linux用户空间与内核空间通信——Netlink通信机制

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<

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

#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* 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 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

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define NETLINK_TEST 25
#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);
}
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：

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：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define MAX_PAYLOAD 1024 // maximum payload size
#define NETLINK_TEST 25
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。