面试真题 | linux内核空间和用户空间如何通信？

1，什么是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

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：

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。

3，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<<i(0<=i<= 31),这在一组进程和内核进程协同完成一项任务时非常有用。发送多播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);

4、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)

5、用户态

范例一

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <asm/types.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <linux/socket.h>
#include <errno.h>
#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(err