Netlink通信
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。
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:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/netlink.h>#define NETLINK_USER 31struct 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 IDsrc_addr.nl_groups = 0; // Unicastbind(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 kernelsendmsg(sock_fd, &msg, 0);recvmsg(sock_fd, &msg, 0);handle_msg(nlh);free(nlh);close(sock_fd);return 0;
}
驱动代码:
#include <linux/module.h>
#include <net/sock.h>
#include <linux/netlink.h>#define NETLINK_USER 31struct 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 IDsend_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:
KERNEL_DIR = /lib/modules/$(shell uname -r)/build
#PWD = $(shell pwd)
obj-m += netlink_socket_dirver.oall:make -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modulesclean:make -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) clean
驱动编译:
@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 modulesCC [M] netlink_socket/netlink_socket_dirver.mod.oLD [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:
@ubuntu:netlink_socket$ gcc netlink_socket_user.c -o netlink_socket_user.o
验证执行
驱动加载:
sudo insmod netlink_socket_dirver.ko
dmesg看log:
[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:
@ubuntu:$ sudo ./netlink_socket_user.o
Netlink Message Header:Length: 35Type: 3Flags: 0x0Sequence Number: 0PID: 0
Received message: Hello from kernel!
结果
成功验证
PS:
希望能抛砖引玉
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