Linux Netlink学习笔记

参考链接：https://www.systutorials.com/docs/linux/man/7-netlink/

1. 监听Netlink消息类型示例

Netlink是用户程序与内核通信的socket方法，通过Netlink可以获得修改内核的配置，常见的有获得接口的IP地址列表、更改路由表或邻居表。旧版本的内核提供很多从内核获取信息的方式，至今仍在被广泛使用。

其次，除了可以获取修改内核配置外，还能够监听内核相关配置信息变化的事件，例如：接口状态、接口地址、内核路由表或者内核邻居表项的变更。

下面，我们先列举一个简单的例子：监听接口的状态变化，并打印出出，发生变化的接口信息。

1.1. 监听接口状态变化

咋们直接上代码，然后在详细描述，实现的关键步骤。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <asm/types.h>
#include <linux/if.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <linux/rtnetlink.h>

#define dprint(format, ...) \
    printf("[%15s:%-4d] " format , __FUNCTION__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)

static int gnl_fd;

static void parse_rtattr(struct rtattr **tb, int max, struct rtattr *attr, int len)
{
    for ( ; RTA_OK(attr, len); attr = RTA_NEXT(attr, len)) {
        if (attr->rta_type <= max) {
            tb[attr->rta_type] = attr;
        }
    }
}

static void show_iflink_msg(struct nlmsghdr *nh_msg)
{
    int msg_len;
    /**
     * @brief #define IFLA_MAX (__IFLA_MAX - 1)
     * 头文件：linux/if_link.h
     */
    struct rtattr *tb[IFLA_MAX + 1];
    struct ifinfomsg *ifmsg; /* 6 */

    bzero(tb, sizeof(tb));
    ifmsg = NLMSG_DATA(nh_msg); /* 7 */
    msg_len = nh_msg->nlmsg_len - NLMSG_SPACE(sizeof(*ifmsg));
    parse_rtattr(tb, IFLA_MAX, IFLA_RTA(ifmsg), msg_len); /* 8 */

    dprint("  >> if intf_index: %d\n", ifmsg->ifi_index);
    dprint("  >> if intf_name : %s\n", (tb[IFLA_IFNAME] ? RTA_DATA(tb[IFLA_IFNAME]) : " "));
    dprint("  >> if link_type : %s\n", (nh_msg->nlmsg_type == RTM_NEWLINK) ? "NEWLINK" : "DELLINK");
    dprint("  >> if link_state: %s\n\n", (ifmsg->ifi_flags & IFF_UP) ? "up" : "down");
    return;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    fd_set rd_set;
    int max_fd = -1;
    int iret, old_iret = -1;
    struct timeval tmval;
    struct sockaddr_nl sa_nl;
    char sbuff[2048];
    struct nlmsghdr *nh_msg;

    memset(&sa_nl, 0, sizeof(sa_nl));
    sa_nl.nl_family = PF_NETLINK; /* 1 */
    sa_nl.nl_groups = RTMGRP_LINK | RTMGRP_IPV4_IFADDR; /* 2 */

    gnl_fd = socket(PF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE); /* 3 */
    bind(gnl_fd, (struct sockaddr *) &sa_nl, sizeof(sa_nl));

    dprint("begin listen gnl_fd socket ...\n");
    for ( ; ; ) {
        FD_ZERO(&rd_set);
        FD_SET(gnl_fd, &rd_set);

        tmval.tv_sec = 1;
        tmval.tv_usec = 0;
        max_fd = (max_fd > gnl_fd) ? max_fd : gnl_fd;

        iret = select(max_fd + 1, &rd_set, NULL, NULL, &tmval);
        if (old_iret != iret) {
            dprint("select return value %d, errno %d.\n", iret, errno);
            old_iret = iret;
        }

        if (iret == -1 || iret == 0 || !FD_ISSET(gnl_fd, &rd_set)) {
            if (iret == -1 && errno != EINTR)
                break;
            continue;
        }

        iret = read(gnl_fd, sbuff, sizeof(sbuff));
        dprint("  >> read gnl_fd return value %d.\n", iret);
        if (iret <= 0) {
            continue;
        }

        nh_msg = (struct nlmsghdr *)sbuff;
        for ( ; NLMSG_OK(nh_msg, iret); nh_msg = NLMSG_NEXT(nh_msg, iret)) { /* 4 */
            dprint("  >> recive nh_msg type %u, portid %u.\n", nh_msg->nlmsg_type, nh_msg->nlmsg_pid);

            /**
             * @brief 这里的 nlmsg_type 对应到 linux/rtnetlink.h 中
             * enum { RTM_BASE = 16, ... } 等枚举类型
             */
            switch (nh_msg->nlmsg_type) { /* 5 */
            case RTM_NEWLINK:
            case RTM_DELLINK:
                show_iflink_msg(nh_msg);
                break;
            default:
                break;
            }
        }
    }

    close(gnl_fd);
    dprint("close gnl_fd socket, bye bye...\n");
    return 0;
}

1. 指定地址簇，在使用netlink sock时，固定配置值：PF_NETLINK （等同AF_NETLINK）
2. Netlink Group 这个得多写点了
   
   含义：多播组掩码；
   
   它是一个位掩码，每个位代表一个网络链接组号。 每个 netlink 系列都有一组 32 个多播组。
   
   当在套接字上调用 bind(2) 时，sockaddr_nl 中的 nl_groups 字段应设置为它希望收听的组的位掩码。 此字段的默认值为零，这意味着不会接收到多播。 套接字可以通过将 nl_groups 设置为它在调用 sendmsg(2) 或执行 connect(2) 时希望发送到的组的位掩码来将消息多播到任何多播组。
   
   Sockaddr_nl 结构体：

struct sockaddr_nl {
    sa_family_t     nl_family;  /* AF_NETLINK */
    unsigned short  nl_pad;     /* Zero */
    pid_t           nl_pid;     /* Port ID */
    __u32          nl_groups;  /* Multicast groups mask */
};

常用的配置选项，在头文件 linux/rtnetlink.h 文件约659行

#define RTMGRP_LINK		1
#define RTMGRP_NOTIFY		2
#define RTMGRP_NEIGH		4
#define RTMGRP_TC		     8

#define RTMGRP_IPV4_IFADDR	 0x10
#define RTMGRP_IPV4_MROUTE	 0x20
#define RTMGRP_IPV4_ROUTE	 0x40
#define RTMGRP_IPV4_RULE	 0x80

#define RTMGRP_IPV6_IFADDR	  0x100
#define RTMGRP_IPV6_MROUTE	  0x200
#define RTMGRP_IPV6_ROUTE	  0x400
#define RTMGRP_IPV6_IFINFO  0x800

#define RTMGRP_DECnet_IFADDR    0x1000
#define RTMGRP_DECnet_ROUTE     0x4000
#define RTMGRP_IPV6_PREFIX      0x20000

在我们示例中，我们仅想监听接口链路状态和接口地址变化；所以，只需要设置上LINK和IFADDR即可；其他设置，根据自己需求进行设置

3. 注意socket(…)函数中第三个参数NETLINK_ROUTE，这个值我们又是从哪里获取，又是怎么确定应该使用它而不是别的值呢，这里就需要简单解释下。

这个值在头文件：linux/netlink.h 中约第9行开始

当前可用的宏定义有以下这么多：

#define NETLINK_ROUTE		0	/* Routing/device hook				*/
#define NETLINK_UNUSED		1	/* Unused number				*/
#define NETLINK_USERSOCK	2	/* Reserved for user mode socket protocols 	*/
#define NETLINK_FIREWALL	3	/* Unused number, formerly ip_queue		*/
#define NETLINK_SOCK_DIAG	4	/* socket monitoring				*/
#define NETLINK_NFLOG		5	/* netfilter/iptables ULOG */
#define NETLINK_XFRM		6	/* ipsec */
#define NETLINK_SELINUX		7	/* SELinux event notifications */
#define NETLINK_ISCSI		8	/* Open-iSCSI */
#define NETLINK_AUDIT		9	/* auditing */
#define NETLINK_FIB_LOOKUP	10
#define NETLINK_CONNECTOR	11
#define NETLINK_NETFILTER	12	/* netfilter subsystem */
#define NETLINK_IP6_FW		13
#define NETLINK_DNRTMSG		14	/* DECnet routing messages */
#define NETLINK_KOBJECT_UEVENT	15	/* Kernel messages to userspace */
#define NETLINK_GENERIC		16
/* leave room for NETLINK_DM (DM Events) */
#define NETLINK_SCSITRANSPORT	18	/* SCSI Transports */
#define NETLINK_ECRYPTFS	19
#define NETLINK_RDMA		20
#define NETLINK_CRYPTO		21	/* Crypto layer */
#define NETLINK_SMC		22	/* SMC monitoring */

#define NETLINK_INET_DIAG	NETLINK_SOCK_DIAG

#define MAX_LINKS 32

根据《深入Linux内核架构与底层原理》这本书9.2.2节介绍，每个宏的含义如下（这里只列举几个常用的）

• NETLINK_ROUTE：它与邻居表、路由表、数据包分类器、网卡信息等路由子系统进行通信，以获取信息。（目前最为常用的）
• NETLINK_USERSOCK：它就是用户端socket，使用这个处理netlink请求的单位就不是内核了，而是用户空间的另外一头的某个进程。Socket一端可以监听，另一端只要将 发送的目标地址填充为目标进程的PID就好（netlink的发送地址不是ip编码的，而是pid等编码的）。这种IPC最厉害的地方在于可以支持multicast，即一个消息可以统发发送给多个接收者。
• NETLINK_FIREWALL：它是跟内核的netfilter的ip_queue模块沟通的选项。（iptables的动作要设置为： -j QUEUE）

1. 从socket中读取数据后，开始遍历每一个nlmsghdr，它结构体定义如下：

struct nlmsghdr {
    __u32 nlmsg_len;    /* Length of message including header */
    __u16 nlmsg_type;   /* Type of message content */
    __u16 nlmsg_flags;  /* Additional flags */
    __u32 nlmsg_seq;    /* Sequence number */
    __u32 nlmsg_pid;    /* Sender port ID */
};

这里最常用到的就是 nlmsg_type 这个字段了，在下一点进行介绍。

其次，对于这个 nlmsg_flags 字段，再做下介绍：

Standard flag bits in nlmsg_flags
NLM_F_REQUEST	Must be set on all request messages.
NLM_F_MULTI	The message is part of a multipart message terminated by NLMSG_DONE.
NLM_F_ACK	Request for an acknowledgment on success.
NLM_F_ECHO	Echo this request.
Additional flag bits for GET requests
NLM_F_ROOT	Return the complete table instead of a single entry.
NLM_F_MATCH	Return all entries matching criteria passed in message content. Not implemented yet.
NLM_F_ATOMIC	Return an atomic snapshot of the table.
NLM_F_DUMP	Convenience macro; equivalent to (NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH).
Note that NLM_F_ATOMIC requires the CAP_NET_ADMIN capability or an effective UID of 0.

Additional flag bits for NEW requests（以下这几个，我们可能会常用到）
NLM_F_REPLACE	Replace existing matching object.
NLM_F_EXCL	Don't replace if the object already exists.
NLM_F_CREATE	Create object if it doesn't already exist.
NLM_F_APPEND	Add to the end of the object list.

1. nlmsg_type这个字段的值，定义在头文件：linux/rtnetlink.h文件中约第20行，在那里定义了Routing/neighbor 发现消息的类型。部分截图如下：

/****
 *		Routing/neighbour discovery messages.
 ****/

/* Types of messages */

enum {
	RTM_BASE	= 16,
#define RTM_BASE	RTM_BASE

	RTM_NEWLINK	= 16,
#define RTM_NEWLINK	RTM_NEWLINK
	RTM_DELLINK,
#define RTM_DELLINK	RTM_DELLINK
	RTM_GETLINK,
#define RTM_GETLINK	RTM_GETLINK
	RTM_SETLINK,
#define RTM_SETLINK	RTM_SETLINK

	RTM_NEWADDR	= 20,
#define RTM_NEWADDR	RTM_NEWADDR
	RTM_DELADDR,
#define RTM_DELADDR	RTM_DELADDR
	RTM_GETADDR,
#define RTM_GETADDR	RTM_GETADDR
...

1. 对于类似于我这样的netlink编程小白，大多数都会想，为啥就是struct ifinfomsg这个数据结构体呢，我去哪里找应该使用哪个数据结构体呢
   
   struct ifinfomsg：定义在头文件 linux/rtnetlink.h
   
   建议下一份Linux Kernal源码，熟悉下 include/uapi/linux 这个目录下看起来眼熟的头文件。
2. 通过 linux/netlink.h 头文件定义宏 NLMSG_DATA 获取nlmsg中携带的消息数据
3. 从这个消息体中依次解析出【接口的消息类型/属性值】
   
   比如：IFLA_IFNAME，IFLA_MAX这些宏都定义在：linux/if_link.h文件中约276行，部分代码如下：

/*
 * IFLA_AF_SPEC
 *   Contains nested attributes for address family specific attributes.
 *   Each address family may create a attribute with the address family
 *   number as type and create its own attribute structure in it.
 *
 *   Example:
 *   [IFLA_AF_SPEC] = {
 *       [AF_INET] = {
 *           [IFLA_INET_CONF] = ...,
 *       },
 *       [AF_INET6] = {
 *           [IFLA_INET6_FLAGS] = ...,
 *           [IFLA_INET6_CONF] = ...,
 *       }
 *   }
 */

enum {
	IFLA_UNSPEC,
	IFLA_ADDRESS,
	IFLA_BROADCAST,
	IFLA_IFNAME,
	IFLA_MTU,
	IFLA_LINK,
	IFLA_QDISC,
	IFLA_STATS,
	IFLA_COST,
#define IFLA_COST IFLA_COST
	IFLA_PRIORITY,
#define IFLA_PRIORITY IFLA_PRIORITY
IFLA_MASTER,

这些属性值，都是可以通过 RTA_DATA( tb[IFLA_XXX] ) 获取到。

至此，一个简单的示例也就讲述完毕。

1.2. 小结

进行Netlink编程的一个简单的总结：

1. 需要命令，你要操作内核哪类配置，确定好了这个，就能够确定socket函数中第三个参数应该使用哪个值（值定义在 linux/netlink.h），这个值，我们先命名为Netlink Protocol选项
2. 确定好这个后，我们就需要了解，这个Netlink Protocol选项下有哪些消息，了解后就可以根据自己的业务需求，只去关注自己关心的哪些消息类型
3. 接下来，就是寻找，这些消息类型对应的消息结构体是如何定义的或者说它们定义的位置在哪里，这就得需要经验的积累了。首先，定义这些消息结构体的头文件大部分存放在Linux Kernal源码的include/uapi/linux这个目录下，常用的头文件有：

• rtnetlink.h 接口、路由消息
• netlink.h
• if.h
• if_addr.h
• if_link.h
• neighbour.h 邻居消息
  
  其次，加入是包过滤（netfilter）的话，其通常的命令方式含有 fw、netfilter 等字样，然后再确认文件内容，是否是所需要的。

1. 取得的类型的消息结构体了，然后就是从消息结构体解析出，携带的数据，我们就需要struct rtattr *tb结构体以及相关API的使用；然后就是，需要在相关头文件中，找到这个消息结构体描述的事物，它具有哪些属性。比如：描述的网卡（接口），它具有索引值、网卡名称，MTU，Link状态等属性；更具属性的枚举变量，使用 RTA_DATA ( tb[XXX] )来获取相应的值。

2. 好用的Linux在线手册：https://www.man7.org/linux/man-pages/index.html