netlink 0001 --- 基础简介

比眉伴天荒 2021-11-02 09:02 344阅读 0赞

netlink是一种基于网络的机制，允许在内核内部以及内核与用户层之间进行通信。最早在内核2.2引入，旨在替代笨拙的IOCTL，IOCTL不能从内核向用户空间发送异步消息，而且必须定义IOCTL号。

Netlink协议定义在RFC3549中。以前是可以编译成模块，现在直接集成到内核了。与profs和sysfs相比，有一些优势如下：

不需要轮询；系统调用和ioctl也能从用户层想内核传递信息，但是难以实现，另外netlink不会和模块冲突；内核可以直接向用户层发送信息；使用标准的套接字即可。

/proc/net/netlink文件中包含了当前活动的netlink连接信息。

代码位于net/netlink中。

af\_netlink.c  af\_netlink.h  diag.c  genetlink.c

其中genetlink提供通用的Netlink API,af\_netlink提供了套接字API,diag是监视接口提供用于读写有关Netlink套接字的信息。

### 1.1.1 Netlink子系统初始化 ###

通过函数netlink\_proto\_init(net/netlink/af\_netlink.c)向内核注册协议。

static int __init netlink_proto_init(void)
    
    {
    
            int i;
    
            int err = proto_register(&netlink_proto, 0);
    
    
    
            if (err != 0)
    
                    goto out;
    
    
    
            BUILD_BUG_ON(sizeof(struct netlink_skb_parms) > FIELD_SIZEOF(struct sk_buff, cb));
    
    
    
            nl_table = kcalloc(MAX_LINKS, sizeof(*nl_table), GFP_KERNEL);
    
            if (!nl_table)
    
                    goto panic;
    
    
    
            for (i = 0; i < MAX_LINKS; i++) {
    
                    if (rhashtable_init(&nl_table[i].hash,
    
                                        &netlink_rhashtable_params) < 0) {
    
                            while (--i > 0)
    
                                    rhashtable_destroy(&nl_table[i].hash);
    
                            kfree(nl_table);
    
                            goto panic;
    
                    }
    
            }
    
    
    
            netlink_add_usersock_entry();
    
    
    
            sock_register(&netlink_family_ops);
    
            register_pernet_subsys(&netlink_net_ops);
    
            register_pernet_subsys(&netlink_tap_net_ops);
    
            /* The netlink device handler may be needed early. */
    
            rtnetlink_init();
    
    out:
    
            return err;
    
    panic:
    
            panic("netlink_init: Cannot allocate nl_table\n");
    
    }

创建并初始化了nl\_table表数组，这个表是整个netlink实现的关键一步，每种协议类型占数组中的一项，后续内核中创建的不同种协议类型的netlink都将保存在这个表中，由该表统一维护,该表结构如下：

struct netlink_table {  
    
            struct rhashtable       hash;
    
            struct hlist_head       mc_list;
    
            struct listeners __rcu  *listeners;
    
            unsigned int            flags;
    
            unsigned int            groups;
    
            struct mutex            *cb_mutex;
    
            struct module           *module;                 
    
            int                     (*bind)(struct net *net, int group);
    
            void                    (*unbind)(struct net *net, int group);
    
            bool                    (*compare)(struct net *net, struct sock *sock);                                                                                        
    
            int                     registered;                                                                                                                            
    
    };

然后调用sock\_register(源码：sock\_register(&netlink\_family\_ops);)向内核注册协议处理函数，即将netlink的socket创建处理函数注册到内核中，以后应用层创建netlink类型的socket时将会调用该协议处理函数，其中netlink\_family\_ops函数的定义如下，可以知道每次创建PF\_NETLINK(AF\_NETLINK)类型的socket()系统调用时，将由netlink\_create()函数负责处理。

static const struct net_proto_family netlink_family_ops = {
    
            .family = PF_NETLINK,
    
            .create = netlink_create,
    
            .owner  = THIS_MODULE,  /* for consistency 8) */
    
    };

继续调用register\_pernet\_subsys，

该函数向内核的网络命名空间注册”子系统“的初始化和析构函数，在网络命名空间创建和注销时会调用这里注册的初始化和析构函数。netlink\_net\_ops定义如下：

static struct pernet_operations __net_initdata netlink_net_ops = {
    
            .init = netlink_net_init,
    
            .exit = netlink_net_exit,
    
    };

netlink\_net\_init()会在文件系统中为每个网络命名空间创建一个proc入口，而netlink\_net\_exit()就是则销毁。

最后调用rtnetlink\_init()创建NETLINK\_ROUTE协议类型的Netlink，用来传递网络路由子系统、邻居子系统、接口设置、防火墙等消息。整个Ｎetlink子系统初始化完成

### 1.1.2 使用 ###

Netlink套接字可以是SOCK\_RAW套接字，也可以是SOCK\_DGRAM套接字。内核和用户空间都可以使用Netlink套接字，只是调用的方法不同，用户空间使用传统的socket系统调用，内核态使用netlink\_kernel\_create函数。最终都会调用\_\_netlink\_create方法。

![1b0813f287a8b5f914072a8ccbf92b2573e19959][]

然后创建一个sockaddr\_nl结构来表示用户空间或内核Netlink套接字的地址。

开发使用Netlink套接字来收发数据的用户空间应用程序时，推荐使用libnl API。Libnl包还包含支持通用Netlink簇、路由选择簇和Netfilter簇的库。

Netlink套接字不仅用于网络子系统，还用于其他子系统如：SELinux、audit、uevent等。

Netlink采用地址编码，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)。

下面来看下相关的数据结构。

### 1.1.3 数据结构 ###

所有socket之间的通信，必须有个地址结构，netlink的地址结构如下：

sockaddr\_nl定义在**include/uapi/linux/netlink.h****文件中。**

struct sockaddr_nl {
    
            __kernel_sa_family_t    nl_family;      /* AF_NETLINK   */
    
            unsigned short  nl_pad;         /* zero         */       
    
            __u32           nl_pid;         /* port ID      */       
    
            __u32           nl_groups;      /* multicast groups mask */
    
    };

最关键的是nl\_family，所支持的定义在**include/uapi/linux/netlink.h****。**在内核网络栈中，可创建多种Netlink套接字，每种内核套接字可处理不同的类型消息。例如，NETLINK\_ROUTE消息，通过和NETLINK\_ROUTE协议通信，可以获得内核的路由信息。

…..

\#define NETLINK\_CRYPTO          21      /\* Crypto layer \*/

\#define NETLINK\_SMC             22      /\* SMC monitoring \*/

现在支持到了23个族。

Netlink\_kernel\_cfg结构体包含用于创建Netlink套接字的可选参数, 是内核netlink配置结构。

/* optional Netlink kernel configuration parameters */
    
    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);
    
    };

每个协议族都需要在内核中注册一个net\_proto\_family实例。

该结构体如下：

struct net_proto_family {
    
            int             family;
    
            int             (*create)(struct net *net, struct socket *sock,
    
                                      int protocol, int kern);       
    
            struct module   *owner;        
    
    };

### 1.1.4 消息格式 ###

在用户空间和内核空间进行交换时候，必须采用特定的格式。消息的开头是长度固定的netlink报头。

报头的结构体为nlmsghdr结构体，共16个字节。

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 port ID */
    
    };

整个消息长度，包括首部和任何所需的填充字节，在nlmsg\_len。nlmsg\_pid是发送消息的用户程序进程PID。nlmsg\_seq序列号，用于排列消息，并不是必须的。nlmsg\_flags例如是NLM\_F\_REQUEST。nlmsg\_type表示消息类型,如NLMMSG\_ERROR发生了错误。

netlink的消息头后面跟着的是消息的有效载荷部分，它采用的是格式为“类型——长度——值”，简写TLV。其中类型和长度使用属性头nlattr来表示。其中nla\_len表示属性长度；nla\_type表示属性类型，取值定义在include\\net\\netlink.h中。

netlink属性头是struct nlattr,定义在**include/uapi/linux/netlink.h****中**，

struct nlattr {
    
            __u16           nla_len;
    
            __u16           nla_type;
    
    };

### 1.1.5 关于使用 ###

使用Netlink的方法如下，先运行netlink内核模块；然后运行用户态程序，向内核发送连接消息，通知内核用户的进程id；内核接收用户消息，记录其进程id；内核向用户进程id发送netlink消息；用户接收内核发送的netlink消息。Ok,整体流程这样。

此外，为了获取netlink报文中数据的方便，netlink提供了下面几个宏进行数据的获取和解包操作,定义在include/uapi/linux/netlink.h

#define NLMSG_ALIGNTO   4U
    
    #define NLMSG_ALIGN(len) ( ((len)+NLMSG_ALIGNTO-1) & ~(NLMSG_ALIGNTO-1) )
    
    #define NLMSG_HDRLEN     ((int) NLMSG_ALIGN(sizeof(struct nlmsghdr)))
    
    #define NLMSG_LENGTH(len) ((len) + NLMSG_HDRLEN)
    
    #define NLMSG_SPACE(len) NLMSG_ALIGN(NLMSG_LENGTH(len))
    
    #define NLMSG_DATA(nlh)  ((void*)(((char*)nlh) + NLMSG_LENGTH(0)))
    
    #define NLMSG_NEXT(nlh,len)      ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \
    
                                      (struct nlmsghdr*)(((char*)(nlh)) + NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len)))
    
    #define NLMSG_OK(nlh,len) ((len) >= (int)sizeof(struct nlmsghdr) && \
    
                               (nlh)->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) && \
    
                               (nlh)->nlmsg_len <= (len))
    
    #define NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) ((nlh)->nlmsg_len - NLMSG_SPACE((len)))

从用户空间接收的数据将由netlink\_kernel\_cfg结构体中的input指定函数来处理。

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