Linux 内核源码分析---内核 Netlink 套接字

news2024/9/21 2:48:26

linux 内核一直存在的一个严重问题就是内核态和用户态的交互的问题，对于这个问题内核大佬们一直在研究各种方法，想让内核和用户态交互能够安全高效的进行。如系统调用，proc，sysfs 等内存文件系统，但是这些方式一般都比较简单，只能在用户空间轮询访问内核的变化，内核的变化无法主动的推送出来。

Netlink 套接字接口最初是 Linux 内核 2.2 引入的，名为AF_NETLINK套接字，提供一种更为灵活的用户空间进程与内核间通信方法，替代IOCTL。它运行模型非常简单，只需要使用套接字 API 打开并注册一个 Netlink 套接字，它就会处理与内核 Netlink 套接字的双向通信。

目前 netlink 的这种机制被广泛使用在各种场景中，在 Linux 内核中使用 netlink 进行应用与内核通信的应用很多；包括：路由 daemon（NETLINK_ROUTE），用户态 socket 协议（NETLINK_USERSOCK），防火墙（NETLINK_FIREWALL），netfilter 子系统（NETLINK_NETFILTER），内核事件向用户态通知（NETLINK_KOBJECT_UEVENT）等。

优势：
（1）使用 netlink 套接字时不需要轮询，用空间应用程序打开套接字，再调用 recvmsg()，如果没有来自内核的消息，就进入阻塞状态；
（2）内核可以主动向用户空间发送异步消息，而不需要用户空间来触发；
（3）netlink 套接字支持组播传输。
（4）要在用户空间中创建 netlink 套接字，可使用系统调用 socket()，netlink 套接字就可以是 SOCK_RAW 套接字，也可以是 SOCK_DGRAM 套接字。

为什么选择netlink套接字？

  • netlink 套接字支持多播，且一个进程可以将消息多播到netlink地址组。
  • netlink 提供BSD套接字样式的API。
  • netlink 套接字是异步的，并提供套接字的消息排队规则。
  • 要支持任何新的特征，只需要实现对应的协议类型。

Netlink 协议是一种在 RFC 3549 中定义的进程间通信机制，为用户空间和内核以及内核的有些部分之间提供双向通信信道，是对标准套接字实现的扩展。Netlink 协议实现基本是位于net/netlink 下，包含4个文件：
在这里插入图片描述

事实上最常用的是 af_netlink 模块，它提供 netink 内核套接字 APl，而 genetlink 模块提供了新的通用 netlink API。监视接口模块 diag(diag.c)提供的API用于读写有关的 netlink 套接字信息。
从理论原则来讲，netlink 套接字可用于在用户空间进程间通信(包括发送组播消息)，但通常不这样做，而且这也不是开发 netlink 套接字初衷。UNIX 域套接字提供用于进程间通信(IPC) 的 API，被广泛用于两个用户空间进行间的通信。

一般来说用户空间和内核空间的通信方式有三种：/proc、ioctl、Netlink。而前两种都是单向的，而 Netlink 可以实现双工通信。

内核和用户空间中创建 Netlink 套接字
在这里插入图片描述

netlink 数据结构
在这里插入图片描述

1、创建 netlink套接字源码、注册操作、数据包发送操作

在内核网络栈中，可创建 netlink 套接字如下：
在这里插入图片描述

使用 netlink 内核套接字，首先需要注册它：
在这里插入图片描述

数据包的实际发送工作是由通用 Netlink 方法nlmsg_notify()完成：
在这里插入图片描述

Netlink消息必须采用特定的格式，此格式是在RFC 3549中进行规定的。Netlink消息 的开头是长度固定的 Netlink报头，其后是有效载荷。
netlink 数据包的开头都是由结构 nlmsghdr 表示 netlink 消息报头，整个长度为16字节，包括5个字段如下：
在这里插入图片描述
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在这里插入图片描述
路由选择中添加/删除路由选择条目：
添加：ip route add 参数；
删除：ip route del ip地址
使用 iproute2 命令ip来监视网络事件：ip monitor route

创建和发送通用 Netlink 消息：
通用 Netlink 消息的开头是一个 Netlink 报头，接下来是通用 Netlink 消息报头以及可选的用户特定报头，然后是可选的有效载荷，内核通用 Netlink 消息 genlmsghdr 结构源码如下
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

套接字监视接口
netlink 套接字sock_diag提供一个基于 netlink 子系统，可用于获取有关套接字的信息，在内核中添加它是指在Linux用户空间中支持检查点/恢复功能(CRIU)。要支持这项功能，还需要有关套接字的其他数据。创建netlink内核套接字sock_diag，具体源码如下
在这里插入图片描述

/****************************************
* Author: vico
* Date: 2021-06-26
* Filename: netlink_test.c
* Descript: netlink of kernel
* Kernel: 3.10.0-327.22.2.el7.x86_64
* Warning:
******************************************/

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <net/sock.h>
#include <linux/netlink.h>

#define NETLINK_TEST     30
#define MSG_LEN            125
#define USER_PORT        100

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("vico");
MODULE_DESCRIPTION("netlink protocol example");

struct sock *nlsk = NULL;
extern struct net init_net;

int send_usrmsg(char *pbuf, uint16_t len)
{
    struct sk_buff *nl_skb;
    struct nlmsghdr *nlh;

    int ret;

    /* 创建sk_buff 空间 */
    nl_skb = nlmsg_new(len, GFP_ATOMIC);
    if(!nl_skb)
    {
        printk("\nError:netlink alloc failure.\n\n");
        return -1;
    }

    /* 设置netlink消息头部 */
    nlh = nlmsg_put(nl_skb, 0, 0, NETLINK_TEST, len, 0);
    if(nlh == NULL)
    {
        printk("\nError:nlmsg_put failaure. \n\n");
        nlmsg_free(nl_skb);
        return -1;
    }

    /* 拷贝数据发送 */
    memcpy(nlmsg_data(nlh), pbuf, len);
    ret = netlink_unicast(nlsk, nl_skb, USER_PORT, MSG_DONTWAIT);

    return ret;
}

static void netlink_rcv_msg(struct sk_buff *skb)
{
    struct nlmsghdr *nlh = NULL;
    char *umsg = NULL;
    char *kmsg = "Hello vico users program.";

    if(skb->len >= nlmsg_total_size(0))
    {
        nlh = nlmsg_hdr(skb);
        umsg = NLMSG_DATA(nlh);
        if(umsg)
        {
            printk("kernel recv from user: %s\n", umsg);
            send_usrmsg(kmsg, strlen(kmsg));
        }
    }
}

struct netlink_kernel_cfg cfg = {
        .input  = netlink_rcv_msg, /* set recv callback */
};

int test_netlink_init(void)
{
    /* create netlink socket */
    nlsk = (struct sock *)netlink_kernel_create(&init_net, NETLINK_TEST, &cfg);
    if(nlsk == NULL)
    {
        printk("\nError:netlink_kernel_create error !\n");
        return -1;
    }
    printk("\ntest_netlink_init\n");

    return 0;
}

void test_netlink_exit(void)
{
    if (nlsk){
        netlink_kernel_release(nlsk); /* release ..*/
        nlsk = NULL;
    }
    printk("test_netlink_exit!\n");
}

module_init(test_netlink_init);
module_exit(test_netlink_exit);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

#define NETLINK_TEST    30
#define MSG_LEN         125
#define MAX_PLOAD       125

typedef struct _user_msg_info
{
    struct nlmsghdr hdr;
    char  msg[MSG_LEN];
} user_msg_info;

int main(int argc, char **argv)
{
    int skfd;
    int ret;
    user_msg_info u_info;
    socklen_t len;
    struct nlmsghdr *nlh = NULL;
    struct sockaddr_nl saddr, daddr;
    char *umsg = "Hello Netlink protocol.";

    /* 创建NETLINK socket */
    skfd = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_TEST);
    if(skfd == -1)
    {
        perror("\nError:Create socket error.\n");
        return -1;
    }

    memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
    saddr.nl_family = AF_NETLINK; //AF_NETLINK
    saddr.nl_pid = 100;  //端口号(port ID)
    saddr.nl_groups = 0;
    if(bind(skfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)) != 0)
    {
        perror("\nError:bind() error.\n");
        close(skfd);
        return -1;
    }

    memset(&daddr, 0, sizeof(daddr));
    daddr.nl_family = AF_NETLINK;
    daddr.nl_pid = 0; // to kernel
    daddr.nl_groups = 0;

    nlh = (struct nlmsghdr *)malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PLOAD));
    memset(nlh, 0, sizeof(struct nlmsghdr));
    nlh->nlmsg_len = NLMSG_SPACE(MAX_PLOAD);
    nlh->nlmsg_flags = 0;
    nlh->nlmsg_type = 0;
    nlh->nlmsg_seq = 0;
    nlh->nlmsg_pid = saddr.nl_pid; //self port

    memcpy(NLMSG_DATA(nlh), umsg, strlen(umsg));
    ret = sendto(skfd, nlh, nlh->nlmsg_len, 0, (struct sockaddr *)&daddr, sizeof(struct sockaddr_nl));
    if(!ret)
    {
        perror("\nError:sendto error.\n");
        close(skfd);
        exit(-1);
    }
    printf("\nApplication-->Send kernel:%s\n\n", umsg);

    memset(&u_info, 0, sizeof(u_info));
    len = sizeof(struct sockaddr_nl);
    ret = recvfrom(skfd, &u_info, sizeof(user_msg_info), 0, (struct sockaddr *)&daddr, &len);
    if(!ret)
    {
        perror("\nError:recv form kernel error.\n");
        close(skfd);
        exit(-1);
    }

    printf("\nApplication-->From kernel:%s\n\n", u_info.msg);
    close(skfd);

    free((void *)nlh);
    return 0;
}

首先将编译出来的Netlink内核模块插入到系统当中（insmod netlink_test.ko）：insmod netlink_test.ko

报错：insmod: ERROR: could not insert module netlink_test.ko: Operation not permitted
解决方案：http://t.csdnimg.cn/UhMSF

接着运行应用程序：./a.out

https://mp.weixin.qq.com/s/cJ8asff7eCVeFm2L4B3tLw
https://www.cnblogs.com/x_wukong/p/5920437.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/487961245
https://zhuanlan.zhihu.com/p/694289016

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