深入理解Linux网络技术内幕——用户空间与内核空间交互

浏览数：20 / 时间：2015年06月20日

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

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。

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