Netlink实现Linux内核与用户空间通信
作者 CppLive | 发表于 2011-11-24
文章分类 : C语言, Linux, 应用与编程, 网络
标签: C语言, Linux, USB, 函数, 地址, 头文件, 套结字, 文件描述符, 缓存, 队列, 防火墙
Linux内核与用户空间通信的方式目前主要有9种，分别是内核启动参数、模块参数与 sysfs、sysctl、系统调用、netlink、procfs、seq_file、debugfs和relayfs。Netlink是一种特殊的文件描述符（套结字），为2.6.14及更高版本的Linux所特有，是一种在内核与用户应用间进行双向数据交互的便捷方式，用户态应用调用标准的套结字API 就可以使用netlink提供的强大功能，内核态需要调用专门的内核 API 来使用netlink。Netlink应用已经相当广泛，例如，Linux系统的网络防火墙分为内核态的netfilter和用户态的iptables，netfilter与iptables的数据交换就是通过Netlink机制来完成。
一、采用Netlink进行内核与用户空间交互的优势
Netlink相对于系统调用、ioctl以及proc文件系统等其他内核与用户空间的数据交换方式而言具有以下优点：
1、使用 netlink，用户仅需要在 include/linux/netlink.h 中增加一个新类型的 netlink 协议定义即可， 如 #define NETLINK_MYTEST 17 然后，内核和用户态应用就可以立即通过套结字API使用该 netlink 协议类型进行数据通信。但系统调用需要增加新的系统调用，ioctl 则需要增加设备或文件， 那需要不少代码，proc 文件系统则需要在 /proc 下添加新的文件或目录，那将使本来就混乱的 /proc 目录更加混乱。
2、netlink是一种异步通信机制，在内核与用户态应用之间传递的消息保存在socket缓存队列中，发送消息只是把消息保存在接收者的socket的接收队列，而不需要等待接收者收到消息，但系统调用与 ioctl 则是同步通信机制，如果传递的数据太长，将影响调度速度。
3、使用 netlink 的内核部分可以采用模块的方式实现，使用 netlink 的应用部分和内核部分没有编译时依赖，但系统调用就有依赖，而且新的系统调用的实现必须静态地连接到内核中，它无法在模块中实现，使用新系统调用的应用在编译时需要依赖内核。
4、netlink 支持多播，内核模块或应用可以把消息多播给一个netlink组，属于该neilink 组的任何内核模块或应用都能接收到该消息，内核事件向用户态的通知机制就使用了这一特性，任何对内核事件感兴趣的应用都能收到该子系统发送的内核事件。
5、内核可以使用 netlink 首先发起会话，但系统调用和 ioctl 只能由用户应用发起调用。
6、netlink 使用标准的套结字API，因此很容易使用，但系统调用和 ioctl则需要专门的培训才能使用。
二、Netlink用户空间调用方式
用户态应用使用标准的socket API， socket(), bind(), sendmsg(), recvmsg() ,recv()和 close() 就能很容易地使用 netlink socket，查询手册页可以了解这些函数的使用细节，本文只是讲解使用 netlink 的用户应该如何使用这些函数。注意，使用 netlink 的应用必须包含头文件linux/netlink.h。当然 socket 需要的头文件也必不可少，sys/socket.h。
为了创建一个 netlink socket，用户需要使用如下参数调用 socket():
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- int ntSocket;
- ntSocket = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_KOBJECT_UEVENT);
第一个参数必须是 AF_NETLINK 或 PF_NETLINK，在 Linux 中，它们俩实际为一个东西，它表示要使用netlink，第二个参数必须是SOCK_RAW或SOCK_DGRAM，第三个参数指定netlink协议类型，NETLINK_KOBJECT_UEVENT意为“内核事件向用户态通知”，绑定该协议创建的ntSocket可以接收到来自内核的通知事件（如USB热插拔）。
内核预定义的协议类型有：
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- #define NETLINK_ROUTE 0 //路由守护进程
- #define NETLINK_W1 1 //1-wire 子系统
- #define NETLINK_USERSOCK 2 //用户态套结字协议
- #define NETLINK_FIREWALL 3 //防火墙
- #define NETLINK_INET_DIAG 4 //套结字监视
- #define NETLINK_NFLOG 5 //网络数据过滤日志
- #define NETLINK_XFRM 6 //ipsec 安全策略
- #define NETLINK_SELINUX 7 //SELinux 事件通知
- #define NETLINK_ISCSI 8 //iSCSI网络存储子系统
- #define NETLINK_AUDIT 9 //进程审计
- #define NETLINK_FIB_LOOKUP 10 //转发信息表查询
- #define NETLINK_CONNECTOR 11 //netlink连接器
- #define NETLINK_NETFILTER 12 //网络数据过滤系统
- #define NETLINK_IP6_FW 13 //IPv6 防火墙
- #define NETLINK_DNRTMSG 14 //DECnet路由信息
- #define NETLINK_KOBJECT_UEVENT 15 //内核事件向用户态通知
- #define NETLINK_GENERIC 16 //通用netlink（用户自定义功能）
对于每一个netlink协议类型，可以有多达 32多播组，每一个多播组用一个位表示，netlink 的多播特性使得发送消息给同一个组仅需要一次系统调用，因而对于需要多拨消息的应用而言，大大地降低了系统调用的次数。
函数 bind() 用于把一个打开的 netlink socket 与 netlink 源 socket 地址绑定在一起。netlink socket 的地址结构如下：
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- struct sockaddr_nl {
- sa_family_t nl_family;
- unsigned short nl_pad;
- __u32 nl_pid;
- __u32 nl_groups;
- };
字段 nl_family 必须设置为 AF_NETLINK 或着 PF_NETLINK，字段 nl_pad 当前没有使用，因此要总是设置为 0，字段 nl_pid 为接收或发送消息的进程的 ID，如果希望内核处理消息或多播消息，就把该字段设置为 0，否则设置为处理消息的进程 ID。字段 nl_groups 用于指定多播组，bind 函数用于把调用进程加入到该字段指定的多播组，如果设置为 0，表示调用者不加入任何多播组。
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- struct timeval timeout;
- memset(&client, 0, sizeof(client));
- client.nl_family = AF_NETLINK;
- client.nl_pid = getpid();
- client.nl_groups = 1;
传递给 bind 函数的地址的 nl_pid 字段应当设置为本进程的进程 ID，这相当于 netlink socket 的本地地址。但是，对于一个进程的多个线程使用 netlink socket 的情况，字段 nl_pid 则可以设置为其它的值，因此字段 nl_pid 实际上未必是进程 ID,它只是用于区分不同的接收者或发送者的一个标识，用户可以根据自己需要设置该字段。函数 bind 的调用方式如下：
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- bind(ntSocket, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client))
ntSocket为前面的 socket 调用返回的文件描述符，参数 client 为 struct sockaddr_nl 类型的地址。为了接收来自ntSocket的内核通知数据，显然要监听ntSocket的可读性，当select监听到ntSocket的可读事件时，调用recv函数接收内核传递过来的通知数据即可。整个过程完整的C语言实现过程如下：
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- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <string.h>
- #include <fcntl.h>
- #include <sys/socket.h>
- #include <linux/netlink.h>
- #define UEVENT_BUFFER_SIZE 2048
- int main(void)
- {
- struct sockaddr_nl client;
- struct timeval tv;
- int ntSocket, rcvlen, ret;
- fd_set fds;
- int buffersize = 1024;
- ntSocket = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_KOBJECT_UEVENT);
- memset(&client, 0, sizeof(client));
- client.nl_family = AF_NETLINK;
- client.nl_pid = getpid();
- client.nl_groups = 1;
- setsockopt(ntSocket, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buffersize, sizeof(buffersize));
- bind(ntSocket, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client));
- while (1) {
- char buf[UEVENT_BUFFER_SIZE] = { 0 };
- FD_ZERO(&fds);
- FD_SET(ntSocket, &fds);
- tv.tv_sec = 0;
- tv.tv_usec = 100 * 1000;
- ret = select(ntSocket + 1, &fds, NULL, NULL, &tv);
- if(!(ret > 0 && FD_ISSET(ntSocket, &fds)))
- continue;
-
- rcvlen = recv(ntSocket, &buf, sizeof(buf), 0);
- if (rcvlen > 0) {
- printf("%s\n", buf);
-
- }
- }
- close(ntSocket);
- return 0;
- }
运行程序，测试U盘插入/拔除，输出如下：
view plaincopy to clipboardprint?
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0
- add@/module/usb_storage
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/scsi_host/host6
- add@/bus/usb/drivers/usb-storage
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/scsi_disk/6:0:0:0
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/scsi_device/6:0:0:0
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/scsi_generic/sg2
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/bsg/6:0:0:0
- change@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/block/sdb
- add@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/block/sdb/sdb4
- add@/devices/virtual/bdi/8:16
- add@/module/fat
- add@/kernel/slab/fat_cache
- add@/kernel/slab/fat_inode_cache
- add@/module/vfat
- add@/module/nls_cp437
- add@/module/nls_iso8859_1
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/bsg/6:0:0:0
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/scsi_generic/sg2
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/scsi_device/6:0:0:0
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/scsi_disk/6:0:0:0
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/block/sdb/sdb4
- remove@/devices/virtual/bdi/8:16
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/block/sdb
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6/scsi_host/host6
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0/host6
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1/2-1:1.0
- remove@/devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb2/2-1
- remove@/host6/target6:0:0
