我最近有一个项目需求，需要在linux网卡驱动中加入一个自己的驱动，实现在内核态完成一些报文处理（这个过程可以实现一种零COPY的网络报文截获），对于复杂报文COPY下必要的数据交给用户态来完成（因为过于复杂的报文消耗CPU太大，会导致中断占用时间太长）。因此需要一种内核和用户态配合的通信机制，尝试了很多方式都不太理想，最后采用netlink+内存映射的模式很好的解决了这个问题。Netlink是一种采用socket通信的机制，用于linux内核和上层用户空间进行通信的一种机制，通过实践我认为netlink最大的优点是可以实现“双向通信”，是内核向用户态发起通知的一种最好选择。
内核和用户空间进行通信，大概有如下几种方式可以考虑：采用内存映射的方式，将内核地址映射到用户态。这种方式最直接，可以适用大量的数据传输机制。这种方式的缺点是很难进行“业务控制”，没有一种可靠的机制保障内核和用户态的调动同步，比如信号量等都不能跨内核、用户层使用。因此内存映射机制一般需要配合一种“消息机制”来控制数据的读取，比如采用“消息”类型的短数据通道来完成一个可靠的数据读取功能。ioctl机制，ioctl机制可以在驱动中扩展特定的ioctl消息，用于将一些状态从内核反应到用户态。Ioctl有很好的数据同步保护机制，不要担心内核和用户层的数据访问冲突，但是ioctl不适合传输大量的数据，通过和内存映射结合可以很好的完成大量数据交换过程。但是，ioctl的发起方一定是在用户态，因此如果需要内核态主动发起一个通知消息给用户层，则非常的麻烦。可能需要用户态程序采用轮询机制不停的ioctl。其他一些方式比如系统调用必须通过用户态发起，proc方式不太可靠和实时，用于调试信息的输出还是非常合适的。通过前面的项目背景，我需要一种可以在内核态主动发起消息的通知方式，而用户态的程序最好可以采用一种“阻塞调用”的方式等待消息。这样的模型可以最大限度的节省CPU的调度，同时可以满足及时处理的要求，最终选择了netlink完成通信的过程。Netlink的通信模型和socket通信非常相似，主要要点如下：netlink采用自己独立的地址编码，struct sockaddr_nl；每个通过netlink发出的消息都必须附带一个netlink自己的消息头，struct nlmsghdr；内核态的netlink的操作API和用户态完全不一样，后面再介绍；用户态的netlink操作完成采用socket函数，非常方便和简单，有TCP/UDP socket编程基础的非常容易上手。Netlink的通信地址和协议所有socket之间的通信，必须有个地址结构，Netlink也不例外。我们最熟悉的就是IPV4的地址了，netlink的地址结构如下：
struct sockaddr_nl{sa_family_tnl_family;//必须为AF_NETLINK或者PF_NETLINKunsigned shortnl_pad;//必须为0__u32nl_pid;//通信端口__u32nl_groups;//组播掩码};
上面几个数据，最关键的是nl_family（就对应IP通信中的AF_INET）和nl_pid。
nl_pid就是一个约定的通信端口，用户态使用的时候需要用一个非0的数字，一般来说可以直接采用上层应用的进程ID（不用进程ID号码也没事，只要系统中不冲突的一个数字即可使用）。对于内核的地址，该值必须用0，也就是说，如果上层通过sendto向内核发送netlink消息，peer addr中nl_pid必须填写0。
nl_groups用于一个消息同时分发给不同的接收者，是一种组播应用，本文不讲组播应用。本质上，nl_pid就是netlink的通信地址。除了通信地址，netlink还提供“协议”来标示通信实体，在创建socket的时候，需要指定netlink的通信协议号。每个协议号代表一种“应用”，上层可以用内核已经定义的协议和内核进行通信，获得内核已经提供的信息。具体支持的协议列表如下：
#define NETLINK_ROUTE0/* Routing/device hook*/#define NETLINK_UNUSED1/* Unused number*/#define NETLINK_USERSOCK2/* Reserved for user mode socket protocols */#define NETLINK_FIREWALL3/* Firewalling hook*/#define NETLINK_INET_DIAG4/* INET socket monitoring*/#define NETLINK_NFLOG5/* netfilter/iptables ULOG */#define NETLINK_XFRM6/* ipsec */#define NETLINK_SELINUX7/* SELinux event notifications */#define NETLINK_ISCSI8/* Open-iSCSI */#define NETLINK_AUDIT9/* auditing */#define NETLINK_FIB_LOOKUP10#define NETLINK_CONNECTOR11#define NETLINK_NETFILTER12/* netfilter subsystem */#define NETLINK_IP6_FW13#define NETLINK_DNRTMSG14/* DECnet routing messages */#define NETLINK_KOBJECT_UEVENT15/* Kernel messages to userspace */#define NETLINK_GENERIC16/* leave room for NETLINK_DM (DM Events) */#define NETLINK_SCSITRANSPORT18/* SCSI Transports */#define NETLINK_ECRYPTFS19
协议的用途很好理解，比如我们单纯创建一个上层应用，通过和NETLINK_ROUTE协议通信，可以获得内核的路由信息。我需要利用netlink创建一个我自己的通信协议，因此我定义了一种新的协议。新协议的定义不能和内核已经定义的冲突，同时不能超过MAX_LINKS这个宏的限定，MAX_LINKS = 32。所以我定义的协议号为30。
小结：netlink采用协议号+通信端口的方式构建自己的地址体系。
用户态操作netlink socket用户态创建netlink socket的基本过程和操作其他socket的API一模一样，区别就2点：1、 netlink有自己的地址；2、 netlink接收到的消息带一个netlink自己的消息头；用户态创建、销毁socket的过程：1、 用socket函数创建，socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_XXX)；第一个参数必须是PF_NETLINK或者AF_NETLINK，第二个参数用SOCK_DGRAM和SOCK_RAW都没问题，第三个参数就是netlink的协议号。2、 用bind函数绑定自己的地址。3、 用close关闭套接字。创建socket的代码样例：
{ struct sockaddr_nl addr; int flags; //建立netlink socket s_nlm_socket = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_XXX); if(s_nlm_socket < 0) { USE_DBG_OUT("create netlink socket error.\r\n"); goto Err_Exit; } //bind addr.nl_family = PF_NETLINK; addr.nl_pad = 0; addr.nl_pid = getpid(); addr.nl_groups = 0; if(bind(s_nlm_socket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) { USE_DBG_OUT("bind socket error.\r\n"); goto Err_Exit; } //设置socket为非阻塞模式 flags = fcntl(s_nlm_socket, F_GETFL, 0); fcntl(s_nlm_socket, F_SETFL, flags|O_NONBLOCK); return 0;Err_Exit: return -1;}
用户态接收、发送消息的API：用户态用sendto向内核发送netlink消息，用recvfrom接收消息。只是注意，发送、接收的时候在自己附带的消息前面要加上一个netlink的消息头。例如，定义一个如下的消息通信结构：
struct tag_rcv_buf{ struct nlmsghdr hdr; //netlink的消息头 netlink_notify_s my_msg; //通信实体消息}st_snd_buf;
发送代码的例子：
My_send_msg{ struct tag_rcv_buf { struct nlmsghdr hdr; //netlink的消息头 netlink_notify_s my_msg; //通信实体消息 }st_snd_buf; fd_set st_write_set; //select fd，避免线程吊死 struct timeval write_time_out = {10, 0}; //10秒超时 int ret; //设置select FD_ZERO(&st_write_set); FD_SET(s_nlm_socket, &st_write_set); /* 设置发送数据 */ st_snd_buf.hdr.nlmsg_len = sizeof(st_snd_buf); //NLMSG_LENGTH(sizeof(netlink_notify_s))--这个宏包含有头 st_snd_buf.hdr.nlmsg_flags = 0; /*消息的附加选项，没啥用*/ st_snd_buf.hdr.nlmsg_type = 0; /*设置自定义消息类型*/ st_snd_buf.hdr.nlmsg_pid = getpid(); /*设置发送者的PID*/ st_snd_buf.my_msg.start_pack_id = s_id; st_snd_buf.my_msg.end_pack_id = e_id; ret = select(s_nlm_socket+1, NULL, &st_write_set, NULL, &write_time_out); if(ret == -1) { //have some error. USE_DBG_OUT("send has some error %d.\n", errno); goto out; } else if(ret == 0) { //超时退出 TMP_DBG_OUT("send timeout.\n"); goto out; } else { //接收消息 ret = sendto(s_nlm_socket, &st_snd_buf, sizeof(st_snd_buf), 0, (struct sockaddr*)&s_peer_addr, sizeof(s_peer_addr)); if(ret < 0) { USE_DBG_OUT("send to kernal by nl error %d\r\n", errno); } else { TMP_DBG_OUT("send to kernal ok s_id is %d, e_id is %d.\r\n", s_id, e_id); } } out: return;}
接收数据的代码例子：
{ struct tag_rcv_buf { struct nlmsghdr hdr; //netlink的消息头 netlink_notify_s my_msg; //通信实体消息 }st_rcv_buf; int ret, addr_len, io_ret; struct sockaddr_nl st_peer_addr; fd_set st_read_set; //select fd，避免线程吊死 struct timeval read_time_out = {10, 0}; //10秒超时 int rcv_buf; //设置内核的通信地址 st_peer_addr.nl_family = AF_NETLINK; st_peer_addr.nl_pad = 0; /*always set to zero*/ st_peer_addr.nl_pid = 0; /*kernel's pid is zero*/ st_peer_addr.nl_groups = 0; /*multicast groups mask, if unicast set to zero*/ addr_len = sizeof(st_peer_addr); //设置select FD_ZERO(&st_read_set); FD_SET(s_nlm_socket, &st_read_set); ret = select(s_nlm_socket+1, &st_read_set, NULL, NULL, &read_time_out); if(ret == -1) { //have some error. USE_DBG_OUT("select rcv some error %d", errno); goto err; } else if(ret == 0) { //超时退出 TMP_DBG_OUT("rcv timeout.\n"); *p_size = 0; goto out; } else { //接收消息 ret = recvfrom(s_nlm_socket, &st_rcv_buf, sizeof(st_rcv_buf), 0, (struct sockaddr *)&st_peer_addr, &addr_len); } if(ret == sizeof(st_rcv_buf) ) { //收到消息了... else { USE_DBG_OUT("rcv msg have some err. ret is %d, errno is %d\r\n", ret, errno); goto err; }out: return 0;err: *p_size = 0; return -1;}
勇于接受自己的失败，告诉自己，这就是自己的现实，
