深入理解Linux网络技术内幕——用户空间与内核空间交互

梦里梦外; 2022-08-06 14:09 232阅读 0赞

# 概述： #

内核空间与用户空间经常需要进行交互。举个例子：当用户空间使用一些配置命令如ifconfig或route时，内核处理程序就要响应这些处理请求。

用户空间与内核有多种交互方式，最常用的有以下四种：通过/proc虚拟文件系统，通过/sys虚拟文件系统，通过ioctl系统调用，通过Netlink socket。 其中编写程序时最常使用ioctl，这四种方式中有两种是通过虚拟文件系统。

#  procfs 与 sysctl #

procfs挂载/proc  sysctl挂载在 /proc/sys（与后面介绍的/sys不同）。（注意，《Understanding Linux Network Internal》一书中使用的Linux内核已经比较陈旧，procfs与sysfs等内核交互机制已经有较大变化，本文虽然给出了一些新内核的代码，但主要功能介绍仍是来源于 《Understanding Linux Network Internal》关于旧内核的说明。）

## procfs     ##

procfs是一个虚拟文件系统，挂载在/proc目录下，编译内核时，可以通过配置内核选项make menuconfig->Filesystems  Pseudo filesystems  /proc file system support 来启用/关闭它。它不能以模块形式加载。 procfs是一个虚拟文件系统，在磁盘上并没有真实存在。但是我们却可以对它进行读、写、重定向甚至改变访问权限（procfs大部分是只读的内容，可写数据主要是存在于/proc/sys中，具体看sysctl介绍）。

网络功能模块在注册初始化的时候，会在procfs下注册一些文件（网络相关的注册在/proc/net)，用来进行内核与用户空间的数据交互。

/proc下的目录通过proc\_mkdir创建，/proc/net下的文件通过 proc\_net\_fops\_create 和  proc\_net\_remove进行创建和删除。这两个函数被封装成 create\_proc\_entry和 remove\_proc\_entry。（书中是使用的似乎是Linux2.x版本的Linux内核，在新版本<我用的Linux3.12.32>已经找不到这几个函数了）。书中还给出了arp的例子，新内核中也做了改动，下面给出新内核的Linux在/proc创建arp文件的实现：

static const struct file_operations arp_seq_fops = {                            
        .owner      = THIS_MODULE,
        .open           = arp_seq_open,
        .read           = seq_read,
        .llseek         = seq_lseek,
        .release    = seq_release_net,
    };

static int __net_init arp_net_init(struct net *net)
    {
        if (!proc_create("arp", S_IRUGO, net->proc_net, &arp_seq_fops))
            return -ENOMEM;
        return 0;
    }

static inline struct proc_dir_entry *proc_create(const char *name, umode_t mode, struct proc_dir_entry *parent, const struct file_operations *proc_fops)
    {
        return proc_create_data(name, mode, parent, proc_fops, NULL);
    }

proc\_create三个参数表示要创建的文件名为arp，权限为 S\_IRUGO（只读），父目录接口为net，文件操作句柄集合为 arp\_seq\_fops。 arp\_seq\_fop  在初始化是会做另一个初始化 arp\_seq\_open 其定义了一个结构体 arp\_seq\_ops，该结构体使得当用户请求数据时，能只返回一条路径，就把多个例程的数据返回给用户。

static int arp_seq_open(struct inode *inode, struct file *file)
    {
        return seq_open_net(inode, file, &arp_seq_ops, sizeof(struct neigh_seq_state));
    }

static const struct seq_operations arp_seq_ops = {
        .start  = arp_seq_start,
        .next   = neigh_seq_next,
        .stop   = neigh_seq_stop,
        .show   = arp_seq_show,
    };

##  sysctl:/proc/sys目录 ##

/proc/sys包含一些内核变量。这些变量可读、可写。对于这里面任何一个变量，内核可以决定在/proc/sys的那个目录下存放变量、变量名字、变量权限。

存放在/proc/sys中的文件和目录都由 ctl\_table结构体进行创建。ctl\_table实例通过register\_sysctl\_table和unregister\_sysctl\_table进行注册和删除。

struct ctl_table 
    {
        const char *procname;       /* Text ID for /proc/sys, or zero */
        void *data;
        int maxlen;
        umode_t mode;
        struct ctl_table *child;    /* Deprecated */
        proc_handler *proc_handler; /* Callback for text formatting */
        struct ctl_table_poll *poll;
        void *extra1;
        void *extra2;
    };

# sysfs #

由于/proc目录和/proc/sys目录的滥用，出现了用于替代其文件功能的sysfs。

具体另作介绍。

# ioctl #

ioctl一般通过socket与内核进行通信。以ifconfig eth0 mtu 1250 为例

struct ifreq data;
    fd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    < ... initialize "data" ...>
    err = ioctl(fd, SIOCSIFMTU, &data);

ifconfig先在本地初始化要传入内核的数据，然后通过ioctl与内核进行交互。

网络中ioctl普遍使用sock\_ioctl来搜索正确的内核 处理程序处理传入内核的数据。

与ioctl有关的例子见我的另一篇博文 [http://blog.csdn.net/windeal3203/article/details/39320605][http_blog.csdn.net_windeal3203_article_details_39320605]

#    Netlink #

Netlink使用标准socket与内核进行通信

int socket(int domain, int type, int protocol)

其中Netlink使用新的协议族PF\_NETLINK（domain），并且type只能为SOCK\_DGRAM。使用多种protocol，每个protocol代表一种或多种TCP/IP协议栈的组件。比如NETLINK\_ROUTE表示网络协议栈的路由功能和邻居发现协议功能。NETLINK\_FIREWALL用于firewall (Netfilter)。

#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     */
    .....

Netlink相对于其他（ioctl等）用户空间与内核交互方式的优点在于，使用Netlink，内核可以主动传输内核数据给用户，而不仅仅是作为用户请求的一种应答。

[http_blog.csdn.net_windeal3203_article_details_39320605]: http://blog.csdn.net/windeal3203/article/details/39320605