netlink(1)

Linux Netlink 通信示例程序

本项目提供了一个完整的 Linux Netlink 通信示例，用于学习 Netlink 的核心工作原理。

项目结构

复制代码

.
├── kernel_netlink.c    # 内核模块源代码
├── user_netlink.c      # 用户空间客户端源代码
├── Makefile            # 编译脚本
├── test.sh             # 自动化测试脚本
└── README.md           # 本文档

核心概念

1. Netlink 寻址方式

基于PID的单播通信

每个Netlink套接字绑定到一个唯一的进程ID (PID)
内核通过PID将消息发送到特定的用户空间进程
nlmsg_pid 字段标识消息发送者的PID

基于多播组的通信

多播组允许多个进程同时接收相同的消息
进程通过 setsockopt() 加入多播组
nl_groups 字段指定多播组ID

2. Netlink消息格式

复制代码

+------------------+
|   nlmsghdr       |  <- 消息头 (16字节)
+------------------+
|                  |
|   Payload Data   |  <- 数据负载
|                  |
+------------------+

nlmsghdr 结构体

c 复制代码

struct nlmsghdr {
    __u32 nlmsg_len;    // 消息总长度（包括头部）
    __u16 nlmsg_type;   // 消息类型
    __u16 nlmsg_flags;  // 消息标志
    __u32 nlmsg_seq;    // 序列号
    __u32 nlmsg_pid;    // 发送者PID
};

3. 常用Netlink宏

宏	功能	说明
`NLMSG_LENGTH(len)`	计算消息长度	头部长度 + len（未对齐）
`NLMSG_SPACE(len)`	计算空间大小	头部长度 + len（对齐到4字节）
`NLMSG_DATA(nlh)`	获取数据指针	返回消息头之后的数据区地址
`NLMSG_NEXT(nlh, len)`	获取下一条消息	用于遍历多条消息
`NLMSG_OK(nlh, len)`	验证消息有效性	检查消息是否完整
`NLMSG_PAYLOAD(nlh, len)`	获取负载长度	返回数据负载的实际长度
`NLMSG_ALIGN(len)`	对齐长度	将len对齐到4字节边界
`NLMSG_HDRLEN`	消息头长度	对齐后的头部长度

编译和运行

前提条件

Linux内核头文件
GCC编译器
make工具
root权限（用于加载内核模块）

编译步骤

bash 复制代码

# 编译内核模块和用户空间程序
make

# 或者分别编译
make kernel_module    # 仅编译内核模块
make user_program     # 仅编译用户程序

运行步骤

1. 加载内核模块

bash 复制代码

sudo insmod kernel_netlink.ko

2. 检查模块是否加载成功

bash 复制代码

lsmod | grep kernel_netlink
dmesg | tail

3. 运行用户空间程序

bash 复制代码

# 单播通信演示
./user_netlink unicast

# 多播通信演示（需要两个终端）
# 终端1：接收多播消息
./user_netlink multicast

# 终端2：触发内核发送多播消息
./user_netlink trigger

# 演示Netlink宏
./user_netlink macros

4. 卸载内核模块

bash 复制代码

sudo rmmod kernel_netlink

自动化测试

bash 复制代码

chmod +x test.sh
./test.sh

测试场景详解

场景1：单播通信

单播通信演示了基于PID的寻址方式：

用户程序创建Netlink套接字并绑定到自己的PID
构造Netlink消息，设置目标PID为0（内核）
通过sendmsg()发送消息
内核模块接收消息，根据nlmsg_pid识别发送者
内核构造响应消息，通过nlmsg_unicast()发送回用户程序

bash 复制代码

./user_netlink unicast

场景2：多播通信

多播通信演示了基于多播组的寻址方式：

接收者进程通过setsockopt()加入多播组
触发者进程发送MULTICAST类型消息给内核
内核通过nlmsg_multicast()向多播组发送消息
所有加入该多播组的进程都会收到消息

bash 复制代码

# 终端1
./user_netlink multicast

# 终端2
./user_netlink trigger

场景3：观察消息处理

使用dmesg查看内核日志：

bash 复制代码

# 实时查看内核日志
dmesg -w | grep netlink_kernel

# 查看最近的日志
dmesg | tail -50

消息类型定义

本示例定义了三种消息类型：

类型	值	说明
`NLMSG_SETPID`	0x11	客户端注册PID
`NLMSG_GETPID`	0x12	请求内核信息
`NLMSG_MULTICAST`	0x13	触发多播消息

关键代码解析

内核模块关键函数

netlink_kernel_create() - 创建Netlink套接字
nlmsg_new() - 分配新的Netlink消息
nlmsg_put() - 填充消息头
nlmsg_unicast() - 发送单播消息
nlmsg_multicast() - 发送多播消息

用户空间关键函数

socket(AF_NETLINK, ...) - 创建Netlink套接字
bind() - 绑定到本地地址（PID）
setsockopt() - 加入多播组
sendmsg() - 发送消息
recvmsg() - 接收消息

调试技巧

1. 使用strace跟踪系统调用

bash 复制代码

strace -e socket,bind,sendmsg,recvmsg ./user_netlink unicast

2. 查看Netlink套接字状态

bash 复制代码

cat /proc/net/netlink

3. 使用netlink监控工具

bash 复制代码

# 安装libnl工具
sudo apt-get install libnl-3-dev libnl-genl-3-dev

# 使用nl-sock-list查看Netlink套接字
nl-sock-list

常见问题

Q1: 加载内核模块失败

确保已安装正确的内核头文件：

bash 复制代码

sudo apt-get install linux-headers-$(uname -r)

Q2: 权限不足

Netlink操作需要root权限：

bash 复制代码

sudo ./user_netlink unicast

Q3: 多播消息接收不到

确保接收进程先启动并加入多播组，然后再触发多播。

Q4: 内核模块无法卸载

检查是否有进程正在使用：

bash 复制代码

lsmod | grep kernel_netlink

扩展学习

1. Generic Netlink (genl)

Generic Netlink提供了更灵活的Netlink使用方式，适合需要动态注册协议的场景。

2. Netlink属性

使用nla_*系列函数可以更方便地处理复杂的数据结构。

3. Netlink Family

查看系统支持的Netlink协议族：

bash 复制代码

cat /usr/include/linux/netlink.h | grep NETLINK_

Linux Netlink 通信示例程序

项目结构

核心概念

1. Netlink 寻址方式

基于PID的单播通信

基于多播组的通信

2. Netlink消息格式

nlmsghdr 结构体

3. 常用Netlink宏

编译和运行

前提条件

编译步骤

运行步骤

1. 加载内核模块

2. 检查模块是否加载成功

3. 运行用户空间程序

4. 卸载内核模块

自动化测试

测试场景详解

场景1：单播通信

场景2：多播通信

场景3：观察消息处理

消息类型定义

关键代码解析

内核模块关键函数

用户空间关键函数

调试技巧

1. 使用strace跟踪系统调用

2. 查看Netlink套接字状态

3. 使用netlink监控工具

常见问题

Q1: 加载内核模块失败

Q2: 权限不足

Q3: 多播消息接收不到

Q4: 内核模块无法卸载

扩展学习

1. Generic Netlink (genl)

2. Netlink属性

3. Netlink Family

参考资料