Linux Netlink通信机制详解（上）

时间：2022-09-16 16:15:00
前面有一篇文章其实已经介绍过Netlink方面的知识，还有一个内核和用户空间之间的一个交互例子，这篇文章主要是更细节和基础的知识介绍！

Netlink 是一种特殊的 socket，它是 Linux 所特有的，由于传送的消息是暂存在socket接收缓存中，并不被接收者立即处理，所以netlink是一种异步通信机制。 系统调用和 ioctl 则是同步通信机制。

用户空间进程可以通过标准socket API来实现消息的发送、接收，在Linux中，有很多用户空间和内核空间的交互都是通过Netlink机制完成的，在Linux3.0的内核版本中定义了下面的21个用于Netlink通信的宏，其中默认的最大值为32.我这里重点关注的是IPv6路由部分的通信过程。

  在include/linux/`netlink.h文件中定义了下面的用于通信的宏！

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

  23. #define MAX_LINKS 32

   用户态可以使用标准的socket APIs， socket(), bind(), sendmsg(), recvmsg() 和 close() 等函数就能很容易地使用netlink socket，我们在用户空间可以直接通过socket函数来使用Netlink通信，例如可以通过下面的方式：

  1. sock = socket (AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE);

说明：第一个参数必须是AF_NETLINK 或 PF_NETLINK，在 Linux 中，它们俩实际为一个东西，它表示要使用netlink，第二个参数必须是SOCK_RAW或SOCK_DGRAM，第三个参数指定netlink协议类型，可以是自己在netlink.h中定义的，也可以是内核中已经定义好的。上面的例子使用主要是路由的Netlink协议。也可以是上面21中协议类型的其中之一。

NETLINK_GENERIC是一个通用的协议类型，它是专门为用户使用的，因此，用户可以直接使用它，而不必再添加新的协议类型。

对于每一个netlink协议类型，可以使用多播的概念，最多可以有 32个多播组，每一个多播组用一个位表示，netlink 的多播特性使得发送消息给同一个组仅需要一次系统调用，因而对于需要多播消息的应用而言，大大地降低了系统调用的次数。

下面介绍一下主要的数据结构：

  1. struct sockaddr_nl {
  2.     sa_family_t    nl_family;    /* AF_NETLINK    */
  3.     unsigned short    nl_pad;        /* zero        */
  4.     __u32        nl_pid;        /* port ID    */
  5.    __u32        nl_groups;    /* multicast groups mask*/
  6. };

说明：（1）        sa_family_t      nl_family;         

      一般为AF_NETLINK，

（2）       unsigned short         nl_pad;

 字段 nl_pad 当前没有使用，因此要总是设置为 0，

（3）__u32              nl_pid;              

 绑定时用于指定绑定者的进程号，发送消息时用于指定接收进程号，如果希望内核处理多播消息，就把该字段设置为 0，否则设置为处理消息的进程 ID。传递给 bind 函数的地址的 nl_pid 字段应当设置为本进程的进程 ID，这相当于 netlink socket 的本地地址。但是，对于一个netlink socket 的情况，字段 nl_pid 则可以设置为其它的值，如：

pthread_self()<< 16 | getpid();

因此字段 nl_pid 实际上未必是进程 ID,它只是用于区分不同的接收者或发送者的一个标识，用户可以根据自己需要设置该字段。

（4）   __u32                 nl_groups;

    绑定时用于指定绑定者所要加入的多播组，这样绑定者就可以接收多播消息，发送 消息时可以用于指定多播组，这样就可以将消息发给多个接收者。这里nl_groups 为32位的无符号整形，所以可以指定32个多播组，每个进程可以加入多个多播组， 因为多播组是通过“或”操作，如果设置为 0，表示调用者不加入任何多播组。这里就是Netlink多播的概念！和通信中的多播概念有点类似。

Bind的调用方式如下！

  1. struct sockaddr_nl snl;
  2. memset (&snl, 0, sizeof snl);
  3.   snl.nl_family = AF_NETLINK;
  4.   snl.nl_groups = groups;
  5.   ret = bind (sock,(struct sockaddr *)&snl, sizeof snl);
   其中sock为前面的 socket 调用返回的文件描述符，参数snl为 structsockaddr_nl 类型的地址。为了发送一个 netlink 消息给内核或其他用户态应用，需要填充目标 netlink socket 地址，此时，字段 nl_pid 和 nl_groups 分别表示接收消息者的进程 ID 与多播组。如果字段 nl_pid 设置为 0，表示消息接收者为内核或多播组，如果 nl_groups为 0，表示该消息为单播消息，否则表示多播消息。用户态使用函数 sendmsg 发送 netlink 消息时还需要引用结构 struct msghdr、struct nlmsghdr 和 struct iovec，结构 struct msghdr 的定义如下：
  1. struct msghdr {
  2.     void    *    msg_name;    /* Socket name            */
  3.     int        msg_namelen;    /* Length of name        */
  4.     struct iovec *    msg_iov;    /* Data blocks            */
  5.     __kernel_size_t    msg_iovlen;    /* Number of blocks        */
  6.     void     *    msg_control;    /* Per protocol magic(eg BSD file descriptor passing)*/
  7.     __kernel_size_t    msg_controllen;    /* Length of cmsg list*/
  8.     unsigned    msg_flags;
  9. };

使用方法如下：

  1. struct msghdr msg;
  2. memset(&msg, 0, sizeof(msg));
  3. msg.msg_name =(void *)&(snl);
  4. msg.msg_namelen = sizeof(snl);

struct nlmsghdr 为 netlink socket 自己的消息头，因此它也被称为netlink 控制块。应用层在向内核发送 netlink 消息时必须提供该控制头。

消息头。

  1. struct nlmsghdr
  2. {
  3.     __u32        nlmsg_len;    /* Length of message including header*/
  4.     __u16        nlmsg_type;    /* Message content*/
  5.     __u16        nlmsg_flags;    /* Additional flags*/
  6.     __u32        nlmsg_seq;    /* Sequence number*/
  7.     __u32        nlmsg_pid;    /* Sending process PID*/
  8. };

字段 nlmsg_len 指定消息的总长度，包括紧跟该结构的数据部分长度以及该结构的大小，字段 nlmsg_type 用于应用内部定义消息的类型，它对netlink 内核实现是透明的，因此大部分情况下设置为 0，字段 nlmsg_seq 和 nlmsg_pid 用于应用追踪消息，前者表示顺序号，后者为消息来源进程 ID。字段 nlmsg_flags 用于设置消息标志，可用的标志包括下面的宏定义：kernel/include/linux/netlink.c

  1. /* Flags values*/

  3. #define NLM_F_REQUEST        1    /* Itis request message.     */
  4. #define NLM_F_MULTI        2    /* Multipart message, terminated by NLMSG_DONE*/
  5. #define NLM_F_ACK        4    /* Reply with ack, with zeroor error code*/
  6. #define NLM_F_ECHO        8    /* Echo this request         */

  8. /* Modifiersto GET request*/
  9. #define NLM_F_ROOT    0x100    /* specify tree    root    */
  10. #define NLM_F_MATCH    0x200    /* return all matching    */
  11. #define NLM_F_ATOMIC    0x400    /* atomicGET        */
  12. #define NLM_F_DUMP    (NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH)

  14. /* Modifiersto NEW request */
  15. #define NLM_F_REPLACE    0x100    /* Override existing        */
  16. #define NLM_F_EXCL    0x200    /*Do not touch,if it exists    */
  17. #define NLM_F_CREATE    0x400    /* Create,if it does not exist    */
  18. #define NLM_F_APPEND    0x800    /* Addto end of list        */

标志NLM_F_REQUEST用于表示消息是一个请求，所有应用首先发起的消息都应设置该标志。

标志NLM_F_MULTI用于指示该消息是一个多部分消息的一部分，后续的消息可以通过宏NLMSG_NEXT来获得。

宏NLM_F_ACK表示该消息是前一个请求消息的响应，顺序号与进程ID可以把请求与响应关联起来。

标志NLM_F_ECHO表示该消息是相关的一个包的回传。

标志NLM_F_ROOT 被许多 netlink 协议的各种数据获取操作使用，该标志指示被请求的数据表应当整体返回用户应用，而不是一个条目一个条

地返回。有该标志的请求通常导致响应消息设置 NLM_F_MULTI标志。注意，当设置了该标志时，请求是协议特定的，因此，需要在字段

nlmsg_type 中指定协议类型。

标志NLM_F_MATCH 表示该协议特定的请求只需要一个数据子集，数据子集由指定的协议特定的过滤器来匹配。

标志NLM_F_ATOMIC 指示请求返回的数据应当原子地收集，这预防数据在获取期间被修改。

标志 NLM_F_DUMP未实现。

标志NLM_F_REPLACE 用于取代在数据表中的现有条目。

标志NLM_F_EXCL_ 用于和 CREATE 和 APPEND 配合使用，如果条目已经存在，将失败。

标志NLM_F_CREATE 指示应当在指定的表中创建一个条目。

标志NLM_F_APPEND 指示在表末尾添加新的条目。

内核需要读取和修改这些标志，对于一般的使用，用户把它设置为 0 就可以，只是一些高级应用（如 netfilter 和路由 daemon 需要它进行一些设置），

下面是在调用sendmsg函数之前的各个结构体的赋值操作：

  1. struct nlmsghdr *n
  2.   struct iovec iov = { (void*) n, n->nlmsg_len};
  3.   struct msghdr msg = {(void*)&snl, sizeof snl,&iov, 1,NULL, 0, 0};

其中snl为  struct sockaddr_nl snl;在结构体structmsghdr中包含有struct iovec结构，其实就是我们要传输的数据块，它为一个指针，定义了数据块的基址和长度。


  1. struct iovec
  2. {
  3.     void __user *iov_base;    /* BSD uses caddr_t(1003.1g requires void*) */
  4.     __kernel_size_t iov_len; /* Must be size_t (1003.1g)*/
  5. };

上面的数据结构全部初始化以后就可以调用sendmsg函数进行发送操作了。

  1. status = sendmsg(sock, &msg, 0);

其中sock就是我们创建的sock套接字，msg就是上面结构体structmsghdr的实例。如果我们需要返回一个ACK消息，可以对flags标志进行设置如下：

  1. /* Request an acknowledgement by setting NLM_F_ACK*/
  2.   n->nlmsg_flags|= NLM_F_ACK;
  使用下面的函数进行接收处理时，status;为返回的状态，这里可能的结果为：
  1. #define NLMSG_NOOP        0x1    /*Nothing.        */
  2. #define NLMSG_ERROR        0x2    /*Error        */
  3. #define NLMSG_DONE        0x3    /*End of a dump    */
  4. #define NLMSG_OVERRUN        0x4    /* Data lost    
  5. int status;
  6. char buf[4096];
  7.       struct iovec iov = { buf, sizeof buf };
  8.       struct sockaddr_nl snl;
  9.       struct msghdr msg = { (void*)&snl, sizeof snl,&iov, 1,NULL, 0, 0};
  10.       struct nlmsghdr *h;
  11.       status = recvmsg (sock, &msg, 0);

在linux/netlink.h中定义了一些方便对消息进行处理的宏，这些宏包括：

#define NLMSG_ALIGNTO       4

#define NLMSG_ALIGN(len) ( ((len)+NLMSG_ALIGNTO-1) &~(NLMSG_ALIGNTO-1) )

/*宏NLMSG_ALIGN(len)用于得到不小于len且字节对齐的最小数值*/

#define NLMSG_HDRLEN         ((int) NLMSG_ALIGN(sizeof(struct nlmsghdr)))

#define NLMSG_LENGTH(len) ((len)+NLMSG_ALIGN(NLMSG_HDRLEN))

/*宏NLMSG_LENGTH(len)用于计算数据部分长度为len时实际的消息长度。它一般用于分配消息缓存*/

#define NLMSG_SPACE(len) NLMSG_ALIGN(NLMSG_LENGTH(len))

/*宏NLMSG_SPACE(len)返回不小于NLMSG_LENGTH(len)且字节对齐的最小数值，它也用于分配消息缓存*/

#define NLMSG_DATA(nlh) ((void*)(((char*)nlh) + NLMSG_LENGTH(0)))

/*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_NEXT(nlh,len)         ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \

                                       (struct nlmsghdr*)(((char*)(nlh)) +NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len)))

/*宏NLMSG_NEXT(nlh,len)用于得到下一个消息的首地址，同时len也减少为剩余消息的总长度，该宏一般在一个消息被分成几个部分发送或接收时使用*/

#define NLMSG_OK(nlh,len) ((len) >= (int)sizeof(struct nlmsghdr)&& \

                               (nlh)->nlmsg_len >= sizeof(structnlmsghdr) && \

                               (nlh)->nlmsg_len <= (len))

/*宏NLMSG_OK(nlh,len)用于判断消息是否有len这么长*/

#define NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) ((nlh)->nlmsg_len -NLMSG_SPACE((len)))

/*宏NLMSG_PAYLOAD(nlh,len)用于返回payload的长度*/

在/kernel/net/netlink/af_netlink.c文件中定义了netlink套接字的结构体，

  1. struct netlink_sock {
  2.     /* struct sock hasto be the first member of netlink_sock */
  3.     struct sock        sk;
  4.     u32            pid; //内核自己的pid，=0
  5.     u32            dst_pid;
  6.     u32            dst_group;//目的组
  7.     u32            flags;
  8.     u32            subscriptions;
  9.     u32            ngroups;// 组数量
  10.     unsigned long        *groups;//组号
  11.     unsigned long        state;
  12.     wait_queue_head_t    wait;// 进程在接收数据包时等待队列
  13.     struct netlink_callback    *cb;
  14.     spinlock_t        cb_lock;
  15.     void            (*data_ready)(struct sock*sk, int bytes);///内核态接收到用户态信息后的处理函数
  16.     struct module        *module;
  17. };

在af_netlink.c文件中我们可以看到netlink协议的注册

  1. static struct proto netlink_proto = {
  2.     .name     = "NETLINK",
  3.     .owner     = THIS_MODULE,
  4.     .obj_size = sizeof(struct netlink_sock),
  5. };

在static int__init netlink_proto_init(void)函数中会调用注册协议的函数，对netlink协议进行注册，其中，netlink_proto就是上面的struct proto netlink_proto协议。

  1. int err = proto_register(&netlink_proto, 0);

在内核中接收的数据和存储发送的数据都是放在了skb_buff的结构体中

  1. struct netlink_skb_parms
  2. {
  3.     struct ucred        creds;        /* Skb credentials    */
  4.     __u32            pid;
  5.     __u32            dst_pid;
  6.     __u32            dst_group;
  7.     kernel_cap_t        eff_cap;
  8.     __u32            loginuid;    /* Login(audit) uid*/
  9. };

使用下面的宏获取skb_bff中的数据部分

  1. #define NETLINK_CB(skb)(*(struct netlink_skb_parms*)&((skb)->cb))

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