内核与用户态进程间通讯之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。
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。

1.Netlink介绍
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

2.内核 Netlink API
2.1 创建 netlink socket
函数原型如下：

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：
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；

uint：表示netlink协议类型，如NETLINK_TEST、NETLINK_SELINUX；

groups：多播地址；

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；

cb_mutex：为访问数据时的互斥信号量；

module： 一般为THIS_MODULE。

2.2发送单播消息 netlink_unicast
函数原型如下：

int netlink_unicast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, int nonblock)

参数说明：
ssk：为函数 netlink_kernel_create()返回的socket；

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；

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；

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；

2.3发送广播消息 netlink_broadcast
函数原型如下：

int netlink_broadcast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, gfp_t allocation)

参数说明：
ssk：为函数 netlink_kernel_create()返回的socket；

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；

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；

group：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；

allocation：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；

2.4释放 netlink socket
函数原型如下：

int netlink_broadcast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, gfp_t allocation)

参数说明同2.3

2.5 netlink 常用宏

#define NLMSG_ALIGNTO   4U
/* 宏NLMSG_ALIGN(len)用于得到不小于len且字节对齐的最小数值 */
#define NLMSG_ALIGN(len) ( ((len)+NLMSG_ALIGNTO-1) & ~(NLMSG_ALIGNTO-1) )

/* Netlink 头部长度 */
#define NLMSG_HDRLEN     ((int) NLMSG_ALIGN(sizeof(struct nlmsghdr)))

/* 计算消息数据len的真实消息长度（消息体 +　消息头）*/
#define NLMSG_LENGTH(len) ((len) + NLMSG_HDRLEN)

/* 宏NLMSG_SPACE(len)返回不小于NLMSG_LENGTH(len)且字节对齐的最小数值 */
#define NLMSG_SPACE(len) NLMSG_ALIGN(NLMSG_LENGTH(len))

/* 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_DATA(nlh)  ((void*)(((char*)nlh) + NLMSG_LENGTH(0)))

/* 宏NLMSG_NEXT(nlh,len)用于得到下一个消息的首地址, 同时len 变为剩余消息的长度 */
#define NLMSG_NEXT(nlh,len)  ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \
                  (struct nlmsghdr*)(((char*)(nlh)) + NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len)))

/* 判断消息是否 >len */
#define NLMSG_OK(nlh,len) ((len) >= (int)sizeof(struct nlmsghdr) && \
               (nlh)->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) && \
               (nlh)->nlmsg_len <= (len))

/* NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) 用于返回payload的长度*/
#define NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) ((nlh)->nlmsg_len - NLMSG_SPACE((len)))

2.6 Netlink 消息类型
Netlink 是一种特殊的 socket，它是 Linux 所特有的，类似于 BSD 中的AF_ROUTE 但又远比它的功能强大，目前在最新的 Linux 内核中使用netlink 进行应用与内核通信的应用很多，其定义在Linux内核源码的 include/linux/netlink.h目录下，如下：

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

#define MAX_LINKS 32		

2.7内核示例程序

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define NETLINK_TEST 25  //自定义的协议
#define MAX_MSGSIZE 1024

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);
}

//返回字符串长度
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--)
        {
            init_completion(&cmpl);
            wait_for_completion_timeout(&cmpl,3*HZ);
            sendnlmsg("I am from kernel!",pid);
        }
        flag = 1;
        kfree_skb(skb);
    }
}

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("chenhao");
MODULE_LICENSE("GPL");

3.用户态数据结构
用户态应用使用标准的 socket API有sendto()，recvfrom(), sendmsg(), recvmsg()。
Netlink通信跟常用UDP Socket通信类似，struct sockaddr_nl是netlink通信地址，跟普通socket struct sockaddr_in类似。

3.1 struct sockaddr_nl结构
数据原型如下：

struct sockaddr_nl {
     __kernel_sa_family_t    nl_family;  /* AF_NETLINK （跟AF_INET对应）*/
     unsigned short  nl_pad;   
     __u32       nl_pid;    
     __u32       nl_groups;  
};

变量成员说明：
nl_family：一般为AF_NETLINK；

nl_pad：目前未用到，填充为0；

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；

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；

3.2 struct nlmsghd 结构
数据原型如下：

/* struct nlmsghd 是netlink消息头*/
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 */
};

变量成员说明：
nlmsg_len：整个消息的长度，按字节计算。包括了Netlink消息头本身；

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：

NLMSG_NOOP：空消息，什么也不做；

NLMSG_ERROR：指明该消息中包含一个错误；
 
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；

NLMSG_OVERRUN：暂时没用到；

nlmsg_flags：附加在消息上的额外说明信息；

nlmsg_seq：消息序列号，用以将消息排队，有些类似TCP协议中的序号（不完全一样），但是netlink的这个字段是可选的，不强制使用；

nlmsg_pid：发送端口的ID号，对于内核来说该值就是0，对于用户进程来说就是其socket所绑定的ID号；

3.3 struct msghdr 结构体
数据原型如下：

struct iovec {                    /* Scatter/gather array items */
     void  *iov_base;              /* Starting address */
     size_t iov_len;               /* Number of bytes to transfer */
 };
/* iov_base：iov_base指向数据包缓冲区，即参数buff，
   iov_len：是buff的长度。
   msghdr中允许一次传递多个buff，以数组的形式组织在 msg_iov中，msg_iovlen就记录数组的长度 （即有多少个buff） 
*/
  
 struct msghdr {
     void         *msg_name;       /* optional address */
     socklen_t     msg_namelen;    /* size of address */
     struct iovec *msg_iov;        /* scatter/gather array */
     size_t        msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */
     void         *msg_control;    /* ancillary data, see below */
     size_t        msg_controllen; /* ancillary data buffer len */
     int           msg_flags;      /* flags on received message */
 };

变量成员说明：
msg_name： 数据的目的地址，网络包指向sockaddr_in, netlink则指向sockaddr_nl；

msg_namelen：msg_name 所代表的地址长度；

msg_iov：指向的是缓冲区数组；

msg_iovlen： 缓冲区数组长度；

msg_control：辅助数据，控制信息(发送任何的控制信息)；

msg_controllen：辅助信息长度；

msg_flags：消息标识；

3.4 用户态示例代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MAX_PAYLOAD 1024 
#define NETLINK_TEST 25  //自定义的协议

int main(int argc, char* 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;
    
    // 创建一个socket
    sock_fd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);
    if(sock_fd == -1){
        printf("error getting socket: %s", strerror(errno));
        return -1;
    }
    
    // 设备并绑定端口
    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;
    
    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);
    
    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;
    
    //发送消息
    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));
    
    //接收消息
    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。

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……

4. 测试结果
我们将内核模块insmod后，运行用户态程序，运行dmesg命令查看内核打印信息，如下：

用户程序打印信息如下：

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（不可中断的睡眠状态）。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。