Linux之netlink(2)Libnl3使用介紹(1)

Author：Onceday Date：2025年4月26日

漫漫長路，才剛剛開始…

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本文翻譯自libnl3官方文檔：Netlink Library (libnl)

參考文檔：

• thom311/libnl: Netlink Library Suite
• libnl - Netlink Protocol Library Suite
• Routing Family Netlink Library (libnl-route)
• Netlink Library (libnl)
• Documentation Overview - libnl Suite

1. libnl介紹

libnl3是Linux平臺上一個功能豐富的網絡編程庫。它為用戶空間程序提供了一組全面的API，用于與Linux內核的網絡組件進行交互。libnl3讓開發者能夠方便地配置和管理各種網絡功能，如鏈路、接口、路由、地址、鄰居、策略路由、流量控制、網絡狀態監控等。

libnl 套件是一組庫的集合，它為基于 Netlink 協議的 Linux 內核接口提供了應用程序編程接口（API）。

Netlink 是一種主要在內核與用戶空間進程之間使用的進程間通信（IPC）機制。它被設計成是 ioctl（輸入輸出控制）更靈活的替代方案，主要用于提供與網絡相關的內核配置和監控接口。

這些接口被劃分到幾個小型庫中，這樣就不會強制應用程序鏈接到一個龐大臃腫的單一庫上。

• libnl，核心庫，實現了使用 Netlink 協議所需的基本功能，比如套接字處理、消息構建與解析，以及數據的發送和接收。這個庫保持小巧且簡約。該套件中的其他庫都依賴于這個庫。
• libnl-route，提供了 NETLINK_ROUTE 系列配置接口的 API，這些接口涉及網絡接口、路由、地址、鄰居節點以及流量控制等方面。
• libnl-genl，提供了通用 Netlink 協議（Netlink 協議的擴展版本）的 API。
• libnl-nf，提供了基于 Netlink 的 netfilter(網絡過濾器)配置和監控接口(連接跟蹤、日志記錄、隊列)的 API。

主要的頭文件是 <netlink/netlink.h>。根據程序所使用的子系統和組件的不同，可能還需要在源文件中包含其他的頭文件。

#include <netlink/netlink.h>#include <netlink/cache.h>#include <netlink/route/link.h>

如果該庫在編譯時啟用了調試語句，那么當環境變量 NLDBG 的值設置為大于 0 時，它將會把調試信息打印到標準錯誤輸出（stderr）中。

NLDBG=2 ./myprogram

下面是各個NLDBG值對應的調試級別:

調試級別	描述
0	調試功能已禁用（默認設置）
1	警告、重要事件及通知信息
2	或多或少較為重要的調試消息
3	會產生大量調試消息的重復性事件相關信息
4	甚至更不太重要的消息

查看與其他套接字交換的 Netlink 消息流通常是很有用的。設置環境變量 NLCB=debug 將啟用調試消息處理程序，該程序進而會以人類可讀的格式將交換的 Netlink 消息打印到標準錯誤輸出（stderr）中。

$ NLCB=debug ./myprogram-- Debug: Sent Message:--------------------------   BEGIN NETLINK MESSAGE ---------------------------[HEADER] 16 octets.nlmsg_len = 20.nlmsg_type = 18 <route/link::get>.nlmsg_flags = 773 <REQUEST,ACK,ROOT,MATCH>.nlmsg_seq = 1301410712.nlmsg_pid = 20014[PAYLOAD] 16 octets
.....

2. Netlink協議介紹

2.1 Netlink地址

Netlink 協議是一種基于套接字的進程間通信（IPC）機制，用于用戶空間進程與內核之間，或者用戶空間進程彼此之間的通信。Netlink 協議基于 BSD 套接字，并使用 AF_NETLINK 地址族。每一種 Netlink 協議都有其自身的協議編號（例如，NETLINK_ROUTE、NETLINK_NETFILTER 等）。它的編址模式基于一個 32 位的端口號，以前稱為進程標識符（PID），這個端口號唯一標識每個通信對等端。

Netlink 地址(端口)由一個 32 位整數組成。端口 0(零)是為內核保留的，它指的是每個 Netlink 協議族在內核端的套接字。其他端口號通常指的是用戶空間所擁有的套接字，不過這并非強制規定。

起初，常見的做法是使用進程標識符(PID)作為本地端口號。但隨著支持多線程的 Netlink 應用程序以及需要多個套接字的應用程序的出現，這種做法變得不太實用了。因此，libnl 庫會基于進程標識符生成唯一的端口號，并為其添加一個偏移量，從而允許使用多個套接字。出于向后兼容的原因，初始套接字的端口號仍然會等于進程標識符。

上圖展示了三個應用程序以及內核端所暴露的兩個內核端套接字。它呈現了常見的 Netlink 使用場景：

• 用戶空間到內核。
• 用戶空間到用戶空間。
• 監聽內核的多播通知。

（1）用戶空間到內核：Netlink 最常見的使用形式是用戶空間應用程序向內核發送請求，并處理回復，回復內容要么是錯誤消息，要么是成功通知。

（2）用戶空間到用戶空間：Netlink 也可以用作一種進程間通信機制，以便用戶空間應用程序之間直接進行通信。通信并不局限于兩個對等端，任意數量的對等端都可以相互通信，并且多播功能允許通過一條消息發送給多個對等端。

為了讓各個套接字能夠相互可見，必須為相同的 Netlink 協議族創建這兩個套接字。

（3）用戶空間監聽內核通知：這種形式的 Netlink 通信通常出現在用戶空間守護進程中，這些守護進程需要針對某些內核事件采取行動。此類守護進程通常會維護一個訂閱了某個多播組的 Netlink 套接字，內核使用該多播組向感興趣的用戶空間各方通知特定事件。

由于在任何時候更換用戶空間組件時都無需內核察覺，并且具有靈活性，所以相較于直接編址，多播的使用更為可取。

2.2 消息格式

Netlink 協議通常基于消息，由 Netlink 消息頭部（struct nlmsghdr）以及附加到它上面的有效載荷組成。有效載荷可以由任意數據構成，但通常包含一個固定大小的特定于協議的頭部，其后跟著一系列屬性。

Netlink 消息頭部（struct nlmsghdr結構體）：

• 總長度(32 位)：消息的總長度，以字節為單位，包括 Netlink 消息頭部。

• 消息類型(16 位)：消息類型指定了該消息所攜帶的有效載荷的類型。Netlink 協議定義了幾種標準的消息類型。每個協議族可能會定義額外的消息類型。

• 消息標志(16 位)：消息標志可用于修改消息類型的行為。

• 序列號(32 位)：序列號是可選的，可用于引用先前的消息，例如，一條錯誤消息可以引用導致該錯誤的原始請求。

• 端口號(32 位)：端口號指定了該消息應發送到的對等端。如果未指定端口號，該消息將被發送到同一協議族中第一個匹配的內核端套接字。

2.3 消息類型

Netlink 協議區分請求、通知和回復。請求是設置了NLM_F_REQUEST標志的消息，其目的是向接收方請求執行某個操作。請求通常由用戶空間進程發送到內核。雖然并非嚴格強制要求，但每個發送的請求都應該攜帶一個遞增的序列號。

根據請求的性質，接收方可能會用另一條 Netlink 消息來回復該請求。回復的序列號必須與它所關聯的請求的序列號相匹配。

通知屬于非正規性質的消息，不需要回復，因此序列號通常設置為 0。

消息的類型主要通過消息頭部中設置的 16 位消息類型來識別。定義了以下標準消息類型：

• NLMSG_NOOP，無操作，該消息必須被丟棄。

• NLMSG_ERROR，錯誤消息或確認消息(ACK)。

• NLMSG_DONE，多部分消息序列的結束。

• NLMSG_OVERRUN，溢出通知(錯誤)。

每個 Netlink 協議都可以自由定義自己的消息類型。請注意，小于 NLMSG_MIN_TYPE（0x10）的消息類型值是保留的，不能使用。

通常的做法是使用自定義的消息類型來實現遠程過程調用(RPC)模式。假設正在實現的 Netlink 協議的目標是允許對特定網絡設備進行配置，因此希望提供對各種配置選項的讀寫訪問權限。實現這一目標的典型 “Netlink 方式” 是定義兩種消息類型：MSG_SETCFG(設置配置消息)和 MSG_GETCFG(獲取配置消息)：

#define MSG_SETCFG      0x11
#define MSG_GETCFG      0x12

發送一條MSG_GETCFG請求消息通常會觸發一條消息類型為MSG_SETCFG的回復，回復中包含當前的配置信息。用面向對象的術語來說，這可以描述為 “內核在用戶空間中設置配置的本地副本”。

可以通過發送一條 MSG_SETCFG 消息來更改配置，對該消息的回復要么是一條確認消息(ACK)，要么是一條錯誤消息。

作為可選操作，內核可以發送配置更改的通知，使用戶空間能夠監聽這些更改，而無需頻繁輪詢。通知通常會重用現有的消息類型，并且依賴于應用程序使用單獨的套接字來區分請求和通知，但你也可以指定一個單獨的消息類型。

盡管從理論上講，一條 Netlink 消息的大小最大可達 4GiB，但套接字緩沖區很可能不夠大，無法容納如此大小的消息。因此，通常的做法是將消息大小限制為一頁的大小(PAGE_SIZE)，并使用多部分機制將大塊數據分割成幾條消息。一條多部分消息(Multipart Messages)設置了標志NLM_F_MULTI，接收方需要持續接收和解析消息，直到接收到特殊的消息類型NLMSG_DONE為止。

與分片的 IP 數據包不同，多部分消息無需重新組裝，盡管如果協議希望以這種方式工作，重新組裝也是完全可行的。多部分消息常常用于發送對象列表或對象樹，每條多部分消息僅僅攜帶多個對象，從而允許獨立解析每條消息。

錯誤消息可以作為對請求的響應而發送。錯誤消息必須使用標準消息類型 NLMSG_ERROR。其有效載荷由一個錯誤代碼和原始請求的 Netlink 消息頭部組成。

錯誤消息應將序列號設置為導致該錯誤的請求的序列號。

確認消息(ACK)，發送方可以通過在請求中設置 NLM_F_ACK 標志，來請求接收方為每條已處理的請求發回一條確認消息。這通常用于讓發送方在請求被接收方處理之前同步后續的處理操作。

確認消息也使用消息類型NLMSG_ERROR和有效載荷格式，但錯誤代碼設置為 0。

消息標志，定義了以下標準標志：

#define NLM_F_REQUEST           1
#define NLM_F_MULTI             2
#define NLM_F_ACK               4
#define NLM_F_ECHO              8

• NLM_F_REQUEST - 消息是一個請求。
• NLM_F_MULTI - 多部分消息。
• NLM_F_ACK - 請求確認消息。
• NLM_F_ECHO - 請求回顯該請求。

標志 NLM_F_ECHO 與 NLM_F_ACK 標志類似。它可以與 NLM_F_REQUEST 標志結合使用，使得作為請求結果而發送的通知，無論發送方是否已訂閱相應的多播組，都會被發送給發送方。

還定義了一些僅適用于 GET 請求的額外通用消息標志：

#define NLM_F_ROOT      0x100
#define NLM_F_MATCH     0x200
#define NLM_F_ATOMIC    0x400
#define NLM_F_DUMP      (NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH)

• NLM_F_ROOT - 基于樹的根節點返回數據。
• NLM_F_MATCH - 返回所有匹配的條目。
• NLM_F_ATOMIC - 已過時，曾經用于請求一個原子操作。
• NLM_F_DUMP - 返回所有對象的列表（NLM_F_ROOT|NLM_F_MATCH）。

這些標志的使用完全是可選的，許多 Netlink 協議僅使用 NLM_F_DUMP 標志，該標志通常請求接收方以多部分消息序列的形式，發送與消息類型相關的所有對象的列表。

還有另一組與 NEW 或 SET 請求相關的標志。這些標志與 GET 請求的標志相互排斥：

#define NLM_F_REPLACE   0x100
#define NLM_F_EXCL      0x200
#define NLM_F_CREATE    0x400
#define NLM_F_APPEND    0x800

• NLM_F_REPLACE - 如果對象已存在，則替換該現有對象。
• NLM_F_EXCL - 如果對象已經存在，則不更新該對象。
• NLM_F_CREATE - 如果對象尚不存在，則創建該對象。
• NLM_F_APPEND - 在列表末尾添加對象。

這些標志的行為在不同的 Netlink 協議之間可能會略有不同。

2.4 序列號

Netlink 允許使用序列號來幫助將回復與請求相關聯。需要注意的是，與 TCP 等協議不同，Netlink 對序列號沒有嚴格的強制要求。序列號的唯一目的是幫助發送方將回復與相應的請求關聯起來。序列號是在每個套接字的基礎上進行管理的。

3. Netlink套接字

3.1 Socket實例

為了使用 Netlink 協議，需要一個 Netlink 套接字。每個套接字都定義了一個獨立的消息發送和接收上下文。一個應用程序可以使用多個套接字，例如，一個套接字用于發送請求并接收回復，另一個套接字訂閱多播組以接收通知。

Netlink 套接字以及所有相關屬性（包括實際的文件描述符）都由struct nl_sock結構體表示。

#include <netlink/socket.h>struct nl_sock *nl_socket_alloc(void)
void nl_socket_free(struct nl_sock *sk)

應用程序必須為其希望使用的每個 Netlink 套接字分配一個struct nl_sock結構體的實例。

3.2 序列號

該庫會自動為應用程序處理序列號。在套接字結構中存儲有一個序列號計數器，當需要發送預期會產生回復（如錯誤消息或任何其他需要與原始消息相關聯的消息類型）的消息時，會自動使用并遞增該計數器。

或者，也可以通過函數nl_socket_use_seq()直接使用該計數器。它將返回計數器的當前值，然后將其遞增 1。

#include <netlink/socket.h>unsigned int nl_socket_use_seq(struct nl_sock *sk);

不過，大多數應用程序并不希望自己處理序列號。當使用nl_send_auto()函數時，序列號會自動填入，并且在收到回復時會再次進行匹配。

如果所實現的 Netlink 協議不使用請求 / 回復模型，例如當套接字用于接收通知消息時，這種（自動處理序列號的）行為可以并且必須被禁用。

#include <netlink/socket.h>void nl_socket_disable_seq_check(struct nl_sock *sk);

3.3 多播組

每個套接字可以訂閱其所連接的 Netlink 協議的任意數量的多播組。然后，該套接字將接收發送到任何一個多播組的每條消息的副本。多播組通常用于實現事件通知。

在內核版本 2.6.14 之前，組訂閱是使用位掩碼來執行的，這將每個協議族的組數量限制為 32 個。即使不建議在新代碼中使用，仍然可以通過函數nl_join_groups()訪問這個過時的接口。

#include <netlink/socket.h>void nl_join_groups(struct nl_sock *sk, int bitmask);

從內核版本 2.6.14 開始引入了一種新方法，該方法支持訂閱幾乎無限數量的多播組。

#include <netlink/socket.h>int nl_socket_add_memberships(struct nl_sock *sk, int group, ...);
int nl_socket_drop_memberships(struct nl_sock *sk, int group, ...);

3.4 回調函數配置

每個套接字都被分配一個回調配置，該配置控制套接字的行為。例如，這對于每個套接字擁有一個單獨的消息接收函數是必要的。不過，在套接字之間共享回調配置也是完全可行的。

可以使用以下函數來訪問和設置套接字的回調配置：

#include <netlink/socket.h>struct nl_cb *nl_socket_get_cb(const struct nl_sock *sk);
void nl_socket_set_cb(struct nl_sock *sk, struct nl_cb *cb);

此外，還存在一種快捷方式，可以直接修改分配給套接字的回調配置：

#include <netlink/socket.h>int nl_socket_modify_cb(struct nl_sock *sk, enum nl_cb_type type, enum nl_cb_kind kind,nl_recvmsg_msg_cb_t func, void *arg);

3.5 套接字屬性

本地端口號唯一標識該套接字，并用于對其進行尋址。在分配套接字時，會自動生成一個唯一的本地端口號。它將由進程 ID(22 位)和一個隨機數(10 位)組成，因此每個進程最多允許有 1024 個套接字。

#include <netlink/socket.h>uint32_t nl_socket_get_local_port(const struct nl_sock *sk);
void nl_socket_set_local_port(struct nl_sock *sk, uint32_t port);

注意：可以覆蓋本地端口號，但你必須確保所提供的值是唯一的，并且任何其他應用程序中的其他套接字都沒有使用相同的值。

可以為套接字分配一個對等端口，這將導致通過該套接字發送的所有單播消息都被發送到該對等方。如果未指定對等方，則消息將發送到內核，內核將嘗試自動將該套接字綁定到同一 Netlink 協議族的內核端套接字。通常的做法是不將套接字綁定到對等端口，因為每個 Netlink 協議族通常只存在一個內核端套接字。

#include <netlink/socket.h>uint32_t nl_socket_get_peer_port(const struct nl_sock *sk);
void nl_socket_set_peer_port(struct nl_sock *sk, uint32_t port);

Netlink 使用 BSD 套接字接口，因此每個套接字背后都有一個文件描述符，你可以直接使用它。

#include <netlink/socket.h>int nl_socket_get_fd(const struct nl_sock *sk);

如果一個套接字僅用于接收通知，通常最好將該套接字設置為非阻塞模式，并定期輪詢以獲取新的通知。

#include <netlink/socket.h>int nl_socket_set_nonblocking(const struct nl_sock *sk);

套接字緩沖區用于在發送方和接收方之間對 Netlink 消息進行排隊。這些緩沖區的大小指定了你能夠寫入 Netlink 套接字的最大大小，也就是說，它將間接定義最大消息大小。默認大小是 32KiB。

#include <netlink/socket.h>int nl_socket_set_buffer_size(struct nl_sock *sk, int rx, int tx);

以下函數允許在套接字上啟用 / 禁用自動確認模式。自動確認模式默認是啟用的。

#include <netlink/socket.h>void nl_socket_enable_auto_ack(struct nl_sock *sk);
void nl_socket_disable_auto_ack(struct nl_sock *sk);

啟用/禁用消息窺探(Message Peeking)。如果啟用，消息窺探會使nl_recv函數嘗試使用 MSG_PEEK 來檢索接收到的下一條消息的大小，并分配一個該大小的緩沖區。消息窺探默認是啟用的，但可以使用以下函數將其禁用：

#include <netlink/socket.h>void nl_socket_enable_msg_peek(struct nl_sock *sk);
void nl_socket_disable_msg_peek(struct nl_sock *sk);

啟用 / 禁用接收數據包信息。如果啟用，從內核接收到的每條 Netlink 消息都將在控制消息中包含一個額外的struct nl_pktinfo結構體。可以使用以下函數來啟用 / 禁用接收數據包信息。

#include <netlink/socket.h>int nl_socket_recv_pktinfo(struct nl_sock *sk, int state);

注意，Netlink Pktinfo的處理功能還沒有實現。