1?引言

Linux中的進程間通信機制源自于Unix平臺上的進程通信機制。Unix的兩大分支AT&T Unix和BSD Unix在進程通信實現(xiàn)機制上的各有所不同，前者形成了運行在單個計算機上的System V IPC，后者則實現(xiàn)了基于socket的進程間通信機制。同時Linux也遵循IEEE制定的Posix IPC標準，在三者的基礎之上實現(xiàn)了以下幾種主要的IPC機制：管道(Pipe)及命名管道(Named Pipe)，信號(Signal)，消息隊列(Message queue)，共享內(nèi)存(Shared Memory)，信號量(Semaphore)，套接字(Socket)。通過這些IPC機制，用戶空間進程之間可以完成互相通信。為了完成內(nèi)核空間與用戶空間通信，Linux提供了基于socket的Netlink通信機制，可以實現(xiàn)內(nèi)核與用戶空間數(shù)據(jù)的及時交換。

本文第2節(jié)概述相關研究工作，第3節(jié)與其他IPC機制對比，詳細介紹Netlink機制及其關鍵技術，第4節(jié)使用KGDB+GDB組合調試，通過一個示例程序演示Netlink通信過程。第5節(jié)做總結并指出Netlink通信機制的不足之處。

2?相關研究

到目前Linux提供了9種機制完成內(nèi)核與用戶空間的數(shù)據(jù)交換，分別是內(nèi)核啟動參數(shù)、模塊參數(shù)與 sysfs、sysctl、系統(tǒng)調用、netlink、procfs、seq_file、debugfs和relayfs，其中模塊參數(shù)與sysfs、procfs、debugfs、relayfs是基于文件系統(tǒng)的通信機制，用于內(nèi)核空間向用戶控件輸出信息；sysctl、系統(tǒng)調用是由用戶空間發(fā)起的通信機制。由此可見，以上均為單工通信機制，在內(nèi)核空間與用戶空間的雙向互動數(shù)據(jù)交換上略顯不足。Netlink是基于socket的通信機制，由于socket本身的雙共性、突發(fā)性、不阻塞特點，因此能夠很好的滿足內(nèi)核與用戶空間小量數(shù)據(jù)的及時交互，因此在Linux 2.6內(nèi)核中廣泛使用，例如SELinux，Linux系統(tǒng)的防火墻分為內(nèi)核態(tài)的netfilter和用戶態(tài)的iptables，netfilter與iptables的數(shù)據(jù)交換就是通過Netlink機制完成。?

3 Netlink機制及其關鍵技術

3.1 Netlink機制

Linux操作系統(tǒng)中當CPU處于內(nèi)核狀態(tài)時，可以分為有用戶上下文的狀態(tài)和執(zhí)行硬件、軟件中斷兩種。其中當處于有用戶上下文時，由于內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的內(nèi)存映射機制不同，不可直接將本地變量傳給用戶態(tài)的內(nèi)存區(qū)；處于硬件、軟件中斷時，無法直接向用戶內(nèi)存區(qū)傳遞數(shù)據(jù)，代碼執(zhí)行不可中斷。針對傳統(tǒng)的進程間通信機制，他們均無法直接在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間使用，原因如下表：

通信方法

無法介于內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的原因

管道（不包括命名管道）

局限于父子進程間的通信。

消息隊列

在硬、軟中斷中無法無阻塞地接收數(shù)據(jù)。

信號量

無法介于內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)使用。

內(nèi)存共享

需要信號量輔助，而信號量又無法使用。

套接字

在硬、軟中斷中無法無阻塞地接收數(shù)據(jù)。

1*（引自 參考文獻5）

??? 解決內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)通信機制可分為兩類：

處于有用戶上下文時，可以使用Linux提供的copy_from_user()和copy_to_user()函數(shù)完成，但由于這兩個函數(shù)可能阻塞，因此不能在硬件、軟件的中斷過程中使用。

處于硬、軟件中斷時。

2.1?? 可以通過Linux內(nèi)核提供的spinlock自旋鎖實現(xiàn)內(nèi)核線程與中斷過程的同步，由于內(nèi)核線程運行在有上下文的進程中，因此可以在內(nèi)核線程中使用套接字或消息隊列來取得用戶空間的數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)通過臨界區(qū)傳遞給中斷過程.

2.2?? 通過Netlink機制實現(xiàn)。Netlink 套接字的通信依據(jù)是一個對應于進程的標識，一般定為該進程的 ID。Netlink通信最大的特點是對對中斷過程的支持，它在內(nèi)核空間接收用戶空間數(shù)據(jù)時不再需要用戶自行啟動一個內(nèi)核線程，而是通過另一個軟中斷調用用戶事先指定的接收函數(shù)。通過軟中斷而不是自行啟動內(nèi)核線程保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。

3.2 Netlink優(yōu)點

Netlink相對于其他的通信機制具有以下優(yōu)點：

使用Netlink通過自定義一種新的協(xié)議并加入?yún)f(xié)議族即可通過socket API使用Netlink協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換，而ioctl和proc文件系統(tǒng)均需要通過程序加入相應的設備或文件。

Netlink使用socket緩存隊列，是一種異步通信機制，而ioctl是同步通信機制，如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，會影響系統(tǒng)性能。

Netlink支持多播，屬于一個Netlink組的模塊和進程都能獲得該多播消息。

Netlink允許內(nèi)核發(fā)起會話，而ioctl和系統(tǒng)調用只能由用戶空間進程發(fā)起。

在內(nèi)核源碼有關Netlink協(xié)議的頭文件中包含了內(nèi)核預定義的協(xié)議類型，如下所示：

#define NETLINK_ROUTE 0 #define NETLINK_W1 1 #define NETLINK_USERSOCK 2 #define NETLINK_FIREWALL 3 #define NETLINK_INET_DIAG 4 #define NETLINK_NFLOG 5 #define NETLINK_XFRM 6 #define NETLINK_SELINUX 7 #define NETLINK_ISCSI 8 #define NETLINK_AUDIT 9 #define NETLINK_FIB_LOOKUP 10#define NETLINK_CONNECTOR 11#define NETLINK_NETFILTER 12 #define NETLINK_IP6_FW 13#define NETLINK_DNRTMSG 14 #define NETLINK_KOBJECT_UEVENT 15 #define NETLINK_GENERIC 16

上述這些協(xié)議已經(jīng)為不同的系統(tǒng)應用所使用，每種不同的應用都有特有的傳輸數(shù)據(jù)的格式，因此如果用戶不使用這些協(xié)議，需要加入自己定義的協(xié)議號。對于每一個Netlink協(xié)議類型，可以有多達 32多播組，每一個多播組用一個位表示，Netlink 的多播特性使得發(fā)送消息給同一個組僅需要一次系統(tǒng)調用，因而對于需要多撥消息的應用而言，大大地降低了系統(tǒng)調用的次數(shù)。

建立Netlink會話過程如下：

內(nèi)核使用與標準socket API類似的一套API完成通信過程。首先通過netlink_kernel_create()創(chuàng)建套接字，該函數(shù)的原型如下：

struct sock *netlink_kernel_create(struct net *net, int unit,unsigned int groups, void (*input)(struct sk_buff *skb), struct mutex *cb_mutex, struct module *module);

其中net參數(shù)是網(wǎng)絡設備命名空間指針，input函數(shù)是netlink socket在接受到消息時調用的回調函數(shù)指針，module默認為THIS_MODULE.

然后用戶空間進程使用標準Socket API來創(chuàng)建套接字，將進程ID發(fā)送至內(nèi)核空間，用戶空間創(chuàng)建使用socket()創(chuàng)建套接字，該函數(shù)的原型如下：

int socket(int domain, int type, int protocol);

其中domain值為PF_NETLINK，即Netlink使用協(xié)議族。protocol為Netlink提供的協(xié)議或者是用戶自定義的協(xié)議，Netlink提供的協(xié)議包括NETLINK_ROUTE, NETLINK_FIREWALL, NETLINK_ARPD, NETLINK_ROUTE6和 NETLINK_IP6_FW。

接著使用bind函數(shù)綁定。Netlink的bind()函數(shù)把一個本地socket地址(源socket地址)與一個打開的socket進行關聯(lián)。完成綁定，內(nèi)核空間接收到用戶進程ID之后便可以進行通訊。

用戶空間進程發(fā)送數(shù)據(jù)使用標準socket API中sendmsg()函數(shù)完成，使用時需添加struct msghdr消息和nlmsghdr消息頭。一個netlink消息體由nlmsghdr和消息的payload部分組成，輸入消息后，內(nèi)核會進入nlmsghdr指向的緩沖區(qū)。

內(nèi)核空間發(fā)送數(shù)據(jù)使用獨立創(chuàng)建的sk_buff緩沖區(qū)，Linux定義了如下宏方便對于緩沖區(qū)地址的設置，如下所示：

#define NETLINK_CB(skb) (*(struct netlink_skb_parms*)&((skb)->cb))

在對緩沖區(qū)設置完成消息地址之后，可以使用netlink_unicast()來發(fā)布單播消息，netlink_unicast()原型如下：

int netlink_unicast(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, u32 pid, int nonblock);

參數(shù)sk為函數(shù)netlink_kernel_create()返回的socket，參數(shù)skb存放消息，它的data字段指向要發(fā)送的netlink消息結構，而skb的控制塊保存了消息的地址信息，前面的宏NETLINK_CB(skb)就用于方便設置該控制塊，參數(shù)pid為接收消息進程的pid，參數(shù)nonblock表示該函數(shù)是否為非阻塞，如果為1，該函數(shù)將在沒有接收緩存可利用時立即返回，而如果為0，該函數(shù)在沒有接收緩存可利用時睡眠。

內(nèi)核模塊或子系統(tǒng)也可以使用函數(shù)netlink_broadcast來發(fā)送廣播消息：

void netlink_broadcast(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, int allocation);

前面的三個參數(shù)與netlink_unicast相同，參數(shù)group為接收消息的多播組，該參數(shù)的每一個代表一個多播組，因此如果發(fā)送給多個多播組，就把該參數(shù)設置為多個多播組組ID的位或。參數(shù)allocation為內(nèi)核內(nèi)存分配類型，一般地為GFP_ATOMIC或GFP_KERNEL，GFP_ATOMIC用于原子的上下文（即不可以睡眠），而GFP_KERNEL用于非原子上下文。

接收數(shù)據(jù)時程序需要申請足夠大的空間來存儲netlink消息頭和消息的payload部分。然后使用標準函數(shù)接口recvmsg()來接收netlink消息

4 Netlink通信過程

調試平臺：Vmware 5.5 + Fedora Core 10(兩臺，一臺作為host機，一臺作為target機)。

調試程序：分為內(nèi)核模塊和用戶空間程序兩部分，當內(nèi)核模塊被加載后，運行用戶空間程序，由用戶空間發(fā)起Netlink會話，和內(nèi)核模塊進行數(shù)據(jù)交換。

被加載的內(nèi)核模塊無法通過外加的調試器進行調試，KGDB提供了一種內(nèi)核源碼級別的調試機制。Linux內(nèi)核自2.6.26版本之后在內(nèi)核中內(nèi)置了KGDB選項，編譯內(nèi)核時需要選擇與之相關的選項，調試時host端需使用帶有符號表的vmlinz內(nèi)核，target端使用gdb調試用戶空間的程序。

用戶空間程序關鍵代碼如下：

int send_pck_to_kern(u8 op, const u8 *data, u16 data_len){ struct user_data_ *pck; int ret; pck = (struct user_data_*)calloc(1, sizeof(*pck) + data_len); if(!pck) { printf("calloc in %s failed!!!\n", __FUNCTION__); return -1; } pck->magic_num = MAGIC_NUM_RNQ; pck->op = op; pck->data_len = data_len; memcpy(pck->data, data, data_len); ret = send_to_kern((const u8*)pck, sizeof(*pck) + data_len); if(ret) printf("send_to_kern in %s failed!!!\n", __FUNCTION__); free(pck); return ret ? -1 : 0;} static void recv_from_nl(){ char buf[1000]; int len; struct iovec iov = {buf, sizeof(buf)}; struct sockaddr_nl sa; struct msghdr msg; struct nlmsghdr *nh; memset(&msg, 0, sizeof(msg)); msg.msg_name = (void *)&sa; msg.msg_namelen = sizeof(sa); msg.msg_iov = &iov; msg.msg_iovlen = 1; //len = recvmsg(nl_sock, &msg, 0); len = recvmsg(nl_sock, &msg, 0); for (nh = (struct nlmsghdr *)buf; NLMSG_OK(nh, len); nh = NLMSG_NEXT (nh, len)) { // The end of multipart message. if (nh->nlmsg_type == NLMSG_DONE) { puts("nh->nlmsg_type == NLMSG_DONE"); return; } if (nh->nlmsg_type == NLMSG_ERROR) { // Do some error handling. puts("nh->nlmsg_type == NLMSG_ERROR"); return; } #if 1 puts("Data received from kernel:"); hex_dump((u8*)NLMSG_DATA(nh), NLMSG_PAYLOAD(nh, 0));#endif }}

內(nèi)核模塊需要防止資源搶占，保證Netlink資源互斥占有，內(nèi)核模塊部分關鍵代碼如下：

static void nl_rcv(struct sk_buff *skb){ mutex_lock(&nl_mtx); netlink_rcv_skb(skb, &nl_rcv_msg); mutex_unlock(&nl_mtx);} static int nl_send_msg(const u8 *data, int data_len){ struct nlmsghdr *rep; u8 *res; struct sk_buff *skb; if(g_pid < 0 || g_nl_sk == NULL) { printk("Invalid parameter, g_pid = %d, g_nl_sk = %p\n", g_pid, g_nl_sk); return -1; } skb = nlmsg_new(data_len, GFP_KERNEL); if(!skb) { printk("nlmsg_new failed!!!\n"); return -1; } if(g_debug_level > 0) { printk("Data to be send to user space:\n"); hex_dump((void*)data, data_len); } rep = __nlmsg_put(skb, g_pid, 0, NLMSG_NOOP, data_len, 0); res = nlmsg_data(rep); memcpy(res, data, data_len); netlink_unicast(g_nl_sk, skb, g_pid, MSG_DONTWAIT); return 0;} static int nl_rcv_msg(struct sk_buff *skb, struct nlmsghdr *nlh){ const u8 res_data[] = "Hello, user"; size_t data_len; u8 *buf; struct user_data_ *pck; struct user_req *req, *match = NULL; g_pid = NETLINK_CB(skb).pid; buf = (u8*)NLMSG_DATA(nlh); data_len = nlmsg_len(nlh); if(data_len < sizeof(struct user_data_)) { printk("Too short data from user space!!!\n"); return -1; } pck = (struct user_data_ *)buf; if(pck->magic_num != MAGIC_NUM_RNQ) { printk("Magic number not matched!!!\n"); return -1; } if(g_debug_level > 0) { printk("Data from user space:\n"); hex_dump(buf, data_len); } req = user_reqs; while(req->op) { if(req->op == pck->op) { match = req; break; } req++; } if(match) { match->handler(buf, data_len); } nl_send_msg(res_data, sizeof(res_data)); return 0;}

5.其他相關說明

????Netlink 是一種特殊的 socket，它是 Linux 所特有的，類似于 BSD 中的AF_ROUTE 但又遠比它的功能強大，目前在最新的 Linux 內(nèi)核（2.6.14）中使用netlink 進行應用與內(nèi)核通信的應用很多，包括：路由 daemon（NETLINK_ROUTE），1-wire 子系統(tǒng)（NETLINK_W1），用戶態(tài) socket 協(xié)議（NETLINK_USERSOCK），防火墻（NETLINK_FIREWALL），socket 監(jiān)視（NETLINK_INET_DIAG），netfilter 日志（NETLINK_NFLOG），ipsec 安全策略（NETLINK_XFRM），SELinux 事件通知（NETLINK_SELINUX），iSCSI 子系統(tǒng)（NETLINK_ISCSI），進程審計（NETLINK_AUDIT），轉發(fā)信息表查詢（NETLINK_FIB_LOOKUP），netlink connector(NETLINK_CONNECTOR),netfilter 子系統(tǒng)（NETLINK_NETFILTER），IPv6 防火墻（NETLINK_IP6_FW），DECnet 路由信息（NETLINK_DNRTMSG），內(nèi)核事件向用戶態(tài)通知（NETLINK_KOBJECT_UEVENT），通用 netlink（NETLINK_GENERIC）。

????Netlink 是一種在內(nèi)核與用戶應用間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆浅：玫姆绞剑脩魬B(tài)應用使用標準的 socket API 就可以使用 netlink 提供的強大功能，內(nèi)核態(tài)需要使用專門的內(nèi)核 API 來使用 netlink。

Netlink 相對于系統(tǒng)調用，ioctl 以及 /proc 文件系統(tǒng)而言具有以下優(yōu)點：

????1，為了使用 netlink，用戶僅需要在 include/linux/netlink.h 中增加一個新類型的 netlink 協(xié)議定義即可， 如 #define NETLINK_MYTEST 17 然后，內(nèi)核和用戶態(tài)應用就可以立即通過 socket API 使用該 netlink 協(xié)議類型進行數(shù)據(jù)交換。但系統(tǒng)調用需要增加新的系統(tǒng)調用，ioctl 則需要增加設備或文件， 那需要不少代碼，proc 文件系統(tǒng)則需要在 /proc 下添加新的文件或目錄，那將使本來就混亂的 /proc 更加混亂。

????2. netlink是一種異步通信機制，在內(nèi)核與用戶態(tài)應用之間傳遞的消息保存在socket緩存隊列中，發(fā)送消息只是把消息保存在接收者的socket的接收隊列，而不需要等待接收者收到消息，但系統(tǒng)調用與 ioctl 則是同步通信機制，如果傳遞的數(shù)據(jù)太長，將影響調度粒度。

????3．使用 netlink 的內(nèi)核部分可以采用模塊的方式實現(xiàn)，使用 netlink 的應用部分和內(nèi)核部分沒有編譯時依賴，但系統(tǒng)調用就有依賴，而且新的系統(tǒng)調用的實現(xiàn)必須靜態(tài)地連接到內(nèi)核中，它無法在模塊中實現(xiàn)，使用新系統(tǒng)調用的應用在編譯時需要依賴內(nèi)核。

????4．netlink 支持多播，內(nèi)核模塊或應用可以把消息多播給一個netlink組，屬于該neilink 組的任何內(nèi)核模塊或應用都能接收到該消息，內(nèi)核事件向用戶態(tài)的通知機制就使用了這一特性，任何對內(nèi)核事件感興趣的應用都能收到該子系統(tǒng)發(fā)送的內(nèi)核事件，在后面的文章中將介紹這一機制的使用。

????5．內(nèi)核可以使用 netlink 首先發(fā)起會話，但系統(tǒng)調用和 ioctl 只能由用戶應用發(fā)起調用。

????6．netlink 使用標準的 socket API，因此很容易使用，但系統(tǒng)調用和 ioctl則需要專門的培訓才能使用。

用戶態(tài)使用 netlink

???用戶態(tài)應用使用標準的socket APIs， socket(), bind(), sendmsg(), recvmsg() 和 close() 就能很容易地使用 netlink socket，查詢手冊頁可以了解這些函數(shù)的使用細節(jié)，本文只是講解使用 netlink 的用戶應該如何使用這些函數(shù)。注意，使用 netlink 的應用必須包含頭文件 linux/netlink.h。當然 socket 需要的頭文件也必不可少，sys/socket.h。

???為了創(chuàng)建一個 netlink socket，用戶需要使用如下參數(shù)調用 socket():

socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, netlink_type)

???第一個參數(shù)必須是 AF_NETLINK 或 PF_NETLINK，在 Linux 中，它們倆實際為一個東西，它表示要使用netlink，第二個參數(shù)必須是SOCK_RAW或SOCK_DGRAM，第三個參數(shù)指定netlink協(xié)議類型，如前面講的用戶自定義協(xié)議類型NETLINK_MYTEST， NETLINK_GENERIC是一個通用的協(xié)議類型，它是專門為用戶使用的，因此，用戶可以直接使用它，而不必再添加新的協(xié)議類型。內(nèi)核預定義的協(xié)議類型有：

#define NETLINK_ROUTE 0#define NETLINK_W1 1#define NETLINK_USERSOCK 2 #define NETLINK_FIREWALL 3#define NETLINK_INET_DIAG 4#define NETLINK_NFLOG 5#define NETLINK_XFRM 6 #define NETLINK_SELINUX 7 #define NETLINK_ISCSI 8 #define NETLINK_AUDIT 9 #define NETLINK_FIB_LOOKUP 10 #define NETLINK_CONNECTOR 11 #define NETLINK_NETFILTER 12 #define NETLINK_IP6_FW 13 #define NETLINK_DNRTMSG 14 #define NETLINK_KOBJECT_UEVENT 15 #define NETLINK_GENERIC 16

???對于每一個netlink協(xié)議類型，可以有多達 32多播組，每一個多播組用一個位表示，netlink 的多播特性使得發(fā)送消息給同一個組僅需要一次系統(tǒng)調用，因而對于需要多撥消息的應用而言，大大地降低了系統(tǒng)調用的次數(shù)。

???函數(shù) bind() 用于把一個打開的 netlink socket 與 netlink 源 socket 地址綁定在一起。netlink socket 的地址結構如下：

struct sockaddr_nl { sa_family_t nl_family; unsigned short nl_pad; __u32 nl_pid; __u32 nl_groups; };

???字段 nl_family 必須設置為 AF_NETLINK 或著 PF_NETLINK，字段 nl_pad 當前沒有使用，因此要總是設置為 0，字段 nl_pid 為接收或發(fā)送消息的進程的 ID，如果希望內(nèi)核處理消息或多播消息，就把該字段設置為 0，否則設置為處理消息的進程 ID。字段 nl_groups 用于指定多播組，bind 函數(shù)用于把調用進程加入到該字段指定的多播組，如果設置為 0，表示調用者不加入任何多播組。

???傳遞給 bind 函數(shù)的地址的 nl_pid 字段應當設置為本進程的進程 ID，這相當于 netlink socket 的本地地址。但是，對于一個進程的多個線程使用 netlink socket 的情況，字段 nl_pid 則可以設置為其它的值，如：

pthread_self() << 16 | getpid();

???因此字段 nl_pid 實際上未必是進程 ID,它只是用于區(qū)分不同的接收者或發(fā)送者的一個標識，用戶可以根據(jù)自己需要設置該字段。函數(shù) bind 的調用方式如下：

bind(fd, (struct sockaddr*)&nladdr, sizeof(struct sockaddr_nl));

???fd為前面的 socket 調用返回的文件描述符，參數(shù) nladdr 為 struct sockaddr_nl 類型的地址。為了發(fā)送一個 netlink 消息給內(nèi)核或其他用戶態(tài)應用，需要填充目標 netlink socket 地址，此時，字段 nl_pid 和 nl_groups 分別表示接收消息者的進程 ID 與多播組。如果字段 nl_pid 設置為 0，表示消息接收者為內(nèi)核或多播組，如果 nl_groups為 0，表示該消息為單播消息，否則表示多播消息。使用函數(shù) sendmsg 發(fā)送 netlink 消息時還需要引用結構 struct msghdr、struct nlmsghdr 和 struct iovec，結構 struct msghdr 需如下設置：

struct msghdr msg; memset(&msg, 0, sizeof(msg)); msg.msg_name = (void *)&(nladdr); msg.msg_namelen = sizeof(nladdr);

其中 nladdr 為消息接收者的 netlink 地址。

???struct nlmsghdr 為 netlink socket 自己的消息頭，這用于多路復用和多路分解 netlink 定義的所有協(xié)議類型以及其它一些控制，netlink 的內(nèi)核實現(xiàn)將利用這個消息頭來多路復用和多路分解已經(jīng)其它的一些控制，因此它也被稱為netlink 控制塊。因此，應用在發(fā)送 netlink 消息時必須提供該消息頭。

struct nlmsghdr { __u32 nlmsg_len; __u16 nlmsg_type; __u16 nlmsg_flags; __u32 nlmsg_seq; __u32 nlmsg_pid;};

字段 nlmsg_len 指定消息的總長度，包括緊跟該結構的數(shù)據(jù)部分長度以及該結構的大小，字段 nlmsg_type 用于應用內(nèi)部定義消息的類型，它對 netlink 內(nèi)核實現(xiàn)是透明的，因此大部分情況下設置為 0，字段 nlmsg_flags 用于設置消息標志，可用的標志包括：

#define NLM_F_REQUEST 1 #define NLM_F_MULTI 2 #define NLM_F_ACK 4 #define NLM_F_ECHO 8 #define NLM_F_ROOT 0x100 #define NLM_F_MATCH 0x200 #define NLM_F_ATOMIC 0x400 #define NLM_F_DUMP (NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH) #define NLM_F_REPLACE 0x100 #define NLM_F_EXCL 0x200 #define NLM_F_CREATE 0x400 #define NLM_F_APPEND 0x800

標志NLM_F_REQUEST用于表示消息是一個請求，所有應用首先發(fā)起的消息都應設置該標志。

標志NLM_F_MULTI 用于指示該消息是一個多部分消息的一部分，后續(xù)的消息可以通過宏NLMSG_NEXT來獲得。

宏NLM_F_ACK表示該消息是前一個請求消息的響應，順序號與進程ID可以把請求與響應關聯(lián)起來。

標志NLM_F_ECHO表示該消息是相關的一個包的回傳。

標志NLM_F_ROOT 被許多 netlink 協(xié)議的各種數(shù)據(jù)獲取操作使用，該標志指示被請求的數(shù)據(jù)表應當整體返回用戶應用，而不是一個條目一個條目地返回。有該標志的請求通常導致響應消息設置NLM_F_MULTI標志。注意，當設置了該標志時，請求是協(xié)議特定的，因此，需要在字段 nlmsg_type 中指定協(xié)議類型。

標志 NLM_F_MATCH 表示該協(xié)議特定的請求只需要一個數(shù)據(jù)子集，數(shù)據(jù)子集由指定的協(xié)議特定的過濾器來匹配。

標志 NLM_F_ATOMIC 指示請求返回的數(shù)據(jù)應當原子地收集，這預防數(shù)據(jù)在獲取期間被修改。

標志 NLM_F_DUMP 未實現(xiàn)。

標志 NLM_F_REPLACE 用于取代在數(shù)據(jù)表中的現(xiàn)有條目。

標志 NLM_F_EXCL_ 用于和 CREATE 和 APPEND 配合使用，如果條目已經(jīng)存在，將失敗。

標志 NLM_F_CREATE 指示應當在指定的表中創(chuàng)建一個條目。

標志 NLM_F_APPEND 指示在表末尾添加新的條目。

內(nèi)核需要讀取和修改這些標志，對于一般的使用，用戶把它設置為 0 就可以，只是一些高級應用（如 netfilter 和路由 daemon 需要它進行一些復雜的操作），字段 nlmsg_seq 和 nlmsg_pid 用于應用追蹤消息，前者表示順序號，后者為消息來源進程 ID。下面是一個示例：

#define MAX_MSGSIZE 1024char buffer[] = "An example message"; struct nlmsghdr nlhdr; nlhdr = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(MAX_MSGSIZE)); strcpy(NLMSG_DATA(nlhdr),buffer); nlhdr->nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(strlen(buffer)); nlhdr->nlmsg_pid = getpid(); nlhdr->nlmsg_flags = 0;

結構 struct iovec 用于把多個消息通過一次系統(tǒng)調用來發(fā)送，下面是該結構使用示例：

struct iovec iov; iov.iov_base = (void *)nlhdr; iov.iov_len = nlh->nlmsg_len; msg.msg_iov = &iov; msg.msg_iovlen = 1;

在完成以上步驟后，消息就可以通過下面語句直接發(fā)送：

sendmsg(fd, &msg, 0);

應用接收消息時需要首先分配一個足夠大的緩存來保存消息頭以及消息的數(shù)據(jù)部分，然后填充消息頭，添完后就可以直接調用函數(shù) recvmsg() 來接收。

#define MAX_NL_MSG_LEN 1024 struct sockaddr_nl nladdr; struct msghdr msg; struct iovec iov; struct nlmsghdr * nlhdr; nlhdr = (struct nlmsghdr *)malloc(MAX_NL_MSG_LEN); iov.iov_base = (void *)nlhdr; iov.iov_len = MAX_NL_MSG_LEN; msg.msg_name = (void *)&(nladdr); msg.msg_namelen = sizeof(nladdr); msg.msg_iov = &iov; msg.msg_iovlen = 1; recvmsg(fd, &msg, 0);

注意：fd為socket調用打開的netlink socket描述符。

在消息接收后，nlhdr指向接收到的消息的消息頭，nladdr保存了接收到的消息的目標地址，宏NLMSG_DATA(nlhdr)返回指向消息的數(shù)據(jù)部分的指針。

在linux/netlink.h中定義了一些方便對消息進行處理的宏，這些宏包括：

#define NLMSG_ALIGNTO 4

#define NLMSG_ALIGN(len) ( ((len)+NLMSG_ALIGNTO-1) & ~(NLMSG_ALIGNTO-1) )

宏NLMSG_ALIGN(len)用于得到不小于len且字節(jié)對齊的最小數(shù)值。

#define NLMSG_LENGTH(len) ((len)+NLMSG_ALIGN(sizeof(struct nlmsghdr)))

宏NLMSG_LENGTH(len)用于計算數(shù)據(jù)部分長度為len時實際的消息長度。它一般用于分配消息緩存。

#define NLMSG_SPACE(len) NLMSG_ALIGN(NLMSG_LENGTH(len))

宏NLMSG_SPACE(len)返回不小于NLMSG_LENGTH(len)且字節(jié)對齊的最小數(shù)值，它也用于分配消息緩存。

#define NLMSG_DATA(nlh) ((void*)(((char*)nlh) + NLMSG_LENGTH(0)))

宏NLMSG_DATA(nlh)用于取得消息的數(shù)據(jù)部分的首地址，設置和讀取消息數(shù)據(jù)部分時需要使用該宏。

#define NLMSG_NEXT(nlh,len) ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \

(struct nlmsghdr*)(((char*)(nlh)) + NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len)))

宏NLMSG_NEXT(nlh,len)用于得到下一個消息的首地址，同時len也減少為剩余消息的總長度，該宏一般在一個消息被分成幾個部分發(fā)送或接收時使用。

#define NLMSG_OK(nlh,len) ((len) >= (int)sizeof(struct nlmsghdr) && \

(nlh)->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) && \

(nlh)->nlmsg_len <= (len))

宏NLMSG_OK(nlh,len)用于判斷消息是否有l(wèi)en這么長。

#define NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) ((nlh)->nlmsg_len - NLMSG_SPACE((len)))

宏NLMSG_PAYLOAD(nlh,len)用于返回payload的長度。

函數(shù)close用于關閉打開的netlink socket。

netlink內(nèi)核API

netlink的內(nèi)核實現(xiàn)在.c文件net/core/af_netlink.c中，內(nèi)核模塊要想使用netlink，也必須包含頭文件linux/netlink.h。內(nèi)核使用netlink需要專門的API，這完全不同于用戶態(tài)應用對netlink的使用。如果用戶需要增加新的netlink協(xié)議類型，必須通過修改linux/netlink.h來實現(xiàn)，當然，目前的netlink實現(xiàn)已經(jīng)包含了一個通用的協(xié)議類型NETLINK_GENERIC以方便用戶使用，用戶可以直接使用它而不必增加新的協(xié)議類型。前面講到，為了增加新的netlink協(xié)議類型，用戶僅需增加如下定義到linux/netlink.h就可以：

#define NETLINK_MYTEST 17

只要增加這個定義之后，用戶就可以在內(nèi)核的任何地方引用該協(xié)議。

在內(nèi)核中，為了創(chuàng)建一個netlink socket用戶需要調用如下函數(shù)：

struct sock * netlink_kernel_create(int unit, void (*input)(struct sock *sk, int len));

參數(shù)unit表示netlink協(xié)議類型，如NETLINK_MYTEST，參數(shù)input則為內(nèi)核模塊定義的netlink消息處理函數(shù)，當有消息到達這個netlink socket時，該input函數(shù)指針就會被引用。函數(shù)指針input的參數(shù)sk實際上就是函數(shù)netlink_kernel_create返回的struct sock指針，sock實際是socket的一個內(nèi)核表示數(shù)據(jù)結構，用戶態(tài)應用創(chuàng)建的socket在內(nèi)核中也會有一個struct sock結構來表示。下面是一個input函數(shù)的示例：

void input (struct sock *sk, int len) { struct sk_buff *skb; struct nlmsghdr *nlh = NULL; u8 *data = NULL; while ((skb = skb_dequeue(&sk->receive_queue)) != NULL) { nlh = (struct nlmsghdr *)skb->data; data = NLMSG_DATA(nlh); } }

函數(shù)input()會在發(fā)送進程執(zhí)行sendmsg()時被調用，這樣處理消息比較及時，但是，如果消息特別長時，這樣處理將增加系統(tǒng)調用sendmsg()的執(zhí)行時間，對于這種情況，可以定義一個內(nèi)核線程專門負責消息接收，而函數(shù)input的工作只是喚醒該內(nèi)核線程，這樣sendmsg將很快返回。

函數(shù)skb = skb_dequeue(&sk->receive_queue)用于取得socket sk的接收隊列上的消息，返回為一個struct sk_buff的結構，skb->data指向實際的netlink消息。

函數(shù)skb_recv_datagram(nl_sk)也用于在netlink socket nl_sk上接收消息，與skb_dequeue的不同指出是，如果socket的接收隊列上沒有消息，它將導致調用進程睡眠在等待隊列nl_sk->sk_sleep，因此它必須在進程上下文使用，剛才講的內(nèi)核線程就可以采用這種方式來接收消息。

下面的函數(shù)input就是這種使用的示例：

void input (struct sock *sk, int len) { wake_up_interruptible(sk->sk_sleep); }

當內(nèi)核中發(fā)送netlink消息時，也需要設置目標地址與源地址，而且內(nèi)核中消息是通過struct sk_buff來管理的， linux/netlink.h中定義了一個宏：

#define NETLINK_CB(skb) (*(struct netlink_skb_parms*)&((skb)->cb))

來方便消息的地址設置。下面是一個消息地址設置的例子：

NETLINK_CB(skb).pid = 0; NETLINK_CB(skb).dst_pid = 0; NETLINK_CB(skb).dst_group = 1;

字段pid表示消息發(fā)送者進程ID，也即源地址，對于內(nèi)核，它為 0， dst_pid 表示消息接收者進程 ID，也即目標地址，如果目標為組或內(nèi)核，它設置為 0，否則 dst_group 表示目標組地址，如果它目標為某一進程或內(nèi)核，dst_group 應當設置為 0。

在內(nèi)核中，模塊調用函數(shù) netlink_unicast 來發(fā)送單播消息：

int netlink_unicast(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, u32 pid, int nonblock);

參數(shù)sk為函數(shù)netlink_kernel_create()返回的socket，參數(shù)skb存放消息，它的data字段指向要發(fā)送的netlink消息結構，而skb的控制塊保存了消息的地址信息，前面的宏NETLINK_CB(skb)就用于方便設置該控制塊，參數(shù)pid為接收消息進程的pid，參數(shù)nonblock表示該函數(shù)是否為非阻塞，如果為1，該函數(shù)將在沒有接收緩存可利用時立即返回，而如果為0，該函數(shù)在沒有接收緩存可利用時睡眠。

內(nèi)核模塊或子系統(tǒng)也可以使用函數(shù)netlink_broadcast來發(fā)送廣播消息：

void netlink_broadcast(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, int allocation);

前面的三個參數(shù)與netlink_unicast相同，參數(shù)group為接收消息的多播組，該參數(shù)的每一個代表一個多播組，因此如果發(fā)送給多個多播組，就把該參數(shù)設置為多個多播組組ID的位或。參數(shù)allocation為內(nèi)核內(nèi)存分配類型，一般地為GFP_ATOMIC或GFP_KERNEL，GFP_ATOMIC用于原子的上下文（即不可以睡眠），而GFP_KERNEL用于非原子上下文。

在內(nèi)核中使用函數(shù)sock_release來釋放函數(shù)netlink_kernel_create()創(chuàng)建的netlink socket：

void sock_release(struct socket * sock);

注意函數(shù)netlink_kernel_create()返回的類型為struct sock，因此函數(shù)sock_release應該這種調用：

sock_release(sk->sk_socket);

sk為函數(shù)netlink_kernel_create()的返回值。

sk為函數(shù)netlink_kernel_create()的返回值。在源代碼包中給出了一個使用 netlink 的示例，它包括一個內(nèi)核模塊 netlink-exam-kern.c 和兩個應用程序 netlink-exam-user-recv.c, netlink-exam-user-send.c。內(nèi)核模塊必須先插入到內(nèi)核，然后在一個終端上運行用戶態(tài)接收程序，在另一個終端上運行用戶態(tài)發(fā)送程序，發(fā)送程序讀取參數(shù)指定的文本文件并把它作為 netlink 消息的內(nèi)容發(fā)送給內(nèi)核模塊，內(nèi)核模塊接受該消息保存到內(nèi)核緩存中，它也通過proc接口出口到 procfs，因此用戶也能夠通過 /proc/netlink_exam_buffer 看到全部的內(nèi)容，同時內(nèi)核也把該消息發(fā)送給用戶態(tài)接收程序，用戶態(tài)接收程序將把接收到的內(nèi)容輸出到屏幕上。

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