linux下用户程序同内核通信详解（netlink机制）

简介

linux下用户程序同内核通信的方式一般有ioctl， proc文件系统，剩下一个就是Netlink套接字了。 这里先介绍下netlink。

Netlink 是一种在内核与用户应用间进行双向数据传输的非常好的方式，用户态应用使用标准的 socket API 就可以使用 netlink 提供的强大功能，内核态需要使用专门的内核 API 来使用 netlink。

Netlink 相对于系统调用，ioctl 以及 /proc 文件系统而言具有以下优点：

1，为了使用 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 socket API 使用该 netlink 协议类型进行数据交换。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 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，将影响调度粒度。

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，在 后面的文章中将介绍这一机制的使用。

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 socket 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。

下面这两部分代码主要的目的是用netlink机制实现用户程序和内核的通信。 具体就是用户程序执行./netlink -S [我是参数] 或./netlink -G 时，内核会返回"S know you!" 和“I know you!” 这两种字符串， 然后输出。 内核和用户程序均加有打印。

内核模块

1. Makefile依赖的编译规则 ruler.dir

PWD := $(shell pwd)

all: modules romfs

modules:
 $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
 @echo $(OBJ)

modules_install:
 $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules_install

romfs:
 cp -rf *.ko $(MODULES_BUILD_DIR)

clean:
 rm *.o *.ko *.mod.* Module.* modules.*
 rm -rf $(MODULES_BUILD_DIR)

obj-m := $(MOD_NAME).o 

2.Makefile

KERNEL_MODULES := netlink

export MODULES_ROOT_DIR := $(shell pwd)
export MODULES_BUILD_DIR := $(MODULES_ROOT_DIR)/build
export KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build #这行是为了取出系统下内核的目录(ubuntu)

all: init modules romfs

init:
 mkdir -p $(MODULES_BUILD_DIR)

modules:$(patsubst %, _dir_%, $(KERNEL_MODULES))

$(patsubst %, _dir_%, $(KERNEL_MODULES)):
 @echo
 @echo Building $(patsubst _dir_%, %, $@)
 $(MAKE) -C $(patsubst _dir_%, %, $@) all


romfs: $(patsubst %, _romfs_%, $(KERNEL_MODULES))
$(patsubst %, _romfs_%, $(KERNEL_MODULES)):
 $(MAKE) -C $(patsubst _romfs_%, %, $@) romfs


clean: $(patsubst %, _clean_%, $(KERNEL_MODULES))
 $(RM) $(BUILD_DIR)
$(patsubst %, _clean_%, $(KERNEL_MODULES)):
 @echo
 @echo Cleaning $(patsubst _dir_%, %, $@)
 $(MAKE) -C $(patsubst _clean_%, %, $@) clean

.PHONY: 

3. ./netlink/netlink.c

/*
 * netlink.c
 *
 * Created on: 2014 *  Author: cr
 */

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <net/sock.h>
#include "usrlink.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
MODULE_AUTHOR("MDAXIA");

struct sock *netlink_fd;


static void netlink_to_user(int dest, void *buf, int len)
{
 struct nlmsghdr *nl;
 struct sk_buff *skb;
 int size;

 size = NLMSG_SPACE(len);
 skb = alloc_skb(size, GFP_ATOMIC);
 if(!skb || !buf)
 {
  printk(KERN_ALERT "netlink_to_user skb of buf null!\n");
  return;
 }
 nl = nlmsg_put(skb, 0, 0, 0, NLMSG_SPACE(len) - sizeof(struct nlmsghdr), 0);
 NETLINK_CB(skb).pid = 0;
 NETLINK_CB(skb).dst_group = 0;

 memcpy(NLMSG_DATA(nl), buf, len);
 nl->nlmsg_len = (len > 2) ? (len - 2):len;

 netlink_unicast(netlink_fd, skb, dest, MSG_DONTWAIT);
 printk(KERN_ALERT "K send packet success\n");
}

static int process_hello_get(int dest, void *buf, int len)
{
 printk(KERN_ALERT "In process_hello get!\n");
 memcpy(buf, "I known you !", 13);
 netlink_to_user(dest, buf, 13);
 return NET_OK;
}

static int process_hello_set(int dest, void *buf, int len)
{
 printk(KERN_ALERT "In process_hello set! %s\n", (char *)buf);
 memcpy(buf, "S known you !", 13);
 netlink_to_user(dest, buf, 13);
 return NET_OK;
}


static void netlink_process_packet(struct nlmsghdr *nl)
{
 int ret;

 switch(nl->nlmsg_type)
 {
 case HELLO_GET:
  ret = process_hello_get(nl->nlmsg_pid, NLMSG_DATA(nl), nl->nlmsg_len);
  break;
 case HELLO_SET:
  ret = process_hello_set(nl->nlmsg_pid, NLMSG_DATA(nl), nl->nlmsg_len);
  break;
 default:break;
 }
}

static void netlink_recv_packet(struct sk_buff *__skb)
{
 struct sk_buff *skb;
 struct nlmsghdr *nlhdr;

 skb = skb_get(__skb);
 if(skb->len >= sizeof(struct nlmsghdr))
 {
  nlhdr = (struct nlmsghdr *)skb->data;
  if(nlhdr->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) &&
    __skb->len >= nlhdr->nlmsg_len)
  {
   netlink_process_packet(nlhdr);
  }
 }
 else
  printk(KERN_ALERT "Kernel receive msg length error!\n");
}

static int __init netlink_init(void)
{
 netlink_fd = netlink_kernel_create(&init_net, USER_NETLINK_CMD, 0, netlink_recv_packet, NULL, THIS_MODULE);
 if(NULL == netlink_fd)
 {
  printk(KERN_ALERT "Init netlink!\n");
  return -1;
 }
 printk(KERN_ALERT "Init netlink success!\n");
 return 0;
}

static void __exit netlink_exit(void)
{
 netlink_kernel_release(netlink_fd);
 printk(KERN_ALERT "Exit netlink!\n");
}

module_init(netlink_init);
module_exit(netlink_exit); 

4. ./netlink/usrlink.h

/*
 * usrlink.h
 *
 * Created on: 2014骞???7?? *  Author: cr
 */
#ifndef USRLINK_H_
#define USRLINK_H_

#define USER_NETLINK_CMD 25
#define MAXMSGLEN   1024

typedef enum error_e {
 NET_ERROR,
 NET_OK,
 NET_PARAM,
 NET_MEM,
 NET_SOCK,
} netlink_err;

typedef enum module_e {
 HELLO_CMD = 1,
} netlink_module;

typedef enum type_e {
 HELLO_SET,
 HELLO_GET,
} netlink_type;

#endif /* USRLINK_H_ */ 

5. ./netlink/Makefile

MOD_NAME := netlink

$(MOD_NAME)-objs : netlink.o

-include $(MODULES_ROOT_DIR)/rules.dir

.PHONY: 

6. 编译方式。

其中Makefile、rulers.dir 在Knetlink/下， netlink.c 、netlink.h 、Makefile在Knetlink/netlink/目录下。 编译时在Knetlink目录下执行Make即可

用户程序

用户程序的Makefile 这里就不放出了。 我是直接在eclipse下建的工程 自动编译的、...

1. netlink.c

/*
 * usrlink.c
 *
 * Created on: 2014骞???7?? *  Author: cr
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include "usrlink.h"

int netlink_sock_init(netlink_sock *netlink_s, int module, int protocol)
{
 netlink_s->sock = socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, protocol);
 if(netlink_s->sock < 0)
  return NET_SOCK;
 memset(&netlink_s->src, 0 ,sizeof(netlink_s->src));
 netlink_s->src.nl_family = AF_NETLINK;
 netlink_s->src.nl_pid = module;
 netlink_s->src.nl_groups = 0;

 if(bind(netlink_s->sock, (struct sockaddr *)&netlink_s->src, sizeof(netlink_s->src)) < 0)
  return NET_SOCK;

 netlink_s->dest.nl_family = AF_NETLINK;
 netlink_s->dest.nl_pid = 0;
 netlink_s->dest.nl_groups = 0;

 return NET_OK;
}

int netlink_send(netlink_sock *netlink_s, int type, char *sbuf, int slen, char *rbuf, int *rlen)
{
 struct msghdr msg;
 struct nlmsghdr *nlhdr = NULL;
 struct iovec iov;
 int ret;

 nlhdr = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(MAXMSGLEN));
 if(NULL == nlhdr)
  return NET_MEM;

 memcpy(NLMSG_DATA(nlhdr), sbuf, slen);
 nlhdr->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(slen);
 nlhdr->nlmsg_pid = netlink_s->src.nl_pid;
 nlhdr->nlmsg_type = type;
 nlhdr->nlmsg_flags = 0;

 iov.iov_base = (void *)nlhdr;
 iov.iov_len = nlhdr->nlmsg_len;

 msg.msg_name = (void *)&(netlink_s->dest);
 msg.msg_namelen = sizeof(netlink_s->dest);
 msg.msg_iov = &iov;
 msg.msg_iovlen = 1;

 ret = sendmsg(netlink_s->sock, &msg, 0);
 if(ret < 0)
 {
  printf("Send fail\n");
  goto error;
 }
 ret = recvmsg(netlink_s->sock, &msg, 0);
 if(ret < 0)
 {
  printf("Read fail\n");
  goto error;
 }
 memcpy(rbuf, NLMSG_DATA(nlhdr), nlhdr->nlmsg_len);
 *rlen = nlhdr->nlmsg_len;
 return NET_OK;

error:
 free(nlhdr);
 return NET_SOCK;
}

int netlink_sock_deinit(netlink_sock *netlink_s)
{
 close(netlink_s->sock);
 memset(netlink_s, 0, sizeof(netlink_sock));
 return NET_OK;
} 

2. netlink.h

/*
 * usrlink.h
 *
 * Created on: 2014 *  Author: cr
 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <asm/types.h>
#include <linux/socket.h>
#include <linux/netlink.h>
#ifndef USRLINK_H_
#define USRLINK_H_

#define USER_NETLINK_CMD 25
#define MAXMSGLEN   1024

typedef enum error_e {
 NET_ERROR,
 NET_OK,
 NET_PARAM,
 NET_MEM,
 NET_SOCK,
} netlink_err;

typedef enum module_e {
 HELLO_CMD = 1,
} netlink_module;

typedef enum type_e {
 HELLO_SET,
 HELLO_GET,
} netlink_type;

typedef struct usr_sock_h {
 int sock;
 struct sockaddr_nl dest;
 struct sockaddr_nl src;
} netlink_sock;

int netlink_sock_init(netlink_sock *netlink_s, int module, int protocol);
int netlink_sock_deinit(netlink_sock *netlink_s);
int netlink_send(netlink_sock *netlink_s, int type, char *sbuf, int slen, char *rbuf, int *rlen);

#endif /* USRLINK_H_ */ 

3. main.c

/*
 * main.c
 *
 * Created on: 2014骞???7?? *  Author: cr
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "usrlink.h"

int parse_ret(int ret)
{
 switch(ret)
 {
 case NET_OK:
  return ret;
 case NET_ERROR:
  printf("error\n");
  goto exit_p;
 case NET_MEM:
  printf("Memory error\n");
  goto exit_p;
 case NET_PARAM:
  printf("Param error\n");
  goto exit_p;
 case NET_SOCK:
  printf("Socket error\n");
  goto exit_p;
 default:break;
 }
exit_p:
 return NET_ERROR;
}

void usage(void)
{
 printf("Usage: Netlink -G <param>\n\t-S <param>\n");
}

int main(int argc, char **argv)
{
 netlink_sock h_sock;
 char rbuf[1024];
 char sbuf[1024];
 int ret, type, slen = 0, rlen = 0;

 ret = netlink_sock_init(&h_sock, HELLO_CMD, USER_NETLINK_CMD);
 if(NET_OK != parse_ret(ret))
  goto exit_p;

 bzero(&rbuf, sizeof(rbuf));
 bzero(&sbuf, sizeof(sbuf));
 if(argc < 3)
 {
  usage();
  goto exit_p;
 }
 if(!strncmp("-G", argv[1], 2))
  type = HELLO_GET;
 else if(!strncmp("-S", argv[1], 2))
  type = HELLO_SET;

 strcpy(sbuf, argv[2]);
 slen = strlen(sbuf);
 ret = netlink_send(&h_sock, type, sbuf, slen, rbuf, &rlen);
 if(NET_OK != parse_ret(ret))
  goto exit_p;

 if(rlen > 0)
 {
  rbuf[rlen] = '\0';
  printf("K rep [len = %d]:%s\n", rlen, rbuf);
 }
 printf("K[len = %d]: %s\n", rlen, rbuf);

exit_p:
 netlink_sock_deinit(&h_sock);
 return 0;
} 

总结

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