Linux内核netlink简介

netlink是一种用于用户空间进程与内核间通信的方法，也可以用于用户进程之间的通信（IPC）。
netlink和ioctl比较相似，都能从用户空间向内核空间通信，但netlink是一种异步通信机制，而ioctl是同步通信机制。且ioctl不能从内核向用户空间发送消息。

下面我们结合实例来进一步了解netlink。我们的例子是用户态发送一串数据给内核态，内核接收到后，返回"I am from kernel!"给用户态程序。

内核态（以内核版本3.13为例）

先来了解下内核中netlink相关的数据结构和函数。

使用netlink_kernel_create()函数创建内核套接字服务，函数类型：

static inline struct sock *netlink_kernel_create(struct net *net, int unit, struct netlink_kernel_cfg *cfg);

函数返回创建的struct sock对象指针。struct sock (定义在include\linux\net.h) 结构是内核网络系统中最常见的结构之一。它的使用基本贯穿L2,L3,L4层，而且是各层之间的一个联系，无论发送还是接收的数据包都要被存到sock结构中的缓冲队列中。
函数参数net是网络命名空间，如果没自定义网络命名空间的话，就使用内核默认的init_net。
unit是netlink类型，内核已经定义了21个(在include/uapi/linux/netlink.h中)，如果要增加我们自己的netlink类型，就必须定义新的值，但要注意，新的值必须小于MAX_LINKS（32）
cfg是netlink的配置信息。该结构体定义如下：

struct netlink_kernel_cfg {
        unsigned int groups;
        unsigned int flags;
        void (*input)(struct sk_buff *skb);
        struct mutex *cb_mutex;
        int (*bind)(struct net *net, int group);
        void (*unbind)(struct net *net, int group);
        bool (*compare)(struct net *net, struct sock *sk);
};

其中最重要的是input域，该函数用于处理用户空间发送到内核方向的数据。内核接收到数据包后，会传给input函数。

来看代码：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/types.h>
#include <net/sock.h>
#include <net/netlink.h>
#include <linux/string.h>

#define NETLINK_TEST 25
#define MAX_MSGSIZE 1024

struct sock *nl_sk = NULL;

void send_msg(char *message, int pid)
{
        struct sk_buff *skb;
        struct nlmsghdr *nlh;
        int len = NLMSG_SPACE(MAX_MSGSIZE);

        if (!message || !nl_sk) {
                return;
        }
        printk(KERN_INFO "pid:%d\n", pid);
        skb = alloc_skb(len, GFP_KERNEL);
        if (!skb) {
                printk(KERN_ERR "send_msg:alloc_skb error\n");
                return;
        }
        nlh = nlmsg_put(skb, 0, 0, 0, MAX_MSGSIZE, 0);
        NETLINK_CB(skb).portid = 0;
        NETLINK_CB(skb).dst_group = 0;
        strcpy(NLMSG_DATA(nlh), message);
        printk(KERN_INFO "my_net_link:send message '%s'.\n",(char *)NLMSG_DATA(nlh));
        netlink_unicast(nl_sk, skb, pid, MSG_DONTWAIT);
}

void recv_nlmsg(struct sk_buff *skb)
{
        int pid;
        struct nlmsghdr *nlh = nlmsg_hdr(skb);

        if (nlh->nlmsg_len < NLMSG_HDRLEN || skb->len < nlh->nlmsg_len)
                return;

        printk(KERN_INFO "Message received:%s\n", (char*)NLMSG_DATA(nlh));
        pid = nlh->nlmsg_pid;
        send_msg("I am from kernel!", pid);
}

struct netlink_kernel_cfg nl_kernel_cfg = {
        .groups = 0,
        .flags = 0,
        .input = recv_nlmsg,
        .cb_mutex = NULL,
        .bind = NULL,
        .compare = NULL,
};

int netlink_init(void)
{
        nl_sk = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_TEST, &nl_kernel_cfg);
        if (!nl_sk) {
                printk(KERN_ERR "my_net_link: create netlink socket error.\n");
                return 1;
        }
        printk(KERN_INFO "netlink_init: create netlink socket ok.\n");
        return 0;
}

static void netlink_exit(void)
{
        if (nl_sk != NULL)
                sock_release(nl_sk->sk_socket);

        printk(KERN_INFO "my_net_link: self module exited\n");
}

module_init(netlink_init);
module_exit(netlink_exit);
MODULE_AUTHOR("vv1133");
MODULE_LICENSE("GPL");

程序中，加载模块时，调用netlink_kernel_create()创建套接字。卸载模块时，调用sock_release()释放套接字。
netlink数据包处理函数是recv_nlmsg()，首先通过nlmsg_hdr()函数获取到netlink报头，netlink的消息报头由include/uapi/linux/netlink.h中的nlmsghdr定义：

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 */
};

我们通过NLMSG_DATA获取netlink的payload并打印出来。注意，netlink的payload一般使用TLV格式，即“类型-长度-值”，但这里我们只传递一个固定的字符串，简单起见就不用这个格式了。然后，通过alloc_skb()函数创建一个新的skb，并用nlmsg_put()函数填入netlink结构，填充要发送的字符串。最后调用netlink_unicast()发送数据。

用户态

对于用户态的程序，netlink通信与一般的socket通信类似。只是要用sendmsg()和recvmsg()代替send()/write()和recv()/read()
具体步骤如下：

1. 创建套接字
用户空间使用系统调用socket()创建netlink套接字，需要将域名设置成AF_NETLINK，类型必须是SOCK_RAW或SOCK_DGRAM，协议设置成我们的自定义netlink协议NETLINK_TEST。

2. 将本地套接字与源地址绑定
由于在netlink报头里要设置端口号，我们必须使用bind()函数将指定的端口与socket绑定。

3. 初始化msghdr
a. 设置目的地址信息

dest_addr.nl_family = AF_NETLINK;
dest_addr.nl_pid = 0;
dest_addr.nl_groups = 0;

b. 填充netlink报头，即nlmsghdr结构体

nlh = nlmsg_hdr(skb);
nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);
nlh->nlmsg_pid = getpid();
nlh->nlmsg_flags = 0;

c. 将缓冲区向量iovec与消息进行绑定，指向消息头。

iov.iov_base = (void *)nlh;
iov.iov_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);

d. 填充msghdr结构体

struct msghdr msg;
msg.msg_name = (void *)&dest_addr;
msg.msg_namelen = sizeof(dest_addr);
msg.msg_iov = &iov;
msg.msg_iovlen = 1;

4. 调用sendmsg向内核发送消息，recvmsg从内核获取消息。

来看代码：

#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
#define NETLINK_TEST 25

int main(int argc, char* argv[])
{
        int state;
        struct sockaddr_nl src_addr, dest_addr;
        struct nlmsghdr *nlh = NULL;
        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; //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; //设置目的端口号
        dest_addr.nl_groups = 0;
        nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);
        nlh->nlmsg_pid = 100; //设置源端口
        nlh->nlmsg_flags = 0;
        strcpy(NLMSG_DATA(nlh), "Hello from client!"); //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");
        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;
}

运行程序：

加载模块

# sudo insmod netl.ko

运行客户端程序

# ./client
state_smg
waiting
Received message: I am from

查看内核打印

# dmesg
[ 545.278040] my_net_link: self module exited
[ 679.799672] PPP MPPE Compression module registered
[ 4368.567435] netlink_init: create netlink socket ok.
[ 4379.239327] Message received:Hello from
[ 4379.239331] pid:100
[ 4379.239333] my_net_link:send message 'I am from kernel!'.

卸载模块

# sudo rmmod netl

文中的代码可以在下载。