netlink---Linux下基于socket的内核和上层通信机制

需要在linux网卡驱动中加入一个自己的驱动，实现在内核态完成一些报文处理（这个过程可以实现一种零COPY的网络报文截获），对于复杂报文COPY下必要的数据交给用户态来完成（因为过于复杂的报文消耗CPU太大，会导致中断占用时间太长）。因此需要一种内核和用户态配合的通信机制，尝试了很多方式都不太理想，最后采用netlink+内存映射的模式很好的解决了这个问题。Netlink是一种采用socket通信的机制，用于linux内核和上层用户空间进行通信的一种机制，通过实践我认为netlink最大的优点是可以实现“双向通信”，是内核向用户态发起通知的一种最好选择。

内核和用户空间进行通信，大概有如下几种方式可以考虑：
采用内存映射的方式，将内核地址映射到用户态。这种方式最直接，可以适用大量的数据传输机制。这种方式的缺点是很难进行“业务控制”，没有一种可靠的机制保障内核和用户态的调动同步，比如信号量等都不能跨内核、用户层使用。因此内存映射机制一般需要配合一种“消息机制”来控制数据的读取，比如采用“消息”类型的短数据通道来完成一个可靠的数据读取功能。
ioctl机制，ioctl机制可以在驱动中扩展特定的ioctl消息，用于将一些状态从内核反应到用户态。Ioctl有很好的数据同步保护机制，不要担心内核和用户层的数据访问冲突，但是ioctl不适合传输大量的数据，通过和内存映射结合可以很好的完成大量数据交换过程。但是，ioctl的发起方一定是在用户态，因此如果需要内核态主动发起一个通知消息给用户层，则非常的麻烦。可能需要用户态程序采用轮询机制不停的ioctl。
其他一些方式比如系统调用必须通过用户态发起，proc方式不太可靠和实时，用于调试信息的输出还是非常合适的。
通过前面的项目背景，我需要一种可以在内核态主动发起消息的通知方式，而用户态的程序最好可以采用一种“阻塞调用”的方式等待消息。这样的模型可以最大限度的节省CPU的调度，同时可以满足及时处理的要求，最终选择了netlink完成通信的过程。
Netlink的通信模型和socket通信非常相似，主要要点如下：

• netlink采用自己独立的地址编码，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；
• 内核态的netlink的操作API和用户态完全不一样，后面再介绍；
• 用户态的netlink操作完成采用socket函数，非常方便和简单，有TCP/UDP socket编程基础的非常容易上手。

Netlink的通信地址和协议

所有socket之间的通信，必须有个地址结构，Netlink也不例外。我们最熟悉的就是IPV4的地址了，netlink的地址结构如下：

[cpp] view plain copy

1. struct sockaddr_nl  
2. {  
3.     sa_family_t nl_family;          //必须为AF_NETLINK或者PF_NETLINK  
4.     unsigned short  nl_pad;             //必须为0  
5.     __u32       nl_pid;             //通信端口  
6. __u32       nl_groups;              //组播掩码  
7. };  

上面几个数据，最关键的是nl_family（就对应IP通信中的AF_INET）和nl_pid。

nl_pid就是一个约定的通信端口，用户态使用的时候需要用一个非0的数字，一般来说可以直接采用上层应用的进程ID（不用进程ID号码也没事，只要系统中不冲突的一个数字即可使用）。对于内核的地址，该值必须用0，也就是说，如果上层通过sendto向内核发送netlink消息，peer addr中nl_pid必须填写0。

nl_groups用于一个消息同时分发给不同的接收者，是一种组播应用，本文不讲组播应用。


本质上，nl_pid就是netlink的通信地址。除了通信地址，netlink还提供“协议”来标示通信实体，在创建socket的时候，需要指定netlink的通信协议号。每个协议号代表一种“应用”，上层可以用内核已经定义的协议和内核进行通信，获得内核已经提供的信息。具体支持的协议列表如下：

[cpp] view plain copy

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

协议的用途很好理解，比如我们单纯创建一个上层应用，通过和NETLINK_ROUTE协议通信，可以获得内核的路由信息。我需要利用netlink创建一个我自己的通信协议，因此我定义了一种新的协议。新协议的定义不能和内核已经定义的冲突，同时不能超过MAX_LINKS这个宏的限定，MAX_LINKS = 32。所以我定义的协议号为30。

小结：netlink采用协议号+通信端口的方式构建自己的地址体系。

用户态操作netlink socket

用户态创建netlink socket的基本过程和操作其他socket的API一模一样，区别就2点：
1、 netlink有自己的地址；
2、 netlink接收到的消息带一个netlink自己的消息头；


用户态创建、销毁socket的过程：
1、 用socket函数创建，socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_XXX)；第一个参数必须是PF_NETLINK或者AF_NETLINK，第二个参数用SOCK_DGRAM和SOCK_RAW都没问题，第三个参数就是netlink的协议号。
2、 用bind函数绑定自己的地址。
3、 用close关闭套接字。

创建socket的代码样例：

[cpp] view plain copy

1. {  
2.     struct sockaddr_nl addr;  
3.     int flags;  
4.      
5.     //建立netlink socket  
6.     s_nlm_socket = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_XXX);  
7.     if(s_nlm_socket < 0)  
8.     {  
9.         USE_DBG_OUT("create netlink socket error.\r\n");  
10.         goto Err_Exit;  
11.     }  
12.       
13.     //bind  
14.     addr.nl_family = PF_NETLINK;  
15.     addr.nl_pad    = 0;  
16.     addr.nl_pid    = getpid();  
17.     addr.nl_groups = 0;  
18.       
19.     if(bind(s_nlm_socket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0)  
20.     {  
21.         USE_DBG_OUT("bind socket error.\r\n");  
22.         goto Err_Exit;  
23.     }  
24.   
25.   
26.     //设置socket为非阻塞模式  
27.     flags = fcntl(s_nlm_socket, F_GETFL, 0);  
28.     fcntl(s_nlm_socket, F_SETFL, flags|O_NONBLOCK);  
29.       
30.   
31.   
32.     return 0;  
33. Err_Exit:  
34.     return -1;  
35. }  

用户态接收、发送消息的API：
用户态用sendto向内核发送netlink消息，用recvfrom接收消息。只是注意，发送、接收的时候在自己附带的消息前面要加上一个netlink的消息头。例如，定义一个如下的消息通信结构：

[cpp] view plain copy

1. struct tag_rcv_buf  
2. {  
3.         struct nlmsghdr hdr;            //netlink的消息头  
4.         netlink_notify_s my_msg;        //通信实体消息  
5. }st_snd_buf;  

发送代码的例子：

[cpp] view plain copy

1. My_send_msg  
2. {  
3.     struct tag_rcv_buf  
4.     {  
5.         struct nlmsghdr hdr;            //netlink的消息头  
6.         netlink_notify_s my_msg;        //通信实体消息  
7.     }st_snd_buf;  
8.     fd_set st_write_set;                         //select fd，避免线程吊死  
9.     struct timeval write_time_out = {10, 0};     //10秒超时  
10.     int ret;  
11.       
12.     //设置select  
13.     FD_ZERO(&st_write_set);  
14.     FD_SET(s_nlm_socket, &st_write_set);  
15.       
16.     /* 
17.         设置发送数据 
18.     */  
19.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_len   = sizeof(st_snd_buf);        //NLMSG_LENGTH(sizeof(netlink_notify_s))--这个宏包含有头  
20.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_flags = 0;                         /*消息的附加选项，没啥用*/  
21.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_type  = 0;                         /*设置自定义消息类型*/  
22.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_pid   = getpid();                  /*设置发送者的PID*/  
23.   
24.   
25.     st_snd_buf.my_msg.start_pack_id = s_id;  
26.     st_snd_buf.my_msg.end_pack_id   = e_id;  
27.       
28.     ret = select(s_nlm_socket+1, NULL, &st_write_set, NULL, &write_time_out);  
29.     if(ret == -1)  
30.     {  
31.         //have some error.  
32.         USE_DBG_OUT("send has some error %d.\n", errno);  
33.         goto out;  
34.     }  
35.     else if(ret == 0)  
36.     {  
37.         //超时退出  
38.         TMP_DBG_OUT("send timeout.\n");  
39.         goto out;  
40.     }  
41.     else  
42.     {  
43.         //接收消息  
44.         ret = sendto(s_nlm_socket, &st_snd_buf, sizeof(st_snd_buf), 0,   
45.                         (struct sockaddr*)&s_peer_addr, sizeof(s_peer_addr));  
46.   
47.   
48.         if(ret < 0)  
49.         {  
50.             USE_DBG_OUT("send to kernal by nl error %d\r\n", errno);  
51.         }  
52.         else  
53.         {  
54.             TMP_DBG_OUT("send to kernal ok s_id is %d, e_id is %d.\r\n", s_id, e_id);  
55.         }  
56.     }  
57.       
58. out:      
59.     return;  
60. }  

接收数据的代码例子：

[cpp] view plain copy

1. {  
2.     struct tag_rcv_buf  
3.     {  
4.         struct nlmsghdr hdr;            //netlink的消息头  
5.         netlink_notify_s my_msg;        //通信实体消息  
6.     }st_rcv_buf;  
7.     int ret, addr_len, io_ret;  
8.     struct sockaddr_nl st_peer_addr;  
9.     fd_set st_read_set;                         //select fd，避免线程吊死  
10.     struct timeval read_time_out = {10, 0};     //10秒超时  
11.     int rcv_buf;  
12.       
13.     //设置内核的通信地址  
14.     st_peer_addr.nl_family = AF_NETLINK;  
15.     st_peer_addr.nl_pad = 0;                                   /*always set to zero*/  
16.     st_peer_addr.nl_pid = 0;                                   /*kernel's pid is zero*/  
17.     st_peer_addr.nl_groups = 0;                                /*multicast groups mask, if unicast set to zero*/  
18.     addr_len = sizeof(st_peer_addr);  
19.   
20.     //设置select  
21.     FD_ZERO(&st_read_set);  
22.     FD_SET(s_nlm_socket, &st_read_set);  
23.   
24.     ret = select(s_nlm_socket+1, &st_read_set, NULL, NULL, &read_time_out);  
25.     if(ret == -1)  
26.     {  
27.         //have some error.  
28.         USE_DBG_OUT("select rcv some error %d", errno);  
29.         goto err;  
30.     }  
31.     else if(ret == 0)  
32.     {  
33.         //超时退出  
34.         TMP_DBG_OUT("rcv timeout.\n");  
35.         *p_size = 0;  
36.         goto out;  
37.     }  
38.     else  
39.     {  
40.         //接收消息  
41.         ret = recvfrom(s_nlm_socket, &st_rcv_buf, sizeof(st_rcv_buf), 0,   
42.             (struct sockaddr *)&st_peer_addr, &addr_len);  
43.     }  
44.      
45.     if(ret == sizeof(st_rcv_buf) )  
46.     {  
47.         //收到消息了...  
48.   
49.     else  
50.     {  
51.         USE_DBG_OUT("rcv msg have some err. ret is %d, errno is %d\r\n", ret, errno);  
52.         goto err;  
53.     }  
54.   
55. out:      
56.     return 0;  
57. err:  
58.     *p_size = 0;  
59.     return -1;  
60. }