Generic Netlink 是內核專門爲了擴展netlink協議簇而設計的“通用netlink協議簇”。由於netlink協議最多支持32個協議簇，目前Linux4.1的內核中已經使用其中21個，對於用戶需要定製特殊的協議類型略顯不夠，而且用戶還需自行在include/linux/netlink.h中添加簇定義（略顯不妥），爲此Linux設計了這種通用Netlink協議簇，用戶可在此之上定義更多類型的子協議。前兩篇博文已經較爲詳細的分析了netlink的創建和通信流程，本文以Generic Netlink爲例首先來深入分析一下netlink的消息結構及創建初始化流程。
Generic Netlink使用NETLINK_GENERIC類型協議簇，同樣基於netlink子系統。具體框架如下：
圖1 Generic Netlink模型框架
其中Ctrl控制器是一種特殊類型的Genetlink協議族，它用於用戶空間通過Genetlink簇名查找對應的ID號，後文中會詳細分析。
Generic Netlink的消息結構基於netlink消息結構並在此基礎上繼續擴展，首先來看一下netlink類型的消息結構（見include/net/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)---^
*
* Attribute Format:
* <------- nla_total_size(payload) ------->
* <---- nla_attr_size(payload) ----->
* +----------+- - -+- - - - - - - - - +- - -+-------- - -
* | Header | Pad | Payload | Pad | Header
* +----------+- - -+- - - - - - - - - +- - -+-------- - -
* <- nla_len(nla) -> ^
* nla_data(nla)----^ |
* nla_next(nla)-----------------------------'
*
*=========================================================================
其中family頭對於Genetlink來說就是Generic消息頭genlmsghdr，接下來是可選的用戶特定消息頭，最後纔是可選的有效載荷，即一個個消息屬性實例。
Genetlink消息是命令驅動式的，即每一條消息的genlmsghdr中都指明瞭當前消息的cmd消息命令，這些消息cmd命令由用戶自行定義。內核在接收到用戶的genl消息後，首先會對命令cmd做判斷，找到對應的消息處理結構（可能會執行attr有效性檢查），然後纔會去調用消息處理回調函數從消息載荷區中讀取並處理其所需要的的attr屬性載荷。
一、Generic Netlink相關結構體
1、Generic Netlink消息頭結構：struct genlmsghdr
struct genlmsghdr {
__u8 cmd;
__u8 version;
__u16 reserved;
};2、Generic Netlink Family結構：struct genl_family（內核中完成註冊）
struct genl_family {
unsigned int id;
unsigned int hdrsize;
char name[GENL_NAMSIZ];
unsigned int version;
unsigned int maxattr;
bool netnsok;
bool parallel_ops;
int (*pre_doit)(const struct genl_ops *ops,
struct sk_buff *skb,
struct genl_info *info);
void (*post_doit)(const struct genl_ops *ops,
struct sk_buff *skb,
struct genl_info *info);
int (*mcast_bind)(struct net *net, int group);
void (*mcast_unbind)(struct net *net, int group);
struct nlattr ** attrbuf; /* private */
const struct genl_ops * ops; /* private */
const struct genl_multicast_group *mcgrps; /* private */
unsigned int n_ops; /* private */
unsigned int n_mcgrps; /* private */
unsigned int mcgrp_offset; /* private */
struct list_head family_list; /* private */
struct module *module;
};Generic Netlink按照family進行管理，用戶需註冊自己定義的genl_family結構，同時內核使用一個哈希表family_ht對已經註冊的genl family進行管理。各字段的含義如下：
id：genl family的ID號，一般由內核進行分配，取值範圍爲GENL_MIN_ID~GENL_MAX_ID（16~1023），其中GENL_ID_CTRL爲控制器的family ID，不可另行分配，該familyID全局唯一併且在family_ht中的位置也由該值確定；
hdrsize：用戶私有報頭的長度，即可選的user msg header長度，若沒有則爲0；
name：genl family的名稱，必須是獨一無二且用戶層已知的（用戶通過它來向控制查找family id）；
version：版本號；
maxattr：消息屬性attr最大的類型數（即該genl family所支持的最大attr屬性類型的種類個數）；
netnsok：指示當前簇是否能夠處理網絡命名空間；
pre_doit：調用genl_ops結構中處理消息函數doit()前調用的鉤子函數，一般用於執行一些前置的當前簇通用化處理，例如對臨界區加鎖等；
post_doit：調用genl_ops結構中處理消息函數doit()後調用的鉤子函數，一般執行pre_doit函數相反的操作；
mcast_bind/mcast_unbind：在綁定/解綁定socket到一個特定的genl netlink組播組中調用（目前內核中沒有相關使用）；
attrbuf：保存拷貝的attr屬性緩存；
ops/n_ops：保存genl family命令處理結構即命令的個數，後面詳細描述；
family_list：鏈表結構，用於將當前當前簇鏈入全局family_ht散列表中；
mcgrps/n_mcgrps：保存當前簇使用的組播組及組播地址的個數；
3、Generic Netlink Family命令處理結構：struct genl_ops（內核中完成註冊）
struct genl_ops {
const struct nla_policy *policy;
int (*doit)(struct sk_buff *skb,
struct genl_info *info);
int (*dumpit)(struct sk_buff *skb,
struct netlink_callback *cb);
int (*done)(struct netlink_callback *cb);
u8 cmd;
u8 internal_flags;
u8 flags;
};
該結構用於註冊genl family的用戶命令cmd處理函數（對於只嚮應用層發送消息的簇可以不用實現和註冊該結構），各個字段的含義如下：
cmd：簇命令類型，由用戶自行根據需要定義；
internal_flags：簇私有標識，用於進行一些分支處理，可以不使用；
flags：操作標識，有以下四種類型（在genetlink.h中定義）：
#define GENL_ADMIN_PERM 0x01 /* 當設置該標識時表示本命令操作需要具有CAP_NET_ADMIN權限 */
#define GENL_CMD_CAP_DO 0x02 /* 當genl_ops結構中實現了doit()回調函數則設置該標識 */
#define GENL_CMD_CAP_DUMP 0x04 /* 當genl_ops結構中實現了dumpit()回調函數則設置該標識 */
#define GENL_CMD_CAP_HASPOL 0x08 /* 當genl_ops結構中定義了屬性有效性策略（nla_policy）則設置該標識 */doit：標準命令回調函數，在當前族中收到數據時觸發調用，函數的第一個入參skb中保存了用戶下發的消息內容；
dumpit：轉儲回調函數，當genl_ops的flag標誌被添加了NLM_F_DUMP以後會調用該回調函數，這裏的第一個入參skb中不再有用戶下發消息內容，而是要求函數能夠在傳入的skb中填入消息載荷並返回填入數據長度；
done：轉儲結束後執行的回調函數；
4、Generic Netlink Family內核接收消息結構：struct genl_info
struct genl_info {
u32 snd_seq;
u32 snd_portid;
struct nlmsghdr * nlhdr;
struct genlmsghdr * genlhdr;
void * userhdr;
struct nlattr ** attrs;
possible_net_t _net;
void * user_ptr[2];
struct sock * dst_sk;
};snd_seq：消息的發送序號（不強制使用）；
snd_portid：消息發送端socket所綁定的ID；
nlhdr：netlink消息頭；
genlhdr：generic netlink消息頭；
userhdr：用戶私有報頭；
attrs：netlink屬性，包含了消息的實際載荷；
dst_sk：目的socket；
二、Generic Netlink初始化
Generic Netlink只是中特殊類型的Netlink，它本質上還是依賴於netlink的內核機制，相關的函數在genetlink.c中，由genl_init()啓動初始化流程：
圖3 Genetic Netlink初始化流程
static int __init genl_init(void)
{
int i, err;
for (i = 0; i < GENL_FAM_TAB_SIZE; i++)
INIT_LIST_HEAD(&family_ht[i]);
err = genl_register_family_with_ops_groups(&genl_ctrl, genl_ctrl_ops,
genl_ctrl_groups);
if (err < 0)
goto problem;
err = register_pernet_subsys(&genl_pernet_ops);
if (err)
goto problem;
return 0;
problem:
panic("GENL: Cannot register controller: %d\n", err);
}static struct genl_family genl_ctrl = {
.id = GENL_ID_CTRL,
.name = "nlctrl",
.version = 0x2,
.maxattr = CTRL_ATTR_MAX,
.netnsok = true,
};enum {
CTRL_ATTR_UNSPEC,
CTRL_ATTR_FAMILY_ID,
CTRL_ATTR_FAMILY_NAME,
CTRL_ATTR_VERSION,
CTRL_ATTR_HDRSIZE,
CTRL_ATTR_MAXATTR,
CTRL_ATTR_OPS,
CTRL_ATTR_MCAST_GROUPS,
__CTRL_ATTR_MAX,
};
#define CTRL_ATTR_MAX(__CTRL_ATTR_MAX - 1)再來看一下genl_ctrl_ops的定義：
static struct genl_ops genl_ctrl_ops[] = {
{
.cmd = CTRL_CMD_GETFAMILY,
.doit = ctrl_getfamily,
.dumpit = ctrl_dumpfamily,
.policy = ctrl_policy,
},
};然後指明doit和dumpit回調函數爲ctrl_getfamily和ctrl_dumpfamily，最後指定attr有效性策略爲ctrl_policy：
static const struct nla_policy ctrl_policy[CTRL_ATTR_MAX+1] = {
[CTRL_ATTR_FAMILY_ID] = { .type = NLA_U16 },
[CTRL_ATTR_FAMILY_NAME] = { .type = NLA_NUL_STRING,
.len = GENL_NAMSIZ - 1 },
};最後來看一下注冊的組播組：
static struct genl_multicast_group genl_ctrl_groups[] = {
{ .name = "notify", },
};
這裏添加了name爲”notify“的組播組。然後進入genl_register_family_with_ops_groups內部來分析一下內核是如何註冊這個family簇的：
#define genl_register_family_with_ops_groups(family, ops, grps) \
_genl_register_family_with_ops_grps((family), \
(ops), ARRAY_SIZE(ops), \
(grps), ARRAY_SIZE(grps))static inline int
_genl_register_family_with_ops_grps(struct genl_family *family,
const struct genl_ops *ops, size_t n_ops,
const struct genl_multicast_group *mcgrps,
size_t n_mcgrps)
{
family->module = THIS_MODULE;
family->ops = ops;
family->n_ops = n_ops;
family->mcgrps = mcgrps;
family->n_mcgrps = n_mcgrps;
return __genl_register_family(family);
}int __genl_register_family(struct genl_family *family)
{
int err = -EINVAL, i;
if (family->id && family->id < GENL_MIN_ID)
goto errout;
if (family->id > GENL_MAX_ID)
goto errout; err = genl_validate_ops(family);
if (err)
return err;
genl_lock_all();
if (genl_family_find_byname(family->name)) {
err = -EEXIST;
goto errout_locked;
} if (family->id == GENL_ID_GENERATE) {
u16 newid = genl_generate_id();
if (!newid) {
err = -ENOMEM;
goto errout_locked;
}
family->id = newid;
} else if (genl_family_find_byid(family->id)) {
err = -EEXIST;
goto errout_locked;
} if (family->maxattr && !family->parallel_ops) {
family->attrbuf = kmalloc((family->maxattr+1) *
sizeof(struct nlattr *), GFP_KERNEL);
if (family->attrbuf == NULL) {
err = -ENOMEM;
goto errout_locked;
}
} else
family->attrbuf = NULL; err = genl_validate_assign_mc_groups(family);
if (err)
goto errout_locked;繼續回到中__genl_register_family()函數中：
list_add_tail(&family->family_list, genl_family_chain(family->id));
genl_unlock_all();
/* send all events */
genl_ctrl_event(CTRL_CMD_NEWFAMILY, family, NULL, 0);
for (i = 0; i < family->n_mcgrps; i++)
genl_ctrl_event(CTRL_CMD_NEWMCAST_GRP, family,
&family->mcgrps[i], family->mcgrp_offset + i);
return 0;
errout_locked:
genl_unlock_all();
errout:
return err;
}
EXPORT_SYMBOL(__genl_register_family);最後再回到genl_init()中，接下來使用了register_pernet_subsys方法爲當前系統中的網絡命名空間創建Generic Netlink套接字：
static int __net_init genl_pernet_init(struct net *net)
{
struct netlink_kernel_cfg cfg = {
.input = genl_rcv,
.flags = NL_CFG_F_NONROOT_RECV,
.bind = genl_bind,
.unbind = genl_unbind,
};
/* we'll bump the group number right afterwards */
net->genl_sock = netlink_kernel_create(net, NETLINK_GENERIC, &cfg);
if (!net->genl_sock && net_eq(net, &init_net))
panic("GENL: Cannot initialize generic netlink\n");
if (!net->genl_sock)
return -ENOMEM;
return 0;
}這裏定義了genetlink內核套接字的配置，並指定了消息處理函數爲genl_rcv()，套接字綁定和解綁定函數爲genl_bind()和genl_unbind()（這點需要注意，和NETLINK_ROUTE不同），隨後調用netlink_kernel_create()函數完成內核套接字的註冊（netlink_kernel_create函數在前篇博文中已經詳細分析過了），並將生成的套接字賦值到網絡命名空間net的genl_sock中，以後就可以通過net->genl_sock來找到genetlink內核套接字了。
本文分析了內核Generic Netlink的消息結構以及創建初始化流程，下一篇來根據一個具體的示例domo程序跟蹤分析Generic netlink消息在內核中的通信及處理流程。
參考文獻：1、《Linux Kernel Networking Implementation and Theory》；2、《Generic Netlink詳解》