内核和进程通信方式


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：

[cpp] view plaincopy
  1. struct sockaddr_nl  
  2. {  
  3.     sa_family_t nl_family;          //必须为AF_NETLINK或者PF_NETLINK  
  4.     unsigned short  nl_pad;             //必须为0  
  5.     __u32       nl_pid;             //通信端口  
  6. __u32       nl_groups;              //组播掩码  
  7. };  


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：

[cpp] view plaincopy
  1. #define NETLINK_ROUTE       0   /* Routing/device hook              */  
  2. #define NETLINK_UNUSED      1   /* Unused number                */  
  3. #define NETLINK_USERSOCK    2   /* Reserved for user mode socket protocols  */  
  4. #define NETLINK_FIREWALL    3   /* Firewalling hook             */  
  5. #define NETLINK_INET_DIAG   4   /* INET socket monitoring           */  
  6. #define NETLINK_NFLOG       5   /* netfilter/iptables ULOG */  
  7. #define NETLINK_XFRM        6   /* ipsec */  
  8. #define NETLINK_SELINUX     7   /* SELinux event notifications */  
  9. #define NETLINK_ISCSI       8   /* Open-iSCSI */  
  10. #define NETLINK_AUDIT       9   /* auditing */  
  11. #define NETLINK_FIB_LOOKUP  10    
  12. #define NETLINK_CONNECTOR   11  
  13. #define NETLINK_NETFILTER   12  /* netfilter subsystem */  
  14. #define NETLINK_IP6_FW      13  
  15. #define NETLINK_DNRTMSG     14  /* DECnet routing messages */  
  16. #define NETLINK_KOBJECT_UEVENT  15  /* Kernel messages to userspace */  
  17. #define NETLINK_GENERIC     16  
  18. /* leave room for NETLINK_DM (DM Events) */  
  19. #define NETLINK_SCSITRANSPORT   18  /* SCSI Transports */  
  20. #define NETLINK_ECRYPTFS    19  


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：

[cpp] view plaincopy
  1. {  
  2.     struct sockaddr_nl addr;  
  3.     int flags;  
  4.      
  5.     //建立netlink socket  
  6.     s_nlm_socket = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_XXX);  
  7.     if(s_nlm_socket < 0)  
  8.     {  
  9.         USE_DBG_OUT("create netlink socket error. ");  
  10.         goto Err_Exit;  
  11.     }  
  12.       
  13.     //bind  
  14.     addr.nl_family = PF_NETLINK;  
  15.     addr.nl_pad    = 0;  
  16.     addr.nl_pid    = getpid();  
  17.     addr.nl_groups = 0;  
  18.       
  19.     if(bind(s_nlm_socket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0)  
  20.     {  
  21.         USE_DBG_OUT("bind socket error. ");  
  22.         goto Err_Exit;  
  23.     }  
  24.   
  25.   
  26.     //设置socket为非阻塞模式  
  27.     flags = fcntl(s_nlm_socket, F_GETFL, 0);  
  28.     fcntl(s_nlm_socket, F_SETFL, flags|O_NONBLOCK);  
  29.       
  30.   
  31.   
  32.     return 0;  
  33. Err_Exit:  
  34.     return -1;  
  35. }  



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：

[cpp] view plaincopy
  1. struct tag_rcv_buf  
  2. {  
  3.         struct nlmsghdr hdr;            //netlink的消息头  
  4.         netlink_notify_s my_msg;        //通信实体消息  
  5. }st_snd_buf;  


发送代码的例子：

[cpp] view plaincopy
  1. My_send_msg  
  2. {  
  3.     struct tag_rcv_buf  
  4.     {  
  5.         struct nlmsghdr hdr;            //netlink的消息头  
  6.         netlink_notify_s my_msg;        //通信实体消息  
  7.     }st_snd_buf;  
  8.     fd_set st_write_set;                         //select fd，避免线程吊死  
  9.     struct timeval write_time_out = {10, 0};     //10秒超时  
  10.     int ret;  
  11.       
  12.     //设置select  
  13.     FD_ZERO(&st_write_set);  
  14.     FD_SET(s_nlm_socket, &st_write_set);  
  15.       
  16.     /* 
  17.         设置发送数据 
  18.     */  
  19.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_len   = sizeof(st_snd_buf);        //NLMSG_LENGTH(sizeof(netlink_notify_s))--这个宏包含有头  
  20.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_flags = 0;                         /*消息的附加选项，没啥用*/  
  21.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_type  = 0;                         /*设置自定义消息类型*/  
  22.     st_snd_buf.hdr.nlmsg_pid   = getpid();                  /*设置发送者的PID*/  
  23.   
  24.   
  25.     st_snd_buf.my_msg.start_pack_id = s_id;  
  26.     st_snd_buf.my_msg.end_pack_id   = e_id;  
  27.       
  28.     ret = select(s_nlm_socket+1, NULL, &st_write_set, NULL, &write_time_out);  
  29.     if(ret == -1)  
  30.     {  
  31.         //have some error.  
  32.         USE_DBG_OUT("send has some error %d. ", errno);  
  33.         goto out;  
  34.     }  
  35.     else if(ret == 0)  
  36.     {  
  37.         //超时退出  
  38.         TMP_DBG_OUT("send timeout. ");  
  39.         goto out;  
  40.     }  
  41.     else  
  42.     {  
  43.         //接收消息  
  44.         ret = sendto(s_nlm_socket, &st_snd_buf, sizeof(st_snd_buf), 0,   
  45.                         (struct sockaddr*)&s_peer_addr, sizeof(s_peer_addr));  
  46.   
  47.   
  48.         if(ret < 0)  
  49.         {  
  50.             USE_DBG_OUT("send to kernal by nl error %d ", errno);  
  51.         }  
  52.         else  
  53.         {  
  54.             TMP_DBG_OUT("send to kernal ok s_id is %d, e_id is %d. ", s_id, e_id);  
  55.         }  
  56.     }  
  57.       
  58. out:      
  59.     return;  
  60. }  


接收数据的代码例子：

[cpp] view plaincopy
  1. {  
  2.     struct tag_rcv_buf  
  3.     {  
  4.         struct nlmsghdr hdr;            //netlink的消息头  
  5.         netlink_notify_s my_msg;        //通信实体消息  
  6.     }st_rcv_buf;  
  7.     int ret, addr_len, io_ret;  
  8.     struct sockaddr_nl st_peer_addr;  
  9.     fd_set st_read_set;                         //select fd，避免线程吊死  
  10.     struct timeval read_time_out = {10, 0};     //10秒超时  
  11.     int rcv_buf;  
  12.       
  13.     //设置内核的通信地址  
  14.     st_peer_addr.nl_family = AF_NETLINK;  
  15.     st_peer_addr.nl_pad = 0;                                   /*always set to zero*/  
  16.     st_peer_addr.nl_pid = 0;                                   /*kernel's pid is zero*/  
  17.     st_peer_addr.nl_groups = 0;                                /*multicast groups mask, if unicast set to zero*/  
  18.     addr_len = sizeof(st_peer_addr);  
  19.   
  20.     //设置select  
  21.     FD_ZERO(&st_read_set);  
  22.     FD_SET(s_nlm_socket, &st_read_set);  
  23.   
  24.     ret = select(s_nlm_socket+1, &st_read_set, NULL, NULL, &read_time_out);  
  25.     if(ret == -1)  
  26.     {  
  27.         //have some error.  
  28.         USE_DBG_OUT("select rcv some error %d", errno);  
  29.         goto err;  
  30.     }  
  31.     else if(ret == 0)  
  32.     {  
  33.         //超时退出  
  34.         TMP_DBG_OUT("rcv timeout. ");  
  35.         *p_size = 0;  
  36.         goto out;  
  37.     }  
  38.     else  
  39.     {  
  40.         //接收消息  
  41.         ret = recvfrom(s_nlm_socket, &st_rcv_buf, sizeof(st_rcv_buf), 0,   
  42.             (struct sockaddr *)&st_peer_addr, &addr_len);  
  43.     }  
  44.      
  45.     if(ret == sizeof(st_rcv_buf) )  
  46.     {  
  47.         //收到消息了...  
  48.   
  49.     else  
  50.     {  
  51.         USE_DBG_OUT("rcv msg have some err. ret is %d, errno is %d ", ret, errno);  
  52.         goto err;  
  53.     }  
  54.   
  55. out:      
  56.     return 0;  
  57. err:  
  58.     *p_size = 0;  
  59.     return -1;  
  60. }  
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