用户空间和内核空间通讯之【Netlink 上】

什么是Netlink

       关于Netlink的理解，需要把握几个关键点：

       1、面向数据报的无连接消息子系统

       2、基于通用的BSD Socket架构而实现

      关于第一点使我们很容易联想到UDP协议，能想到这一点就非常棒了。按着UDP协议来理解Netlink不是不无道理，只要你能触类旁通，做到“活学”，善于总结归纳、联想，最后实现知识迁移这就是学习的本质。Netlink可以实现内核->用户以及用户->内核的双向、异步的数据通信，同时它还支持两个用户进程之间、甚至两个内核子系统之间的数据通信。本文中，对后两者我们不予考虑，焦点集中在如何实现用户<->内核之间的数据通信。

      看到第二点脑海中是不是瞬间闪现了下面这张图片呢？如果是，则说明你确实有慧根；当然，不是也没关系，慧根可以慢慢长嘛，呵呵。

Netlink通信类型

      Netlink支持两种类型的通信方式：单播和多播。

      单播：经常用于一个用户进程和一个内核子系统之间1:1的数据通信。用户空间发送命令到内核，然后从内核接受命令的返回结果。

Netlink的消息格式

Netlink的消息头

      消息头定义在<include/linux/netlink.h>文件里，由结构体nlmsghdr表示：

      消息头中各成员属性的解释及说明：

nlmsg_len：整个消息的长度，按字节计算。包括了Netlink消息头本身。

nlmsg_type：消息的类型，即是数据还是控制消息。目前(内核版本2.6.21)Netlink仅支持四种类型的控制消息，如下：

     NLMSG_NOOP-空消息，什么也不做；

     NLMSG_ERROR-指明该消息中包含一个错误；

     NLMSG_DONE-如果内核通过Netlink队列返回了多个消息，那么队列的最后一条消息的类型为NLMSG_DONE，其余所有消息的nlmsg_flags属性都被设置NLM_F_MULTI位有效。

     NLMSG_OVERRUN-暂时没用到。

nlmsg_seq：消息序列号。因为Netlink是面向数据报的，所以存在丢失数据的风险，但是Netlink提供了如何确保消息不丢失的机制，让程序开发人员根据其实际需求而实现。消息序列号一般和NLM_F_ACK类型的消息联合使用，如果用户的应用程序需要保证其发送的每条消息都成功被内核收到的话，那么它发送消息时需要用户程序自己设置序号，内核收到该消息后对提取其中的序列号，然后在发送给用户程序回应消息里设置同样的序列号。有点类似于TCP的响应和确认机制。

注意：当内核主动向用户空间发送广播消息时，消息中的该字段总是为0。

Netlink的消息体

Netlink提供的错误指示消息

Netlink编程需要注意的问题

      基于Netlink的用户-内核通信，有两种情况可能会导致丢包：

      1、内存耗尽；

      2、用户空间接收进程的缓冲区溢出。导致缓冲区溢出的主要原因有可能是：用户空间的进程运行太慢；或者接收队列太短。

      如果Netlink不能将消息正确传递到用户空间的接收进程，那么用户空间的接收进程在调用recvmsg()系统调用时就会返回一个内存不足(ENOBUFS)的错误，这一点需要注意。换句话说，缓冲区溢出的情况是不会发送在从用户->内核的sendmsg()系统调用里，原因前面我们也说过了，请大家自己思考一下。

      当然，如果使用的是阻塞型socket通信，也就不存在内存耗尽的隐患了，这又是为什么呢？赶紧去谷歌一下，查查什么是阻塞型socket吧。学而不思则罔，思而不学则殆嘛。

Netlink的地址结构体

    struct sockaddr_nl{}的详细定义和描述如下：

nl_pid：该属性为发送或接收消息的进程ID，前面我们也说过，Netlink不仅可以实现用户-内核空间的通信还可使现实用户空间两个进程之间，或内核空间两个进程之间的通信。该属性为0时一般适用于如下两种情况：

        第一，我们要发送的目的地是内核，即从用户空间发往内核空间时，我们构造的Netlink地址结构体中nl_pid通常情况下都置为0。这里有一点需要跟大家交代一下，在Netlink规范里，PID全称是Port-ID(32bits)，其主要作用是用于唯一的标识一个基于netlink的socket通道。通常情况下nl_pid都设置为当前进程的进程号。然而，对于一个进程的多个线程同时使用netlink socket的情况，nl_pid的设置一般采用如下这个样子来实现：

       第二，从内核发出的多播报文到用户空间时，如果用户空间的进程处在该多播组中，那么其地址结构体中nl_pid也设置为0，同时还要结合下面介绍到的另一个属性。

nl_groups：如果用户空间的进程希望加入某个多播组，则必须执行bind()系统调用。该字段指明了调用者希望加入的多播组号的掩码(注意不是组号，后面我们会详细讲解这个字段)。如果该字段为0则表示调用者不希望加入任何多播组。对于每个隶属于Netlink协议域的协议，最多可支持32个多播组(因为nl_groups的长度为32比特)，每个多播组用一个比特来表示。 

       关于Netlink剩下的知识点，我们在后面的实战环节有用到时再讨论。