netlink机制

netlink是一种基于网络的机制,允许在内核内部以及内核与用户层之间进行通信。最早在内核2.2引入,旨在替代笨拙的IOCTL,IOCTL不能从内核向用户空间发送异步消息,而且必须定义IOCTL号。

Netlink协议定义在RFC3549中。以前是可以编译成模块,现在直接集成到内核了。与profs和sysfs相比,有一些优势如下:

不需要轮询;系统调用和ioctl也能从用户层想内核传递信息,但是难以实现,另外netlink不会和模块冲突;内核可以直接向用户层发送信息;使用标准的套接字即可。

/proc/net/netlink文件中包含了当前活动的netlink连接信息。

            代码位于net/netlink中。

af_netlink.c  af_netlink.h  diag.c  genetlink.c

            其中genetlink提供通用的Netlink API,af_netlink提供了套接字API,diag是监视接口提供用于读写有关Netlink套接字的信息。

1.1.1 Netlink子系统初始化

通过函数netlink_proto_init(net/netlink/af_netlink.c)向内核注册协议。

static int __init netlink_proto_init(void)

{

        int i;

        int err = proto_register(&netlink_proto, 0);

 

        if (err != 0)

                goto out;

 

        BUILD_BUG_ON(sizeof(struct netlink_skb_parms) > FIELD_SIZEOF(struct sk_buff, cb));

 

        nl_table = kcalloc(MAX_LINKS, sizeof(*nl_table), GFP_KERNEL);

        if (!nl_table)

                goto panic;

 

        for (i = 0; i < MAX_LINKS; i++) {

                if (rhashtable_init(&nl_table[i].hash,

                                    &netlink_rhashtable_params) < 0) {

                        while (--i > 0)

                                rhashtable_destroy(&nl_table[i].hash);

                        kfree(nl_table);

                        goto panic;

                }

        }

 

        netlink_add_usersock_entry();

 

        sock_register(&netlink_family_ops);

        register_pernet_subsys(&netlink_net_ops);

        register_pernet_subsys(&netlink_tap_net_ops);

        /* The netlink device handler may be needed early. */

        rtnetlink_init();

out:

        return err;

panic:

        panic("netlink_init: Cannot allocate nl_table\n");

}

创建并初始化了nl_table表数组,这个表是整个netlink实现的关键一步,每种协议类型占数组中的一项,后续内核中创建的不同种协议类型的netlink都将保存在这个表中,由该表统一维护,该表结构如下:

struct netlink_table {  

        struct rhashtable       hash;

        struct hlist_head       mc_list;

        struct listeners __rcu  *listeners;

        unsigned int            flags;

        unsigned int            groups;

        struct mutex            *cb_mutex;

        struct module           *module;                 

        int                     (*bind)(struct net *net, int group);

        void                    (*unbind)(struct net *net, int group);

        bool                    (*compare)(struct net *net, struct sock *sock);                                                                                        

        int                     registered;                                                                                                                            

};

            然后调用sock_register(源码:sock_register(&netlink_family_ops);)向内核注册协议处理函数,即将netlink的socket创建处理函数注册到内核中,以后应用层创建netlink类型的socket时将会调用该协议处理函数,其中netlink_family_ops函数的定义如下,可以知道每次创建PF_NETLINK(AF_NETLINK)类型的socket()系统调用时,将由netlink_create()函数负责处理。

static const struct net_proto_family netlink_family_ops = {

        .family = PF_NETLINK,

        .create = netlink_create,

        .owner  = THIS_MODULE,  /* for consistency 8) */

};

继续调用register_pernet_subsys

        register_pernet_subsys(&netlink_net_ops);

        register_pernet_subsys(&netlink_tap_net_ops);

该函数向内核的网络命名空间注册子系统的初始化和析构函数,在网络命名空间创建和注销时会调用这里注册的初始化和析构函数。netlink_net_ops定义如下:

static struct pernet_operations __net_initdata netlink_net_ops = {

        .init = netlink_net_init,

        .exit = netlink_net_exit,

};

netlink_net_init()会在文件系统中为每个网络命名空间创建一个proc入口,而netlink_net_exit()就是则销毁。

最后调用rtnetlink_init()创建NETLINK_ROUTE协议类型的Netlink,用来传递网络路由子系统、邻居子系统、接口设置、防火墙等消息。整个Netlink子系统初始化完成

 

1.1.2 使用

Netlink套接字可以是SOCK_RAW套接字,也可以是SOCK_DGRAM套接字。内核和用户空间都可以使用Netlink套接字,只是调用的方法不同,用户空间使用传统的socket系统调用,内核态使用netlink_kernel_create函数。最终都会调用__netlink_create方法。

netlink机制_第1张图片

然后创建一个sockaddr_nl结构来表示用户空间或内核Netlink套接字的地址。

开发使用Netlink套接字来收发数据的用户空间应用程序时,推荐使用libnl API。Libnl包还包含支持通用Netlink簇、路由选择簇和Netfilter簇的库。

            Netlink套接字不仅用于网络子系统,还用于其他子系统如:SELinux、audit、uevent等。

            Netlink采用地址编码,struct sockaddr_nl,每个通过netlink发出的消息都必须附带一个netlink自己的消息头(struct nlmsghdr)。

            下面来看下相关的数据结构。

1.1.3 数据结构

所有socket之间的通信,必须有个地址结构,netlink的地址结构如下:

sockaddr_nl定义在include/uapi/linux/netlink.h文件中。

struct sockaddr_nl {

        __kernel_sa_family_t    nl_family;      /* AF_NETLINK   */

        unsigned short  nl_pad;         /* zero         */       

        __u32           nl_pid;         /* port ID      */       

        __u32           nl_groups;      /* multicast groups mask */

};

最关键的是nl_family,所支持的定义在include/uapi/linux/netlink.h在内核网络栈中,可创建多种Netlink套接字,每种内核套接字可处理不同的类型消息。例如,NETLINK_ROUTE消息,通过和NETLINK_ROUTE协议通信,可以获得内核的路由信息

…..

#define NETLINK_CRYPTO          21      /* Crypto layer */

#define NETLINK_SMC             22      /* SMC monitoring */

  现在支持到了23个族。

Netlink_kernel_cfg结构体包含用于创建Netlink套接字的可选参数, 是内核netlink配置结构。

/* optional Netlink kernel configuration parameters */

struct netlink_kernel_cfg {

        unsigned int    groups;

        unsigned int    flags;

        void            (*input)(struct sk_buff *skb);

        struct mutex    *cb_mutex;

        int             (*bind)(struct net *net, int group);

        void            (*unbind)(struct net *net, int group);

        bool            (*compare)(struct net *net, struct sock *sk);

};

每个协议族都需要在内核中注册一个net_proto_family实例。

该结构体如下:

struct net_proto_family {

        int             family;

        int             (*create)(struct net *net, struct socket *sock,

                                  int protocol, int kern);       

        struct module   *owner;        

}; 

 

 

1.1.4 消息格式

在用户空间和内核空间进行交换时候,必须采用特定的格式。消息的开头是长度固定的netlink报头。

报头的结构体为nlmsghdr结构体,共16个字节。

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 */

};

            整个消息长度,包括首部和任何所需的填充字节,在nlmsg_len。nlmsg_pid是发送消息的用户程序进程PID。nlmsg_seq序列号,用于排列消息,并不是必须的。nlmsg_flags例如是NLM_F_REQUEST。nlmsg_type表示消息类型,如NLMMSG_ERROR发生了错误。

netlink的消息头后面跟着的是消息的有效载荷部分,它采用的是格式为“类型——长度——值”,简写TLV。其中类型和长度使用属性头nlattr来表示。其中nla_len表示属性长度;nla_type表示属性类型,取值定义在include\net\netlink.h中。

 netlink属性头是struct nlattr,定义在include/uapi/linux/netlink.h

struct nlattr {

        __u16           nla_len;

        __u16           nla_type;

};

1.1.5 关于使用

使用Netlink的方法如下,先运行netlink内核模块;然后运行用户态程序,向内核发送连接消息,通知内核用户的进程id;内核接收用户消息,记录其进程id;内核向用户进程id发送netlink消息;用户接收内核发送的netlink消息。Ok,整体流程这样。

此外,为了获取netlink报文中数据的方便,netlink提供了下面几个宏进行数据的获取和解包操作,定义在include/uapi/linux/netlink.h

#define NLMSG_ALIGNTO   4U

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

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

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

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

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

#define NLMSG_NEXT(nlh,len)      ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \

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

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

                           (nlh)->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) && \

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

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

从用户空间接收的数据将由netlink_kernel_cfg结构体中的input指定函数来处理。

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