三、无线信息传递——Generic Netlink（一、初始化）

系列说明

  上一篇说明了无线信息的user space至kernel space的大致传递流程，这一主要针对以下3点进行一个顺序的描述：

1、无线驱动信息传递框架：说明无线信息传递的步骤流程以及各程序块之间的联系；

2、generic Netlink信号传递机制：hostapd与无线驱动之间的信息传递机制；

3、以ssid为例说明用户将user space中的ssid配置内容传递至kernel space的流程：以此系统地了解整个无线信息传递流程。

  上篇中，多次提到了genetlink，他的全名为generic netlink。而generic netlink在user space和kernel space之间起到了关键性的作用。由于内容较多，这一篇就对generic netlink进行第一阶段的分析。下一篇再通过一个具体的代码例子系统地说明generic netlink是怎么让user space和kernel space双向通信的。

  关于generic netlink的两篇说明均参考下面的两篇链接，这里由链接的文章作出自己的总结：

Generic Netlink内核实现分析（一）：初始化

Generic Netlink内核实现分析（二）：通信

一、generic netlink

为什么会出现generic netlink？

  因为netlink最多只支持32个协议簇，所以generic netlink的出现是为扩展netlink协议簇而设计，即是netlink协议簇的子集。

  博文中是这样说明的：Generic Netlink 是内核专门为了扩展netlink协议簇而设计的“通用netlink协议簇”。由于netlink协议最多支持32个协议簇，目前Linux4.1的内核中已经使用其中21个，对于用户需要定制特殊的协议类型略显不够，而且用户还需自行在include/linux/netlink.h中添加簇定义（略显不妥），为此Linux设计了这种通用Netlink协议簇，用户可在此之上定义更多类型的子协议。

generic netlink在程序中的代码实现框架：



  从上图中可以看出Generic Netlink也还是需要借助Netlink来完成用户环境和内核环境的信息传递。用户层发信息先至Netlink，然后再转给Generic netlink分支，再至内核；同样的内核发信息先发给Generic netlink分支，然后再通过netlink传给用户层。

  框图中Ctrl控制器是一种特殊类型的Genetlink协议族，它用于用户空间通过Genetlink簇名查找对应的ID号。

  以下为netlink类型的消息结构：







  具象化地来说，上面的三幅图内容如下图说明所示：

二、generic netlink主要结构体

/*
* 为上图中的family header
*/
struct genlmsghdr {
__u8    cmd;                     //表示消息命令，对于用户自己定义的每个子协议类型都需要定义特定的消息命令集，这里该字段表示当前消息的消息命令
__u8    version;                 //version字段表示版本控制（可以在在不破坏向后兼容性的情况下修改消息的格式），可以不使用该字段
__u16   reserved;                //保留字段
};

/*
* Generic Netlink按照family进行管理，用户需注册自己定义的genl_family结构，同时内核使用一个哈希表family_ht对已经注册的genl family进行管理
*/
struct genl_family {
struct list_head list;      //链表结构，用于将当前当前簇链入全局family_ht散列表中
unsigned int id;        //genl family的ID号，一般由内核进行分配，取值范围为GENL_MIN_ID~GENL_MAX_ID（16~1023），其中GENL_ID_CTRL为控制器的family ID，不可另行分配，该familyID全局唯一并且在family_ht中的位置也由该值确定
unsigned int hdrsize;       //用户私有报头的长度，即上图中可选的user msg header长度，若没有则为0
unsigned int version;       //版本号
unsigned int maxattr;       //消息属性attr最大的类型数（即该genl family所支持的最大attr属性类型的种类个数）
const char *name;       //genl family的名称，必须是独一无二且用户层已知的（用户通过它来向控制查找family id）
bool netnsok;           //指示当前簇是否能够处理网络命名空间
struct nlattr **attrbuf;    //保存拷贝的attr属性缓存
int (*pre_doit)(struct genl_ops *ops, struct sk_buff *skb, struct genl_info *info); //调用genl_ops结构中处理消息函数doit()前调用的钩子函数，一般用于执行一些前置的当前簇通用化处理，例如对临界区加锁等
void (*post_doit)(struct genl_ops *ops, struct sk_buff *skb, struct genl_info *info);   //调用genl_ops结构中处理消息函数doit()后调用的钩子函数，一般执行pre_doit函数相反的操作
void  (*mcast_unbind)(struct net *net, int group);  //在解绑定socket到一个特定的genl netlink组播组中调用（目前内核中没有相关使用）
int (*mcast_bind)(struct net *net, int group);      //在绑定socket到一个特定的genl netlink组播组中调用（目前内核中没有相关使用）
const struct genl_multicast_group *mcgrps;      //保存当前簇使用的组播组及组播地址的个数
unsigned int n_mcgrps;
const struct genl_ops * ops;                //保存genl family命令处理结构即命令的个数，后面详细描述
unsigned int n_ops;

};

/*
* 该结构用于注册genl family的用户命令cmd处理函数（对于只向应用层发送消息的簇可以不用实现和注册该结构）
*/
struct genl_ops {
u8 cmd; //簇命令类型，由用户自行根据需要定义
u8 internal_flags; //簇私有标识，用于进行一些分支处理，可以不使用
unsigned int flags; //操作标识,有下面四中类型
const struct nla_policy *policy; //属性attr有效性策略，若该字段不为空，在genl执行消息处理函数前会对消息中的attr属性进行校验，否则则不做校验
int (*doit)(struct sk_buff *skb, struct genl_info *info); //标准命令回调函数，在当前族中收到数据时触发调用，函数的第一个入参skb中保存了用户下发的消息内容
int (*dumpit)(struct sk_buff *skb, struct netlink_callback *cb); //转储回调函数，当genl_ops的flag标志被添加了NLM_F_DUMP以后会调用该回调函数，这里的第一个入参skb中不再有用户下发消息内容，而是要求函数能够在传入的skb中填入消息载荷并返回填入数据长度
int (*done)(struct netlink_callback *cb); //转储结束后执行的回调函数
};

#define GENL_ADMIN_PERM     0x01    /* 当设置该标识时表示本命令操作需要具有CAP_NET_ADMIN权限 */
#define GENL_CMD_CAP_DO     0x02    /* 当genl_ops结构中实现了doit()回调函数则设置该标识 */
#define GENL_CMD_CAP_DUMP   0x04    /* 当genl_ops结构中实现了dumpit()回调函数则设置该标识 */
#define GENL_CMD_CAP_HASPOL 0x08    /* 当genl_ops结构中定义了属性有效性策略（nla_policy）则设置该标识 */

/*
* 内核在接收到用户的genetlink消息后，会对消息解析并封装成genl_info结构，便于命令回调函数进行处理
*/
struct genl_info {
struct sock* dst_sk; //目的socket
u32 snd_seq; //消息的发送序号（不强制使用）
u32 snd_pid; //消息发送端socket所绑定的ID
struct genlmsghdr *genlhdr; //generic netlink消息头
struct nlattr **attrs; //netlink属性，包含了消息的实际载荷
void *user_ptr[2]; //用户私有报头
struct nlmsghdr* nlhdr; //netlink消息头
};

那么这几个结构体有什么联系呢？

  回到原来netlink解析的图。



  从接收到user space的消息顺序来看：

  genlmsghdr（第一个结构体）在第二层中的family header中使用，用于获取接收到的消息的cmd命令；

  然后是genl_info（第四个结构体），该结构体中的attrs包含了消息的实际载荷，以此可以获取到用户传下来的id，程序中从全局family_ht[]（这里的family_ht链表在程序运行时通过调用genl_register_family接口向该链表添加family协议簇）表示的哈希表中找到相同对应id的genl_family(第二个结构体)。

  genl_family一般是控制器协议簇，结构体中有两个重要内容。一个为name，user space以此向内核获取family id来建立与内核通信的连接，所以user space想要与内核通信时，这里的name与user space的name必须一致，同时name也需要确保他的一致性。另外一个为ops列表，其中包含genl_ops（第三个结构体）。

  genl_ops结构体用于调用上层用户发下来的命令的对应的回调处理函数。

三、Generic netlink 初始化

  在了解了generic netlink的主要几个结构体之后，接下来继续对genetlink初始化的了解会方便很多。下面我们以一个程序流程图和generic netlink的基本几段程序来进行初始化说明。

static int __init genl_init(void)
{
int i, err;
for (i = 0; i < GENL_FAM_TAB_SIZE; i++)
INIT_LIST_HEAD(&family_ht[i]);              //初始化用于保存和维护Generic netlink family的散列表family_ht数组，其中family_ht为一个全局变量
err = genl_register_family_with_ops_groups(&genl_ctrl, genl_ctrl_ops, genl_ctrl_groups);    //向内核Generic netlink子系统注册控制器簇类型的Genetlink Family（genl_ctrl_groups, genl_ctrl和genl_ctrl_ops, genl_register_family_with_ops_groups如下面代码所示）
if (err < 0)
goto problem;
err = register_pernet_subsys(&genl_pernet_ops);         //为当前系统中的网络命名空间创建Generic Netlink套接字（在下面代码中说明）
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, //GENL_ID_CTRL(16)，分配区间的最小值
.name = "nlctrl",
.version = 0x2,
.maxattr = CTRL_ATTR_MAX, //maxattr定义为支持的attr属性最大个数CTRL_ATTR_MAX（表示该genl family所支持的最大attr属性类型的种类个数），如下枚举所示
.netnsok = true, //为true表示支持net命名空间
};

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)

static struct genl_ops genl_ctrl_ops[] = {
{
.cmd  = CTRL_CMD_GETFAMILY, //用于应用空间从内核中获取指定family名称的ID号的命令（因为该ID号在内核注册family时由内核进行分配，应用空间一般只知道需要通信的family name，但是要发起通信就必须知道该ID号，所以内核设计了控制器类型的family并定义了CTRL_CMD_GETFAMILY命令的处理接口用于应用程序查找ID号）
.doit  = ctrl_getfamily, //回调执行函数
.dumpit  = ctrl_dumpfamily,
.policy  = ctrl_policy, //有效性策略为ctrl_policy（如下代码所示）
},
};

//attr有效性策略为ctrl_policy,这里获取应用的值笔者理解为attr[CTRL_ATTR_FAMILY_ID]获取到cmd的id（u16类型）,attr[CTRL_ATTR_FAMILY_NAME]获取到的为cmd的msg（string类型）
static const struct nla_policy ctrl_policy[CTRL_ATTR_MAX+1] = {
[CTRL_ATTR_FAMILY_ID] = { .type = NLA_U16 }, //属性限定类型为16位无符号数
[CTRL_ATTR_FAMILY_NAME] = { .type = NLA_NUL_STRING, //属性限定为空结尾的字符串类型并限定了长度
.len = GENL_NAMSIZ - 1 },
};

//注册的组播组
static struct genl_multicast_group genl_ctrl_groups[] = {
{
.name = "notify",   //添加了name为”notify“的组播组
},
};

#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;             //genl_family中赋值genl_ops类型的genl_ctrl_ops指针
family->n_ops = n_ops;
family->mcgrps = mcgrps;           //genl_family赋值genl_multicast_group类型的genl_ctrl_groups指针
family->n_mcgrps = n_mcgrps;
return __genl_register_family(family);     //继续注册
}

int __genl_register_family(struct genl_family *family)
{
int err = -EINVAL, i;
if (family->id && family->id < GENL_MIN_ID) //对入参的ID号进行判断，一般来说，为了保证ID号的全局唯一性，程序中一般都设置为GENL_ID_GENERATE，由内核统一分配（当然这里注册控制器family除外了）
goto errout;
if (family->id > GENL_MAX_ID)
goto errout;

err = genl_validate_ops(family);        //对ops函数集做校验
//校验内容为：
//  1、每一个注册的genl_ops结构，其中doit和dumpit回调函数必须至少实现一个
//  2、针对的cmd命令不可以出现重复
if (err)
return err;
genl_lock_all();                //上锁开始启动链表操作
if (genl_family_find_byname(family->name)) {    //前面已经说明family中的name需要确保其唯一性，所以这里进行判断是否有name重复，有则不符合，不进行注册
err = -EEXIST;
goto errout_locked;
}

if (family->id == GENL_ID_GENERATE) {       //判断传入的ID号是否为GENL_ID_GENERATE，若是则由内核分配一个空闲的ID号
u16 newid = genl_generate_id();
if (!newid) {
err = -ENOMEM;
goto errout_locked;
}
family->id = newid;
} else if (genl_family_find_byid(family->id)) { //不是内核分配时，判断是否已经存在该id号，有则不注册
err = -EEXIST;
goto errout_locked;
}

if (family->maxattr && !family->parallel_ops) { //根据注册的最大attr参数maxattr（注意仅仅是保存属性的地址而非内容）
family->attrbuf = kmalloc((family->maxattr+1) * sizeof(struct nlattr *), GFP_KERNEL);   //分配内核空间（GFP_KERNEL）
if (family->attrbuf == NULL) {
err = -ENOMEM;
goto errout_locked;
}
} else
family->attrbuf = NULL;

err = genl_validate_assign_mc_groups(family);   //调用genl_validate_assign_mc_groups()函数判断新增组播地址空间
/*
* 这里的genl_validate_assign_mc_groups接口一共做3件事：
* 1、判断注册family的group组播名的有效性
* 2、为该family分配组播地址比特位并将bit偏移保存到family->mcgrp_offset变量中（由于generic netlink中不同类型的family簇共用NETLINK_GENERIC协议类型的group组播地址空间，因此内核特别维护了几个全局变量mc_groups_longs、mc_groups和mc_group_start用以维护组播地址的比特位，另外对于几种特殊的family是已经分配了的。无需再行分配，例如这里的crtl控制器）
* 3、更新全局nl_table对应的NETLINK_GENERIC协议类型netlink的groups标识
*/
if (err)
goto errout_locked;

list_add_tail(&family->family_list, genl_family_chain(family->id)); //将family注册到链表中
genl_unlock_all();
/* send all events */
genl_ctrl_event(CTRL_CMD_NEWFAMILY, family, NULL, 0);           //调用genl_ctrl_event()函数向内核的控制器family发送CTRL_CMD_NEWFAMILY和CTRL_CMD_NEWMCAST_GRP命令消息
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);

static int __net_init genl_pernet_init(struct net *net)
{
//定义了genetlink内核套接字的配置
struct netlink_kernel_cfg cfg = {
.input  = genl_rcv, //消息处理函数
.flags  = NL_CFG_F_NONROOT_RECV,
.bind  = genl_bind, //套接字绑定函数
.unbind  = genl_unbind, //套接字解绑定函数
};
/* we'll bump the group number right afterwards */
net->genl_sock = netlink_kernel_create(net, NETLINK_GENERIC, &cfg); //内核套接字的注册，并将生成的套接字赋值到网络命名空间net的genl_sock中，以后就可以通过net->genl_sock来找到genetlink内核套接字了（这里netlink的说明可以参考文章末尾链接）
if (!net->genl_sock && net_eq(net, &init_net))
panic("GENL: Cannot initialize generic netlink\n");
if (!net->genl_sock)
return -ENOMEM;
return 0;
}

netlink说明参考博文：

http://blog.csdn.net/luckyapple1028/article/details/50839395（创建）

http://blog.csdn.net/luckyapple1028/article/details/50936563（通信）