Netlink通信 - 技术栈

前言

Netlink 是 Linux 内核与用户空间进程之间进行通信的机制之一,一种特殊的进程间通信(IPC) 。
它是一种全双工、异步的通信机制，允许内核与用户空间之间传递消息。
Netlink 主要用于内核模块与用户空间程序之间进行通信，也被一些用户空间工具用于与内核进行交互，比如 ip 命令。

Netlink 的主要特点

异步通信：发送方和接收方是独立的，不需要等待对方的响应，因此是异步通信。
多播支持：可以通过多播组的方式实现一对多的通信。
全双工：可以同时进行收发消息，不像一些其他通信机制是单向的。
支持多种消息类型：Netlink 支持多种消息类型，不同类型的消息有不同的用途。

Netlink 的基本使用流程

创建 Netlink 套接字：在内核或用户空间中创建 Netlink 套接字。在内核空间，可以使用netlink_kernel_create 函数；在用户空间，使用 socket 函数创建 Netlink 套接字。
绑定套接字到 Netlink 组：对于用户空间的 Netlink 套接字，可以通过 bind 函数将套接字绑定到一个 Netlink 组。内核空间的 Netlink 套接字通常使用 NETLINK_KERNEL 类型。
发送消息：应用层使用 sendmsg 函数发送消息给内核驱动。消息的格式通常是 struct nlmsghdr，你可以在消息中携带不同的有效负载。
内核驱动接收方可以注册一个回调函数，当消息到达时，内核会调用这个回调函数。在用户空间，可以使用 recvmsg 函数接收消息。

什么是netlink组

在 Netlink 中，组（Group）是一种机制，它允许多个进程注册到同一个 Netlink类型并接收相同类型的消息。使用组的概念，可以实现一对多的通信机制。
每个 Netlink 套接字可以加入一个或多个组，然后发送到该组的消息将被组中的所有套接字接收。这使得多个进程可以同时监听并处理相同类型的消息。
在 Netlink 中，组是通过一个 32 位的标志位来表示的，这个标志位被称为 Multicast Group ID。通过使用这个标志位，可以方便地控制消息的分发。

Netlink 组的一些常用的组 ID

0：表示不加入任何组，也就是说消息只会发送给明确指定的套接字。
1：通常用于指定默认的组，允许接收一些通用的消息。
2 到 32：这些组的含义是由具体的协议或模块定义的。
33 到 1023：保留给用户使用。
1024 到 2047：保留给内核使用。

Netlink 组的使用

创建 Netlink 套接字时指定组：在用户空间使用 socket 函数创建 Netlink 套接字时，可以通过 bind函数将套接字绑定到指定的组。
内核中使用 mc_list 字段：在内核模块中使用 struct netlink_kernel_cfg 结构体的 mc_list 字段来指定加入的组。

c 复制代码

 static struct netlink_kernel_cfg my_netlink_cfg = {
    .input = my_netlink_receive,
    .mc_list = my_netlink_groups,  // 这是一个包含组 ID 的数组
};

这里，my_netlink_groups 是一个包含组 ID 的数组，通过将套接字绑定到这些组，可以实现一对多的消息分发。

本文目标

内核驱动与应用层完成数据的发送与接收，单进程通信

代码正文

用户层代码：

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/netlink.h>

#define NETLINK_USER 31

struct sockaddr_nl src_addr, dest_addr;
struct nlmsghdr *nlh = NULL;
struct iovec iov;
struct msghdr msg;

void handle_msg(struct nlmsghdr *nlh) {
    printf("Netlink Message Header:\n");
    printf("  Length: %u\n", nlh->nlmsg_len);
    printf("  Type: %u\n", nlh->nlmsg_type);
    printf("  Flags: 0x%X\n", nlh->nlmsg_flags);
    printf("  Sequence Number: %u\n", nlh->nlmsg_seq);
    printf("  PID: %u\n", nlh->nlmsg_pid);
    printf("Received message: %s\n", (char *)NLMSG_DATA(nlh));
}

int main() {
    int sock_fd = socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_USER);
    if (sock_fd < 0) {
        perror("Error creating socket");
        return -1;
    }

    memset(&src_addr, 0, sizeof(src_addr));
    src_addr.nl_family = AF_NETLINK;
    src_addr.nl_pid = getpid(); // Process ID
    src_addr.nl_groups = 0;     // Unicast

    bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&src_addr, sizeof(src_addr));

    memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.nl_family = AF_NETLINK;
    dest_addr.nl_pid = 0;       // To kernel.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。
    dest_addr.nl_groups = 0;    // Unicast


 // 分配消息缓冲区并设置消息头
    nlh = malloc(NLMSG_SPACE(strlen("Hello from user space!") + 1));
    strcpy(NLMSG_DATA(nlh), "Hello from user space!");
    nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(strlen("Hello from user space!") + 1);

    nlh->nlmsg_pid = getpid();
    nlh->nlmsg_flags = 0;

    iov.iov_base = (void *)nlh;
    iov.iov_len = nlh->nlmsg_len;
    msg.msg_name = (void *)&dest_addr;
    msg.msg_namelen = sizeof(dest_addr);
    msg.msg_iov = &iov;
    msg.msg_iovlen = 1;

    // Send a message to the kernel
    sendmsg(sock_fd, &msg, 0);
    recvmsg(sock_fd, &msg, 0);
    handle_msg(nlh);
    free(nlh);
    close(sock_fd);
    return 0;
}

驱动代码：

c 复制代码

#include <linux/module.h>
#include <net/sock.h>
#include <linux/netlink.h>


#define NETLINK_USER 31

struct sock *nl_sk = NULL;
void send_to_user(const char *message, u32 pid) {
    struct sk_buff *skb;
    struct nlmsghdr *nlh;
    int len = strlen(message) + 1;

    skb = nlmsg_new(NLMSG_SPACE(len), GFP_KERNEL);
    if (!skb) {
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate skb\n");
        return;
    }

    nlh = nlmsg_put(skb, 0, 0, NLMSG_DONE, len, 0);
    strncpy(nlmsg_data(nlh), message, len);

    netlink_unicast(nl_sk, skb, pid, MSG_DONTWAIT);
}


void nl_recv_msg(struct sk_buff *skb) {
    struct nlmsghdr *nlh = nlmsg_hdr(skb);
/* 
Netlink 消息头的数据结构
  struct nlmsghdr {
    __u32 nlmsg_len;    // 消息长度（包括头部长度）
    __u16 nlmsg_type;   // 消息类型
    __u16 nlmsg_flags;  // 消息标志
    __u32 nlmsg_seq;    // 序列号
    __u32 nlmsg_pid;    // 发送方进程的进程ID
};
*/    
    printk("-------------驱动收到消息-------------\n");
    printk("Netlink Message Header:\n");
    printk("  Length: %u\n", nlh->nlmsg_len);
    printk("  Type: %u\n", nlh->nlmsg_type);
    printk("  Flags: 0x%X\n", nlh->nlmsg_flags);
    printk("  Sequence Number: %u\n", nlh->nlmsg_seq);
    printk("  PID: %u\n", nlh->nlmsg_pid);

    printk("Received message: %s\n", (char *)nlmsg_data(nlh));

    int pid = nlh->nlmsg_pid; // Sending process ID
    send_to_user("Hello from kernel!", pid);
}

static struct netlink_kernel_cfg cfg = {
    .input = nl_recv_msg,//回调函数
};



int init_module() {
    nl_sk = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_USER, &cfg);
    if (!nl_sk) {
        printk(KERN_ALERT "Error creating socket.\n");
        return -10;
    }
    printk(KERN_INFO "Netlink module loaded.\n");
    return 0;
}

void cleanup_module() {
    netlink_kernel_release(nl_sk);
    printk(KERN_INFO "Netlink module unloaded.\n");
}

MODULE_LICENSE("GPL");

编译与验证

驱动Makefile：

c 复制代码

KERNEL_DIR = /lib/modules/$(shell uname -r)/build
#PWD = $(shell pwd)
obj-m += netlink_socket_dirver.o

all:
	make -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules

clean:
	make -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) clean

驱动编译：

c 复制代码

@ubuntu:$ make all
make -C /lib/modules/5.4.0-150-generic/build M=/netlink_socket modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-5.4.0-150-generic'
  CC [M]  netlink_socket/netlink_socket_dirver.o
/netlink_socket/netlink_socket_dirver.c: In function 'nl_recv_msg':
netlink_socket/netlink_socket_dirver.c:51:5: warning: ISO C90 forbids mixed declarations and code [-Wdeclaration-after-statement]
     int pid = nlh->nlmsg_pid; // Sending process ID
     ^~~
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  CC [M]  netlink_socket/netlink_socket_dirver.mod.o
  LD [M]  netlink_socket/netlink_socket_dirver.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-5.4.0-150-generic'

应用层编译：

c 复制代码

@ubuntu:netlink_socket$ gcc netlink_socket_user.c -o netlink_socket_user.o

验证执行

驱动加载：

c 复制代码

sudo insmod netlink_socket_dirver.ko

dmesg看log：

c 复制代码

[890093.196626] -------------驱动收到消息-------------
[890093.196627] Netlink Message Header:
[890093.196627]   Length: 40
[890093.196628]   Type: 0
[890093.196628]   Flags: 0x0
[890093.196628]   Sequence Number: 0
[890093.196628]   PID: 96003
[890093.196629] Received message: Hello from user space!

应用层打印：

c 复制代码

@ubuntu:$ sudo ./netlink_socket_user.o
Netlink Message Header:
  Length: 35
  Type: 3
  Flags: 0x0
  Sequence Number: 0
  PID: 0
Received message: Hello from kernel!

结果

成功验证

PS：

希望能抛砖引玉