Linux Netlink 基本使用方法.doc

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1、Linux Netlink 基本使用方法1.什么是 Netlink什么是Netlink？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BSDsocket和AF_NETLINK地址簇(addres

2、sfamily)，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netlinkfamily)，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：支持全双工、异步通信(当然同步也支持)用户空间可使用标准的BSDsocket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)在内核空间使用专用的内核API接口支持多播(因此支持“总线”式通信，可实现消息

3、订阅)在内核端可用于进程上下文与中断上下文如何学习Netlink？我觉得最好的方式就是将Netlink和UDPsocket对比学习。因为他们真的很对地方相似。AF_NETLINK和AF_INET对应，是一个协议族，而NETLINK_ROUTE、NETLINK_GENERIC这些是协议，对应于UDP。那么我们主要关注Netlink和UDPsocket之间的不同点，其中最重要的一点就是：使用UDPsocket发送数据包时，用户无需构造UDP数据包的包头，内核协议栈会根据原、目的地址（sockaddr_in）填充头部信息。但是Netlink需要我们自己构造一个包头（这个包头有什么用，我们后面再说）。

4、一般我们使用Netlink都要指定一个协议，我们可以使用内核为我们预留的NETLINK_GENERIC（定义在linux/netlink.h中），也可以使用我们自定义的协议，其实就是定义一个内核还没有占用的数字。下面我们用NETLINK_TEST做为我们定义的协议写一个例子（注意：自定义协议不一定非要添加到linux/netlink.h中，只要用户态和内核态代码都能找到该定义就行）。我们知道使用UDP发送报文有两种方式：sendto和sendmsg，同样Netlink也支持这两种方式。下面先看使用sendmsg的方式。2.用户态数据结构首先看一下几个重要的数据结构的关系：2.1structms

5、ghdrmsghdr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：recvsend、readvwritev、recvfromsendto。当然还有recvmsgsendmsg，前面三对函数各有各的特点功能，而recvmsgsendmsg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recvfromsendto的功能，中间两个成员msg_iov和msg_iovlen则是为了满足readvwritev的功能，而最后的msg_f

6、lags则是为了满足recvsend中flag的功能，剩下的msg_control和msg_controllen则是满足recvmsgsendmsg特有的功能。2.2Structsockaddr_lnStructsockaddr_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。structsockaddr_nl的详细定义和描述如下：1234567struct sockaddr_nlsa_family_t nl_family; /*该字段总是为AF_NETLINK */unsigned short nl_pad; /* 目前未用到，填

7、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

8、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。2.3structnlmsghdrNetlink的报文由消息头和消息体构成，structnlmsghdr即为消息头。消息头定义在文件里，由结构体nlmsghdr表示：12345678struct nlmsghdr_u32 nlmsg_len; /* Length of message including header *

9、/_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

10、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。那消息体怎么设置呢？可以使用NLMSG_DATA，具体见后面例子。3.用户态范例一客户端112345678910111213141516171819202122232425262728293

11、031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182838485#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#define MAX_PAYLOAD 1024 / maximum payload size#define NETLINK_TEST 25 /自定义的协议int main(int argc, char

12、* argv)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 socketsock_fd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);if(sock_fd = -1)printf(error getTIng socket: %s, strerror(er

13、rno);return -1;/ To prepare bindingmemset(src_addr.nl_family = AF_NETLINK;src_addr.nl_pid = 100; /A：设置源端端口号src_addr.nl_groups = 0;/Bindretval = bind(sock_fd, (struct sockaddr*)if(retval 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

14、 you!); /设置消息体iov.iov_base = (void *)nlh;iov.iov_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);/Create mssagememset(msg.msg_name = (void *)msg.msg_namelen = sizeof(dest_addr);msg.msg_iov = msg.msg_iovlen = 1;/send messageprintf(state_smgn);state_smg = sendmsg(sock_fd,if(state_smg = -1)printf(get error sendmsg = %s

15、n,strerror(errno);memset(nlh,0,NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);/receive messageprintf(waiting received!n);while(1)printf(In while recvmsgn);state = recvmsg(sock_fd, if(stateadcastint 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gr

16、oup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。4.4释放 netlinksocket1int netlink_broadcast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, gfp_t allocation)5.内核态程序范例一123456789101112

17、1314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980818283848586878889909192939495969798#include#include#include#include#include#include#include#define NETLINK_TEST 25#define MAX_MSGSIZE 1024int stringlength(char *s)

18、;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:%dn,pid);skb_1 = alloc_skb(len,GFP_KERNEL);if(!skb_1)printk(KER

19、N_ERR my_net_link:alloc_skb errorn);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;messageslen= 0;memcpy(NLMSG_DATA(nlh),message,slen+1);printk(my_net_link:send message %s.n,(char *)NLMSG_DATA(nlh);netlink_unicast(nl_

20、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 str100;struct completion cmpl;printk(begin data_readyn);int i=10;int pid;skb = skb_get (_skb);if(skb-len =

21、NLMSG_SPACE(0)nlh = nlmsg_hdr(skb);memcpy(str, NLMSG_DATA(nlh), sizeof(str);printk(Message received:%sn,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(wait_for_completion_timeout(sendnlmsg(I am from kernel!,pid);flag = 1;kfree_skb(skb);/ Initialize netlinkint net

22、link_init(void)nl_sk = netlink_kernel_create(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

23、(my_net_link: self module exitedn);module_init(netlink_init);module_exit(netlink_exit);MODULE_AUTHOR(yilong);MODULE_LICENSE(GPL);附上内核代码的Makefile文件：12345678ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m :=netl.oelseKERNELDIR ?=/lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD :=$(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(

24、PWD) modulesendif6.程序结构分析我们将内核模块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，

25、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

26、alreadyinuse”，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。7.用户态范例二之前我们说过UDP可以使用sendmsgrecvmsg也可以使用sendtorecvfrom，那么Netlink同样也可以使用sendtorecvfrom。具体实现如下：12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505

27、1525354555657585960616263646566676869707172737475#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#define MAX_PAYLOAD 1024 / maximum payload size#define NETLINK_TEST 25int main(int argc, char* argv)struct sockaddr_nl src_addr, dest_addr;struct nlmsghdr *nlh = N

28、ULL;int sock_fd, retval;int state,state_smg = 0;/ Create a socketsock_fd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);if(sock_fd = -1)printf(error getting socket: %s, strerror(errno);return -1;/ To prepare bindingmemset(src_addr.nl_family = AF_NETLINK;src_addr.nl_pid = 100;src_addr.nl_groups = 0;/Bi

29、ndretval = bind(sock_fd, (struct sockaddr*)if(retval nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);nlh-nlmsg_pid = 100;nlh-nlmsg_flags = 0;strcpy(NLMSG_DATA(nlh),Hello you!);/send messageprintf(state_smgn);sendto(sock_fd,nlh,NLMSG_LENGTH(MAX_PAYLOAD),0,(struct sockaddr*)(if(state_smg = -1)printf(get error se

30、ndmsg = %sn,strerror(errno);memset(nlh,0,NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);/receive messageprintf(waiting received!n);while(1)printf(In while recvmsgn);state=recvfrom(sock_fd,nlh,NLMSG_LENGTH(MAX_PAYLOAD),0,NULL,NULL);if(state0)printf(state1);printf(Received message: %sn,(char *) NLMSG_DATA(nlh);memset(nlh,0

31、,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UDPsocket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。再说一个体外话，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。