Linux内核 -- Netlink使用

Linux Netlink 机制

简介

Netlink 是 Linux 内核与用户空间通信的一种机制，提供了一种可扩展的、基于消息的接口。它最初是为网络配置而设计的，但现在已被扩展到许多其他内核子系统。Netlink 支持单播和多播通信。

Netlink 消息的基本结构

Netlink 消息由头部和负载组成。头部包含消息的元数据，如消息类型和长度，而负载包含实际的数据。

struct nlmsghdr {
    __u32 nlmsg_len;   // 消息长度
    __u16 nlmsg_type;  // 消息类型
    __u16 nlmsg_flags; // 标志
    __u32 nlmsg_seq;   // 序列号
    __u32 nlmsg_pid;   // 发送者的进程 ID
};

单播通信

单播通信是指消息从一个发送者发送到一个接收者。Netlink 单播通常用于请求-响应类型的通信。

单播通信示例

1. 创建 Netlink 套接字：

   int sockfd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE);

2. 准备发送的消息：

   struct nlmsghdr *nlh = malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));
   nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);
   nlh->nlmsg_pid = getpid();
   nlh->nlmsg_flags = 0;
   strcpy(NLMSG_DATA(nlh), "Hello");
   
   struct sockaddr_nl dest_addr;
   memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
   dest_addr.nl_family = AF_NETLINK;
   dest_addr.nl_pid = 0; // 发送到内核

3. 发送消息：

   sendto(sockfd, nlh, nlh->nlmsg_len, 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));

4. 接收响应：

   recv(sockfd, nlh, NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD), 0);
   printf("Received message payload: %s

", NLMSG_DATA(nlh));

## 多播通信

多播通信允许一个发送者将消息发送到多个接收者。Netlink 多播通常用于通知机制，如网络接口状态变化。

### 多播通信示例

1. 创建 Netlink 套接字并加入多播组：
```c
int sockfd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE);
struct sockaddr_nl local_addr;
memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));
local_addr.nl_family = AF_NETLINK;
local_addr.nl_pid = getpid();
local_addr.nl_groups = RTMGRP_LINK;

bind(sockfd, (struct sockaddr *)&local_addr, sizeof(local_addr));

2. 准备并发送多播消息：

   struct nlmsghdr *nlh = malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD));
   nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD);
   nlh->nlmsg_pid = getpid();
   nlh->nlmsg_flags = NLM_F_REQUEST;
   strcpy(NLMSG_DATA(nlh), "Multicast Message");
   
   struct sockaddr_nl dest_addr;
   memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
   dest_addr.nl_family = AF_NETLINK;
   dest_addr.nl_pid = 0; // 发送到内核
   dest_addr.nl_groups = RTMGRP_LINK;
   
   sendto(sockfd, nlh, nlh->nlmsg_len, 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));

3. 接收多播消息：

   recv(sockfd, nlh, NLMSG_SPACE(MAX_PAYLOAD), 0);
   printf("Received multicast message payload: %s

", NLMSG_DATA(nlh));

## Netlink 内核接收用户态消息的实现

内核中接收用户态 Netlink 消息的实现需要在内核模块中注册一个 Netlink 套接字，并编写回调函数处理接收到的消息。

### 内核模块示例

1. 注册 Netlink 套接字：
```c
struct netlink_kernel_cfg cfg = {
    .input = netlink_recv_msg,
};

struct sock *nl_sk = netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_USER, &cfg);
if (!nl_sk) {
    printk(KERN_ALERT "Error creating Netlink socket.
");
    return -1;
}

2. 实现消息接收回调函数：

   static void netlink_recv_msg(struct sk_buff *skb) {
       struct nlmsghdr *nlh = (struct nlmsghdr *)skb->data;
       printk(KERN_INFO "Received Netlink message payload: %s

", (char *)nlmsg_data(nlh));

}

## nl_groups 字段的用法及注意事项

`nl_groups` 字段用于指定 Netlink 套接字加入的多播组。它可以是一个或多个多播组的位掩码。

### 使用示例

1. 创建套接字时指定多播组：
```c
struct sockaddr_nl local_addr;
memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));
local_addr.nl_family = AF_NETLINK;
local_addr.nl_pid = getpid();
local_addr.nl_groups = RTMGRP_LINK | RTMGRP_IPV4_IFADDR; // 加入多个组

bind(sockfd, (struct sockaddr *)&local_addr, sizeof(local_addr));

注意事项

• 加入多播组后，套接字将接收该组的所有消息，因此需要在应用程序中实现相应的消息过滤机制。
• 多播组的位掩码可以通过内核头文件 (linux/rtnetlink.h) 中定义的宏来设置。

总结

Netlink 机制在 Linux 系统中非常强大，广泛用于内核与用户空间的通信。理解单播和多播通信的实现对系统编程和网络编程都有重要意义。同时，掌握 Netlink 的内核接收实现和多播组的使用方法，可以更高效地利用 Netlink 机制进行开发。