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分类: LINUX

2018-05-08 11:11:52

一、netlink简介

    netlink协议是一种基于socket的IPC机制,可用于内核与用户空间进程、用户空间进程与用户空间进程通信,如图所示:

    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
③ 支持多播(因此支持“总线”式通信,可实现消息订阅)
④ 在内核端可用于进程上下文与中断上下文

二、为AF_NETLINK地址簇添加新协议的方法

    关于这个要添加的netlink”协议“的说法,网上有多种不一致的术语,有人称之为”netlink family“,有人称之为”bus“,还有人称之为“netlink protocol”,实际上指的是同一个东西,本文将称之为(netlink)协议。要在内核中使用netlink,需要为自己的内核服务添加新的netlink,现在有两种方法:
① 最开始的方法,使用中的接口,即直接基于nlmsghdr。这是在Linux加入netlink机制之初添加协议的方法。该方法有个限制就是协议的数量不能超过32个,Linux3.10内核已经使用了22个。
② 使用netlink generic。netlink generic是基于第一种方法实现的,协议号为NETLINK_GENERIC。它在NETLINK_GENERIC协议之上提供了多路复用,在其之上添加的新协议称之为Generic Netlink 协议,在没有歧义的情况下,也称作Generic协议或netlink协议。

出于学习的目的,本文将使用第一种方法。

三、NetLink协议基础

    netlink机制提供的协议头如图所示:

    netlink协议是面向消息的,要定义自己的协议,需要基于netlink提供的协议头,即struct nlmsghdr。自定义协议按照协议头格式填充协议头内容,并定义自己的playload,通常自定义的协议体包含自定义协议头与额外的属性,netlink提供了一系列的标准方法用于对消息进行打包与拆包。struct nlmsghdr的定义如下

  1. struct nlmsghdr {  
  2.         __u32           nlmsg_len;      /* Length of message including header */  
  3.         __u16           nlmsg_type;     /* Message content */  
  4.         __u16           nlmsg_flags;    /* Additional flags */  
  5.         __u32           nlmsg_seq;      /* Sequence number */  
  6.         __u32           nlmsg_pid;      /* Sending process port ID */  
  7. };  
其中一些字段,如消息标志与消息类型字段,netlink对其作了一些预定义的值。除了这些预定义的值外,新协议可以定义自己的值。各字段含义如下:


① Total Length (32bit) 协议头与payload的总长度(包含中间对齐和payload尾部对齐的空间)
② Message Type (16bit)。除了预定义的几个类型外,新协议可以自由的加入自己的消息类型。类型对netlink核心透明
③ Message Flags (16bit)。用于描述协议的行为,对netlink核心不透明
④ Sequence Number (32bit)。可选,用于标志已发送的消息,如错误消息可以引用一个已发送消息。
⑤ Port Number (32bit)。目的端口。若未指定,则会发送给内核

四、添加协议NETLINK_TEST

1. 协议格式设计:

为简便起见,仅设计一个具有echo功能的协议。不在标准nlmsghdr之后的payload中定义自己的协议头,payload即为echo文本串,不使用netlink提供的消息标志。定义两种消息类型:NLMSG_GETECHO(用于echo请求包)和NLMSG_SETECHO(用于echo响应包)。
出于学习的目的,用户进程使用socket接口收发信息。在实际的开发过程中,推荐是同libnl等库,该库提供的接口类似于内核中的那套接口,用起来非常方便。

2. 用户空间程序:

  1. #include   
  2. #include   
  3. #include   
  4. #include   
  5. #include   
  6. #include   
  7. #include   
  8. #define NETLINK_TEST 31 // 自定义的协议号  
  9. /** 消息类型 **/  
  10. #define NLMSG_SETECHO 0x11  
  11. #define NLMSG_GETECHO 0x12  
  12. /** 最大协议负荷(固定) **/  
  13. #define MAX_PAYLOAD 101  
  14.   
  15. struct sockaddr_nl src_addr, dst_addr;  
  16. struct iovec iov;  
  17. int sockfd;  
  18. struct nlmsghdr *nlh = NULL;  
  19. struct msghdr msg;  
  20.   
  21. int main( int argc, char **argv)  
  22. {  
  23.     if (argc != 2) {  
  24.         printf("usage: ./a.out \n");  
  25.         exit(-1);  
  26.     }  
  27.   
  28.     sockfd = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_TEST); // 创建NETLINK_TEST协议的socket  
  29.     /* 设置本地端点并绑定,用于侦听 */  
  30.     bzero(&src_addr, sizeof(src_addr));  
  31.     src_addr.nl_family = AF_NETLINK;  
  32.     src_addr.nl_pid = getpid();  
  33.     src_addr.nl_groups = 0; //未加入多播组  
  34.     bind(sockfd, (struct sockaddr*)&src_addr, sizeof(src_addr));  
  35.     /* 构造目的端点,用于发送 */  
  36.     bzero(&dst_addr, sizeof(dst_addr));  
  37.     dst_addr.nl_family = AF_NETLINK;  
  38.     dst_addr.nl_pid = 0; // 表示内核  
  39.     dst_addr.nl_groups = 0; //未指定接收多播组   
  40.     /* 构造发送消息 */  
  41.     nlh = malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));  
  42.     nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD); //保证对齐  
  43.     nlh->nlmsg_pid = getpid();  /* self pid */  
  44.     nlh->nlmsg_flags = 0;  
  45.     nlh->nlmsg_type = NLMSG_GETECHO;  
  46.     strcpy(NLMSG_DATA(nlh), argv[1]);  
  47.     iov.iov_base = (void *)nlh;  
  48.     iov.iov_len = nlh->nlmsg_len;  
  49.     msg.msg_name = (void *)&dst_addr;  
  50.     msg.msg_namelen = sizeof(dst_addr);  
  51.     msg.msg_iov = &iov;  
  52.     msg.msg_iovlen = 1;  
  53.   
  54.     sendmsg(sockfd, &msg, 0); // 发送  
  55.     /* 接收消息并打印 */  
  56.     memset(nlh, 0, NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));  
  57.     recvmsg(sockfd, &msg, 0);  
  58.     printf(" Received message payload: %s\n",  
  59.             NLMSG_DATA(nlh));  

注意:客户进程可以不进行bind而直接recvmsg,这样,默认本地绑定的端口为当前进程ID,因此,在发送消息时应将源端口指定为getpid()

3. 内核模块:


  1. #include   
  2. #include   
  3. #include   
  4. #include   
  5. #define NETLINK_TEST 31  
  6.   
  7. #define NLMSG_SETECHO 0x11  
  8. #define NLMSG_GETECHO 0x12  
  9.   
  10. static struct sock *sk; //内核端socket  
  11. static void nl_custom_data_ready(struct sk_buff *skb); //接收消息回调函数  
  12.   
  13. int __init nl_custom_init(void)  
  14. {  
  15.     struct netlink_kernel_cfg nlcfg = {  
  16.         .input = nl_custom_data_ready,  
  17.     };  
  18.     sk = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_TEST, &nlcfg);  
  19.     printk(KERN_INFO "initialed ok!\n");  
  20.     if (!sk) {  
  21.         printk(KERN_INFO "netlink create error!\n");  
  22.     }  
  23.     return 0;  
  24. }  
  25. void __exit nl_custom_exit(void)  
  26. {  
  27.     printk(KERN_INFO "existing...\n");  
  28.     netlink_kernel_release(sk);  
  29. }  
  30.   
  31. static void nl_custom_data_ready(struct sk_buff *skb)  
  32. {  
  33.     struct nlmsghdr *nlh;  
  34.     void *payload;  
  35.     struct sk_buff *out_skb;  
  36.     void *out_payload;  
  37.     struct nlmsghdr *out_nlh;  
  38.     int payload_len; // with padding, but ok for echo   
  39.     nlh = nlmsg_hdr(skb);  
  40.     switch(nlh->nlmsg_type)  
  41.     {  
  42.         case NLMSG_SETECHO:  
  43.             break;  
  44.         case NLMSG_GETECHO:  
  45.             payload = nlmsg_data(nlh);  
  46.             payload_len = nlmsg_len(nlh);  
  47.             printk(KERN_INFO "payload_len = %d\n", payload_len);  
  48.             printk(KERN_INFO "Recievid: %s, From: %d\n", (char *)payload, nlh->nlmsg_pid);  
  49.             out_skb = nlmsg_new(NLMSG_DEFAULT_SIZE, GFP_KERNEL); //分配足以存放默认大小的sk_buff  
  50.             if (!out_skb) goto failure;  
  51.             out_nlh = nlmsg_put(out_skb, 0, 0, NLMSG_SETECHO, payload_len, 0); //填充协议头数据  
  52.             if (!out_nlh) goto failure;  
  53.             out_payload = nlmsg_data(out_nlh);  
  54.             strcpy(out_payload, "[from kernel]:"); // 在响应中加入字符串,以示区别  
  55.             strcat(out_payload, payload);  
  56.             nlmsg_unicast(sk, out_skb, nlh->nlmsg_pid);  
  57.             break;  
  58.         default:  
  59.             printk(KERN_INFO "Unknow msgtype recieved!\n");  
  60.     }  
  61.     return;  
  62. failure:  
  63.     printk(KERN_INFO " failed in fun dataready!\n");  
  64. }  
  65. module_init(nl_custom_init);  
  66. module_exit(nl_custom_exit);  
  67.   
  68. MODULE_LICENSE("GPL");  
  69. MODULE_DESCRIPTION("a simple example for custom netlink protocal family");  
  70. MODULE_AUTHOR("RSLjdkt");  
注意:上面的回调函数是在进程上下文(系统调用中)进行的,若操作比较耗时,在实际使用中通常将工作交给内核线程处理,内核线程调用skb_recv_datagram函数。

3. 模块Makefile

  1. obj-m += nltest.o  
  2.   
  3.   
  4. KID := /lib/modules/`uname -r`/build  
  5. PWD := $(shell pwd)  
  6.   
  7. all:  
  8.         make -C $(KID) M=$(PWD) modules  
  9.   
  10. clean:  
  11.         rm -rf *.o .cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions  

4. 操作:


insmod模块后,运行用户程序,用户进程输出:

  1. Received message payload: [from kernel]:hello  
内核模块的dmesg输出:
  1. [181170.368671] initialed ok!  
  2. [181182.745293] payload_len = 104  
  3. [181182.749476] Recievid: hello, From: 3127  

其中,From后是发送端的“地址” 

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