參考自：
http://blog.chinaunix.net/uid-28541347-id-5578403.html
https://blog.csdn.net/jasenwan88/article/details/7365060
https://www.cnblogs.com/oracleloyal/p/5991819.html
https://blog.csdn.net/kanda2012/article/details/7580623
https://blog.csdn.net/u012819339/article/details/51334600
一：Netlink簡介
（一）什么是Netlink？
Netlink是linux提供的用於內核和用戶態進程之間的通信方式。但是注意雖然Netlink主要用於用戶空間和內核空間的通信，但是也能用於用戶空間的兩個進程通信。只是進程間通信有其他很多方式，一般不用Netlink，除非需要用到Netlink的廣播特性時。
（二）那么Netlink有什么優勢呢？
一般來說用戶空間和內核空間的通信方式有三種：/proc、ioctl、Netlink。而前兩種都是單向的，但是Netlink可以實現雙工通信。
（三）Netlink特點
Netlink協議基於BSD socket和AF_NETLINK地址簇(address family)，使用32位的端口號尋址(以前稱作PID)，每個Netlink協議(或稱作總線，man手冊中則稱之為netlink family)，通常與一個或一組內核服務/組件相關聯，如NETLINK_ROUTE用於獲取和設置路由與鏈路信息、NETLINK_KOBJECT_UEVENT用於內核向用戶空間的udev進程發送通知等。
netlink具有以下特點：
① 支持全雙工、異步通信(當然同步也支持)
② 用戶空間可使用標准的BSD socket接口(但netlink並沒有屏蔽掉協議包的構造與解析過程，推薦使用libnl等第三方庫)
③ 在內核空間使用專用的內核API接口
④ 支持多播(因此支持“總線”式通信，可實現消息訂閱)
⑤ 在內核端可用於進程上下文與中斷上下文
（四）NETLINK對比UDP
AF_NETLINK和AF_INET對應，是一個協議族，而NETLINK_ROUTE、NETLINK_GENERIC這些是協議，對應於UDP。
那么我們主要關注Netlink和UDP socket之間的不同點，其中最重要的一點就是：
使用UDP socket發送數據包時，用戶無需構造UDP數據包的包頭，內核協議棧會根據原、目的地址（sockaddr_in）填充頭部信息。但是Netlink需要我們自己構造一個包頭（這個包頭有什么用，我們后面再說）。
一般我們使用Netlink都要指定一個協議，我們可以使用內核為我們預留的NETLINK_GENERIC（定義在linux/netlink.h中），也可以使用我們自定義的協議，其實就是定義一個內核還沒有占用的數字。下面我們用NETLINK_TEST做為我們定義的協議寫一個例子（注意：自定義協議不一定非要添加到linux/netlink.h中，只要用戶態和內核態代碼都能找到該定義就行）。我們知道使用UDP發送報文有兩種方式：sendto和sendmsg，同樣Netlink也支持這兩種方式。下面先看使用sendmsg的方式。
二：用戶態數據結構
首先看一下幾個重要的數據結構的關系：
（一）struct msghdr
msghdr這個結構在socket變成中就會用到，並不算Netlink專有的。
我們知道socket消息的發送和接收函數一般有這幾對：recv／send、readv／writev、recvfrom／sendto。當然還有recvmsg／sendmsg，前面三對函數各有各的特點功能，而recvmsg／sendmsg就是要囊括前面三對的所有功能，當然還有自己特殊的用途。msghdr的前兩個成員就是為了滿足recvfrom／sendto的功能，中間兩個成員msg_iov和msg_iovlen則是為了滿足readv／writev的功能，而最后的msg_flags則是為了滿足recv／send中flag的功能，剩下的msg_control和msg_controllen則是滿足recvmsg／sendmsg特有的功能。
struct user_msghdr { void __user *msg_name; /* ptr to socket address structure */ int msg_namelen; /* size of socket address structure */ struct iovec __user *msg_iov; /* scatter/gather array */ __kernel_size_t msg_iovlen; /* # elements in msg_iov */ void __user *msg_control; /* ancillary data */ __kernel_size_t msg_controllen; /* ancillary data buffer length */ unsigned int msg_flags; /* flags on received message */ };
應用層向內核傳遞消息可以使用sendto()或sendmsg()函數，其中sendmsg函數需要應用程序手動封裝msghdr消息結構，而sendto()函數則會由內核代為分配。其中
（1）msg_name：指向數據包的目的地址；
（2）msg_namelen：目的地址數據結構的長度；
（3）msg_iov：消息包的實際數據塊，定義如下：
struct iovec { void *iov_base; /* BSD uses caddr_t (1003.1g requires void *) */ __kernel_size_t iov_len; /* Must be size_t (1003.1g) */ };
iov_base：消息包實際載荷的首地址；
iov_len：消息實際載荷的長度。
（4）msg_control：消息的輔助數據；
（5）msg_controllen：消息輔助數據的大小；
（6）msg_flags：接收消息的標識。
對於該結構，我們更需要關注的是前三個變量參數，對於netlink數據包來說其中msg_name指向的就是目的sockaddr_nl地址結構實例的首地址，iov_base指向的就是消息實體中的nlmsghdr消息頭的地址，而iov_len賦值為nlmsghdr中的nlmsg_len即可（消息頭+實際數據）。
（二）struct sockaddr_nl
struct sockaddr_nl為Netlink的地址，和我們通常socket編程中的sockaddr_in作用一樣，他們的結構對比如下：
struct sockaddr_nl{}的詳細定義和描述如下：
struct sockaddr_nl { sa_family_t nl_family; /*該字段總是為AF_NETLINK */ unsigned short nl_pad; /* 目前未用到，填充為0*/ __u32 nl_pid; /* process pid */ __u32 nl_groups; /* multicast groups mask */ };
(1) nl_pid：在Netlink規范里，PID全稱是Port-ID(32bits)，其主要作用是用於唯一的標識一個基於netlink的socket通道。通常情況下nl_pid都設置為當前進程的進程號。前面我們也說過，Netlink不僅可以實現用戶-內核空間的通信還可使現實用戶空間兩個進程之間，或內核空間兩個進程之間的通信。該屬性為0時一般指內核。
(2) nl_groups：如果用戶空間的進程希望加入某個多播組，則必須執行bind()系統調用。該字段指明了調用者希望加入的多播組號的掩碼(注意不是組號，后面我們會詳細講解這個字段)。如果該字段為0則表示調用者不希望加入任何多播組。對於每個隸屬於Netlink協議域的協議，最多可支持32個多播組(因為nl_groups的長度為32比特)，每個多播組用一個比特來表示。
（三）struct nlmsghdr
Netlink的報文由消息頭和消息體構成，struct nlmsghdr即為消息頭。消息頭定義在文件里，由結構體nlmsghdr表示：
struct nlmsghdr { __u32 nlmsg_len; /* Length of message including header */ __u16 nlmsg_type; /* Message content */ __u16 nlmsg_flags; /* Additional flags */ __u32 nlmsg_seq; /* Sequence number */ __u32 nlmsg_pid; /* Sending process PID */ };
消息頭中各成員屬性的解釋及說明：
(1) nlmsg_len：整個消息的長度，按字節計算。包括了Netlink消息頭本身。
(2) nlmsg_type：消息的類型，即是數據還是控制消息。目前(內核版本2.6.21)Netlink僅支持四種類型的控制消息，如下：
a) NLMSG_NOOP-空消息，什么也不做；不執行任何動作，必須將該消息丟棄；
b) NLMSG_ERROR-指明該消息中包含一個錯誤；
c) NLMSG_DONE-標識分組消息的末尾；如果內核通過Netlink隊列返回了多個消息，那么隊列的最后一條消息的類型為NLMSG_DONE，其余所有消息的nlmsg_flags屬性都被設置NLM_F_MULTI位有效。
d) NLMSG_OVERRUN-緩沖區溢出，表示某些消息已經丟失。
(3) nlmsg_flags：附加在消息上的額外說明信息，如上面提到的NLM_F_MULTI。消息標記，它們用以表示消息的類型.
#define NLM_F_REQUEST 1 /* It is request message. */ #define NLM_F_MULTI 2 /* Multipart message, terminated by NLMSG_DONE */ #define NLM_F_ACK 4 /* Reply with ack, with zero or error code */ #define NLM_F_ECHO 8 /* Echo this request */ #define NLM_F_DUMP_INTR 16 /* Dump was inconsistent due to sequence change */ /* Modifiers to GET request */ #define NLM_F_ROOT 0x100 /* specify tree root */ #define NLM_F_MATCH 0x200 /* return all matching */ #define NLM_F_ATOMIC 0x400 /* atomic GET */ #define NLM_F_DUMP (NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH) /* Modifiers to NEW request */ #define NLM_F_REPLACE 0x100 /* Override existing */ #define NLM_F_EXCL 0x200 /* Do not touch, if it exists */ #define NLM_F_CREATE 0x400 /* Create, if it does not exist */ #define NLM_F_APPEND 0x800 /* Add to end of list */
那消息體怎么設置呢？可以使用NLMSG_DATA，具體見后面例子。
(四)netlink消息處理宏
#define NLMSG_ALIGNTO 4U #define NLMSG_ALIGN(len) ( ((len)+NLMSG_ALIGNTO-1) & ~(NLMSG_ALIGNTO-1) ) /* 對len執行4字節對齊 */ #define NLMSG_HDRLEN ((int) NLMSG_ALIGN(sizeof(struct nlmsghdr))) /* netlink消息頭長度 */ #define NLMSG_LENGTH(len) ((len) + NLMSG_HDRLEN) /* netlink消息載荷len加上消息頭 */ #define NLMSG_SPACE(len) NLMSG_ALIGN(NLMSG_LENGTH(len)) /* 對netlink消息全長執行字節對齊 */ #define NLMSG_DATA(nlh) ((void*)(((char*)nlh) + NLMSG_LENGTH(0))) /* 獲取netlink消息實際載荷位置 */ #define NLMSG_NEXT(nlh,len) ((len) -= NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len), \ (struct nlmsghdr*)(((char*)(nlh)) + NLMSG_ALIGN((nlh)->nlmsg_len)))/* 取得下一個消息的首地址，同時len也減少為剩余消息的總長度 */ #define NLMSG_OK(nlh,len) ((len) >= (int)sizeof(struct nlmsghdr) && \ (nlh)->nlmsg_len >= sizeof(struct nlmsghdr) && \ (nlh)->nlmsg_len <= (len)) /* 驗證消息的長度 */ #define NLMSG_PAYLOAD(nlh,len) ((nlh)->nlmsg_len - NLMSG_SPACE((len))) /* 返回PAYLOAD的長度 */
Linux為了處理netlink消息方便，在 include/uapi/linux/netlink.h中定義了以上消息處理宏，用於各種場合。對於Netlink消息來說，處理如下格式（見netlink.h）：
/* ======================================================================== * Netlink Messages and Attributes Interface (As Seen On TV) * ------------------------------------------------------------------------ * Messages Interface * ------------------------------------------------------------------------ * * Message Format: * <--- nlmsg_total_size(payload) ---> * <-- nlmsg_msg_size(payload) -> * +----------+- - -+-------------+- - -+-------- - - * | nlmsghdr | Pad | Payload | Pad | nlmsghdr * +----------+- - -+-------------+- - -+-------- - - * nlmsg_data(nlh)---^ ^ * nlmsg_next(nlh)-----------------------+ * * Payload Format: * <---------------------- nlmsg_len(nlh) ---------------------> * <------ hdrlen ------> <- nlmsg_attrlen(nlh, hdrlen) -> * +----------------------+- - -+--------------------------------+ * | Family Header | Pad | Attributes | * +----------------------+- - -+--------------------------------+ * nlmsg_attrdata(nlh, hdrlen)---^ * * ------------------------------------------------------------------------ * Attributes Interface * ------------------------------------------------------------------------ * * Attribute Format: * <------- nla_total_size(payload) -------> * <---- nla_attr_size(payload) -----> * +----------+- - -+- - - - - - - - - +- - -+-------- - - * | Header | Pad | Payload | Pad | Header * +----------+- - -+- - - - - - - - - +- - -+-------- - - * <- nla_len(nla) -> ^ * nla_data(nla)----^ | * nla_next(nla)-----------------------------' * *========================================================================= */
三：內核態實現
（一）內核netlink api
1.創建netlink socket
struct sock *netlink_kernel_create(struct net *net,
int unit,unsigned int groups, void (*input)(struct sk_buff *skb), struct mutex *cb_mutex,struct module *module);
參數說明：
(1) net：是一個網絡名字空間namespace，在不同的名字空間里面可以有自己的轉發信息庫，有自己的一套net_device等等。默認情況下都是使用 init_net這個全局變量。
(2) unit：表示netlink協議類型，如NETLINK_TEST、NETLINK_SELINUX。
(3) groups：多播地址。
(4) input：為內核模塊定義的netlink消息處理函數，當有消 息到達這個netlink socket時，該input函數指針就會被引用，且只有此函數返回時，調用者的sendmsg才能返回。
(5) cb_mutex：為訪問數據時的互斥信號量。
(6) module： 一般為THIS_MODULE。
2.發送單播消息netlink_unicast
int netlink_unicast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, int nonblock)
參數說明：
(1) ssk：為函數 netlink_kernel_create()返回的socket。
(2) skb：存放消息，它的data字段指向要發送的netlink消息結構，而 skb的控制塊保存了消息的地址信息，宏NETLINK_CB(skb)就用於方便設置該控制塊。
(3) pid：為接收此消息進程的pid，即目標地址，如果目標為組或內核，它設置為 0。
(4) nonblock：表示該函數是否為非阻塞，如果為1，該函數將在沒有接收緩存可利用時立即返回；而如果為0，該函數在沒有接收緩存可利用定時睡眠。
3.發送廣播消息netlink_broadcast
int netlink_broadcast(struct sock *ssk, struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 group, gfp_t allocation)
前面的三個參數與 netlink_unicast相同，參數group為接收消息的多播組，該參數的每一個位代表一個多播組，因此如果發送給多個多播組，就把該參數設置為多個多播組組ID的位或。參數allocation為內核內存分配類型，一般地為GFP_ATOMIC或GFP_KERNEL，GFP_ATOMIC用於原子的上下文（即不可以睡眠），而GFP_KERNEL用於非原子上下文。
4.釋放netlink socket
void netlink_kernel_release(struct sock *sk)
（二）代碼實現
#include <linux/init.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> #include <linux/types.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/netlink.h> #include <net/sock.h> #define NETLINK_USER 22 #define USER_MSG (NETLINK_USER+1) #define USER_PORT 50 static int stringlen(char* buf); static int send_msg(char* pbuf,int pid); static void recv_cb(struct sk_buff* skb); static struct sock* netlink_fd = NULL; struct netlink_kernel_cfg cfg = { .input = recv_cb, }; static int __init test_netlink_init(void) { printk("init netlink!\n"); netlink_fd = netlink_kernel_create(&init_net,USER_MSG,&cfg); if(!netlink_fd) { printk(KERN_ERR "can not create a netlink socket!\n"); return -1; } printk("netlink init successful!\n"); return 0; } static void __exit test_netlink_exit(void) { printk("exit netlink!\n"); sock_release(netlink_fd->sk_socket); printk(KERN_DEBUG "netlink exit!\n"); } module_init(test_netlink_init); module_exit(test_netlink_exit); MODULE_AUTHOR("SSYFJ"); MODULE_LICENSE("GPL"); static void recv_cb(struct sk_buff* __skb) { struct nlmsghdr* nlh = NULL; void* data = NULL; int pid; struct sk_buff* skb = skb_get(__skb); //通過為原始數據__skb添加引用來獲取數據 printk("skb->len:%u\n",skb->len); if(skb->len>=NLMSG_SPACE(0)) //NLMSG_SPACE(0)表示 只有頭部的大小 { nlh = nlmsg_hdr(skb); printk("nlmsg->len:%u %u\n",nlh->nlmsg_len,nlmsg_len(nlh)); data = NLMSG_DATA(nlh); if(data) { printk("kernel receive data:%s\n",(int8_t*)data); pid = nlh->nlmsg_pid; send_msg("hello userspace",pid); } } kfree_skb(skb); //前面引用+1,這里一定要釋放，不然會warn } static int stringlen(char* buf) { int len = 0; for(;*buf;buf++) { len++; } return len; } static int send_msg(char* pbuf,int pid) { int len = stringlen(pbuf),ret; struct sk_buff* nl_skb; struct nlmsghdr* nlh; nl_skb = nlmsg_new(len,GFP_ATOMIC); if(!nl_skb) { printk("netlink_alloc_skb error!\n"); return -1; } nlh = nlmsg_put(nl_skb,0,0,pid,len,0); if(!nlh) { printk("nlmsg_put() error!\n"); nlmsg_free(nl_skb); return -1; } memcpy(nlmsg_data(nlh),pbuf,len); ret = netlink_unicast(netlink_fd,nl_skb,pid,MSG_DONTWAIT); return ret; }
（三）Makefile文件
obj-m := kern.o KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd) default: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
注意：kern.o與我們編寫的代碼文件一致
（四）內核操作
sudo insmod kern.ko
sudo rmmod kern
其中kern是我們編譯出來的內核文件,對於ko文件的插入移除，可以通過dmesg查看printk的打印結果
四：用戶態實現
（一）sendmsg與recvmsg方法的用戶態實現
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <linux/netlink.h> #define NETLINK_USER 22 //從22開始到32可以自定義Netlink通信宏 #define USER_MSG (NETLINK_USER+1) //自定義用於和內核空間通信 #define MAX_PLOAD 1024 //nlmsg最大負載（包含頭部） int main(int argc,char** argv) { char* data = "hello kernel space by user 1"; int sockfd; struct sockaddr_nl local,remote; struct nlmsghdr* nlh = NULL; struct iovec iov; struct msghdr msg; int ret; /* 第一個參數必須是 AF_NETLINK 或 PF_NETLINK，在 Linux 中，它們倆實際為一個東西，它表示要使用netlink， 第二個參數必須是SOCK_RAW或SOCK_DGRAM，因為netlink是一種面向數據包的服務. 第三個參數指定netlink協議類型，可以是自己在netlink.h中定義的，也可以是內核中已經定義好的。 */ sockfd = socket(AF_NETLINK,SOCK_RAW,USER_MSG); if(sockfd == -1) { printf("create socket failure! %s\n",strerror(errno)); return -1; } memset(&local,0,sizeof(local)); local.nl_family = AF_NETLINK; local.nl_pid = 50; //nl_pid 實際上未必是進程 ID,它只是用於區分不同的接收者或發送者的一個標識，可以看做通信雙方端口。 local.nl_groups = 0; ret = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)); if(ret < 0) { printf("bind() error!\n"); close(sockfd); return -1; } memset(&remote,0,sizeof(remote)); remote.nl_family = AF_NETLINK; remote.nl_pid = 0; //為0表示與內核通信 remote.nl_groups = 0; //1.先設置nlh格式和數據 nlh = (struct nlmsghdr*)malloc(NLMSG_SPACE(MAX_PLOAD)); if(!nlh) { printf("malloc nlmsghdr error!\n"); close(sockfd); return -1; } 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 = local.nl_pid; memcpy(NLMSG_DATA(nlh),data,strlen(data)); //2.設置iovec數據 iov.iov_base = (void*)nlh; iov.iov_len = NLMSG_SPACE(MAX_PLOAD); //3.設置msg數據 memset(&msg,0,sizeof(msg)); msg.msg_name = (void*)&remote; msg.msg_namelen = sizeof(remote); msg.msg_iov = &iov; msg.msg_iovlen = 1; //開始發送數據 printf("sendmsg start....\n"); ret = sendmsg(sockfd,&msg,0); if(ret < 0) { perror("send to kernel failure!\n"); close(sockfd); free(nlh); exit(-1); } //接受數據 printf("recvmsg start....\n"); ret = recvmsg(sockfd,&msg,0); if(ret < 0) { perror("recv from kernel failure!\n"); close(sockfd); free(nlh); exit(-1); } printf("recv data:%s\n", (char*)NLMSG_DATA(nlh)); close(sockfd); free((void*)nlh); return 0; }
（二）sendto與recvfrom方法的用戶態實現
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <linux/netlink.h> #define NETLINK_USER 22 #define USER_MSG (NETLINK_USER+1) #define MAX_PLOAD 1024 int main(int argc,char** argv) { char* data = "hello kernel space by user 2"; int sockfd,ret; struct sockaddr_nl local,remote; struct nlmsghdr* nlh = NULL; sockfd = socket(AF_NETLINK,SOCK_RAW,USER_MSG); if(sockfd == -1) { printf("create socket failure! %s\n",strerror(errno)); return -1; } memset(&local,0,sizeof(local)); local.nl_family = AF_NETLINK; local.nl_pid = 50; local.nl_groups = 0; if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) != 0) { printf("bind() error!\n"); close(sockfd); return -1; } memset(&remote,0,sizeof(remote)); remote.nl_family = AF_NETLINK; remote.nl_pid = 0; remote.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 = local.nl_pid; printf("sendmsg start....\n"); memcpy(NLMSG_DATA(nlh),data,strlen(data)); ret = sendto(sockfd,nlh,nlh->nlmsg_len,0,(struct sockaddr*)&remote,sizeof(struct sockaddr_nl)); if(ret<0) { perror("send to kernel failure!\n"); close(sockfd); exit(-1); } //接受數據 printf("recvmsg start....\n"); memset(nlh,0,NLMSG_SPACE(MAX_PLOAD)); ret = recvfrom(sockfd,nlh,NLMSG_LENGTH(MAX_PLOAD),0,NULL,NULL); if(ret<0) { printf("recv from kernel failure!\n"); close(sockfd); exit(-1); } printf("recv data:%s\n",(char*)NLMSG_DATA(nlh)); close(sockfd); free((void*)nlh); return 0; }
（三）兩種情況測試
使用gcc編譯：
gcc ./user.c -o user
gcc ./user2.c -o user2
查看dmesg結果：
