlh->nlmsg_pid;
-
while(i--)
-
{//我们使用completion做延时，每3秒钟向用户态回发一个消息
-
init_completion(&cmpl);
-
wait_for_completion_timeout(&cmpl,3 * HZ);
-
sendnlmsg("I am from kernel!",pid);
-
}
-
flag = 1;
-
kfree_skb(skb);
-
}
-
}
-
// Initialize netlink
-
int netlink_init(void)
-
{
-
nl_sk = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_TEST, 1,
-
nl_data_ready, NULL, THIS_MODULE);
-
if(!nl_sk){
-
printk(KERN_ERR "my_net_link: create netlink socket error.\n");
-
return 1;
-
}
-
printk("my_net_link_4: create netlink socket ok.\n");
-
return 0;
-
}
-
static void netlink_exit(void)
-
{
-
if(nl_sk != NULL){
-
sock_release(nl_sk->sk_socket);
-
}
-
printk("my_net_link: self module exited\n");
-
}
-
module_init(netlink_init);
-
module_exit(netlink_exit);
-
MODULE_AUTHOR("zhao_h");
-
MODULE_LICENSE("GPL");
附上内核代码的Makefile文件：
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ifneq ($(KERNELRELEASE),)
-
obj-m :=netl.o
-
else
-
KERNELDIR ?=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
-
PWD :=$(shell pwd)
-
default:
-
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
-
endif
我们将内核模块insmod后，运行用户态程序，结果如下：
这个结果复合我们的预期，但是运行过程中打印出“state_smg”卡了好久才输出了后面的结果。这时候查看客户进程是处于D
状态的（不了解D状态的同学可以google一下）。这是为什么呢？因为进程使用Netlink向内核发数据是同步，内核向进程发数
据是异步。什么意思呢？也就是用户进程调用sendmsg发送消息后，内核会调用相应的接收函数，但是一定到这个接收函数执行
完用户态的sendmsg才能够返回。我们在内核态的接收函数中调用了10次回发函数，每次都等待3秒钟，所以内核接收函数30秒
后才返回，所以我们用户态程序的sendmsg也要等30秒后才返回。相反，内核回发的数据不用等待用户程序接收，这是因为内核
所发的数据会暂时存放在一个队列中。
再来回到之前的一个问题，用户态程序的源地址（pid）可以用0吗？我把上面的用户程序的A和C处pid都改为了0，结果一运行
就死机了。为什么呢？我们看一下内核代码的逻辑，收到用户消息后，根据消息中的pid发送回去，而pid为0，内核并不认为这
是用户程序，认为是自身，所有又将回发的10个消息发给了自己（内核），这样就陷入了一个死循环，而用户态这时候进程一直
处于D。
另外一个问题，如果同时启动两个用户进程会是什么情况？答案是再调用bind时出错：“Address already in use”，这个同
UDP一样，同一个地址同一个port如果没有设置SO_REUSEADDR两次bind就会出错，之后我用同样的方式再Netlink的socket
上设置了SO_REUSEADDR，但是并没有什么效果。
七：用户态范例二
之前我们说过UDP可以使用sendmsg／recvmsg也可以使用sendto／recvfrom，那么Netlink同样也可以使用sendto／
recvfrom。具体实现如下：
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-
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-
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-
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-
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int main(int argc, char* argv[])
-
{
-
struct sockaddr_nl src_addr, dest_addr;
-
struct nlmsghdr *nlh = NULL;
-
int sock_fd, retval;
-
int state,state_smg = 0;
-
// Create a socket
-
sock_fd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);
-
if(sock_fd == -1){
-
printf("error getting socket: %s", strerror(errno));
-
return -1;
-
}
-
// To prepare binding
-
memset(&src_addr, 0, sizeof(src_addr));
-
src_addr.nl_family = AF_NETLINK;
-
src_addr.nl_pid = 100;
-
src_addr.nl_groups = 0;
-
//Bind
-
retval = bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&src_addr, sizeof(src_addr));
-
if(retval < 0){
-
printf("bind failed: %s", strerror(errno));
-
close(sock_fd);
-
return -1;
-
}
-
// To orepare create mssage head
-
nlh = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));
-
if(!nlh){
-
printf("malloc nlmsghdr error!\n");
-
close(sock_fd);
-
return -1;
-
}
-
memset(&dest_addr,0,sizeof(dest_addr));
-
dest_addr.nl_family = AF_NETLINK;
-
dest_addr.nl_pid = 0;
-
dest_addr.nl_groups = 0;
-
nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);
-
nlh->nlmsg_pid = 100;
-
nlh->nlmsg_flags = 0;
-
strcpy(NLMSG_DATA(nlh),"Hello you!");
-
//send message
-
printf("state_smg\n");
-
sendto(sock_fd,nlh,NLMSG_LENGTH(MAX_PAYLOAD),0,(struct sockaddr*)(&dest_addr),sizeof(dest_addr));
-
if(state_smg == -1)
-
{
-
printf("get error sendmsg = %s\n",strerror(errno));
-
}
-
memset(nlh,0,NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));
-
//receive message
-
printf("waiting received!\n");
-
while(1){
-
printf("In while recvmsg\n");
-
state=recvfrom(sock_fd,nlh,NLMSG_LENGTH(MAX_PAYLOAD),0,NULL,NULL);
-
if(state<0)
-
{
-
printf("state<1");
-
}
-
printf("Received message: %s\n",(char *) NLMSG_DATA(nlh));
-
memset(nlh,0,NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));
-
}
-
close(sock_fd);
-
return 0;
-
}
熟悉UDP编程的同学看到这个程序一定很熟悉，除了多了一个Netlink消息头的设置。但是我们发现程序中调用了bind函数，这
个函数再UDP编程中的客户端不是必须的，因为我们不需要把UDP socket与某个地址关联，同时再发送UDP数据包时内核会为
我们分配一个随即的端口。但是对于Netlink必须要有这一步bind，因为Netlink内核可不会为我们分配一个pid。再强调一遍消
息头（nlmsghdr）中的pid是告诉内核接收端要回复的地址，但是这个地址存不存在内核并不关心，这个地址只有用户端调用了
bind后才存在。
我们看到这两个例子都是用户态首先发起的，那Netlink是否支持内核态主动发起的情况呢？
当然是可以的，只是内核一般需要事件触发，这里，只要和用户态约定号一个地址（pid），内核直接调用netlink_unicast就可以了。
