當(dāng)前位置：首頁(yè) > 运维知识 > linux >内容正文

linux

Linux内核态之间进程通信,内核态和用户态通信(二)--实现

發(fā)布時(shí)間：2023/12/10 linux 34 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Linux内核态之间进程通信,内核态和用户态通信(二)--实现小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

本文主要使用netlink套接字實(shí)現(xiàn)中斷環(huán)境與用戶態(tài)進(jìn)程通信。

系統(tǒng)環(huán)境：基于linux 2.6.32.27 和 linux 3.16.36

Linux內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)進(jìn)程通信方法的提出和實(shí)現(xiàn)

用戶上下文環(huán)境

運(yùn)行在用戶上下文環(huán)境中的代碼是可以阻塞的，這樣，便可以使用消息隊(duì)列和Unix域套接字來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的通信。但這些的數(shù)據(jù)傳輸效率較低，linux內(nèi)核提供copy_from_user() 和 copy_to_user() 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)數(shù)據(jù)的拷貝，但這兩個(gè)函數(shù)會(huì)引發(fā)阻塞，所以不能用在硬、軟中斷中。一般將這兩個(gè)特殊拷貝函數(shù)用在類似系統(tǒng)調(diào)用一類的函數(shù)中，如圖，

其中相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用是需要用戶自行編寫并載入內(nèi)核。

硬、軟中斷環(huán)境

硬中斷和軟中斷環(huán)境與用戶態(tài)進(jìn)程無(wú)絲毫關(guān)系，而且運(yùn)行過(guò)程不能阻塞。

軟中斷、硬中斷有一套同步機(jī)制 — 自旋鎖(spinlock)，可以通過(guò)自旋鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷環(huán)境和中斷環(huán)境，中斷環(huán)境與內(nèi)核線程的同步，而內(nèi)核線程是運(yùn)行在有進(jìn)程上下文環(huán)境中的，這樣便可以在內(nèi)核線程中使用套接字或消息隊(duì)列來(lái)取得用戶空間的數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)通過(guò)臨界區(qū)傳遞給中斷過(guò)程，如圖

因?yàn)橹袛噙^(guò)程不可能無(wú)休止地等待用戶態(tài)進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，所以要通過(guò)一個(gè)內(nèi)核線程來(lái)接收用戶空間的數(shù)據(jù)，再通過(guò)臨界區(qū)傳給中斷過(guò)程。中斷過(guò)程向用戶空間的數(shù)據(jù)發(fā)送必須是無(wú)阻塞的。這樣的通信模型并不令人滿意，因?yàn)閮?nèi)核線程是和其他用戶態(tài)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)cpu接收數(shù)據(jù)的，效率很低，這樣中斷過(guò)程便不能實(shí)時(shí)地接收來(lái)自用戶空間的數(shù)據(jù)。

netlink套接字的通信依據(jù)是一個(gè)對(duì)應(yīng)于進(jìn)程的標(biāo)識(shí)，一般定義為該進(jìn)程的ID。當(dāng)通信的一端處于中斷過(guò)程時(shí)，該標(biāo)識(shí)為0。當(dāng)使用 netlink 套接字進(jìn)行通信，通信的雙方都是用戶態(tài)進(jìn)程，則使用方法類似于消息隊(duì)列。但通信雙方有一端是中斷過(guò)程，使用方法則不同。netlink 套接字的最大特點(diǎn)是對(duì)中斷過(guò)程的支持，它在內(nèi)核空間接收用戶空間數(shù)據(jù)時(shí)不再需要用戶自行啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)核線程，而是通過(guò)另一個(gè)軟中斷調(diào)用用戶事先指定的接收函數(shù)。工作原理如圖

很明顯，這里使用了軟中斷而不是內(nèi)核線程來(lái)接收數(shù)據(jù)，這樣就可以保證數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性。

當(dāng) netlink 套接字用于內(nèi)核空間與用戶空間的通信時(shí)，在用戶空間的創(chuàng)建方法和一般套接字使用類似，但內(nèi)核空間的創(chuàng)建方法則不同。如圖

/**

*imp2.h

#ifndef __IMP2_H__

#define __IMP2_H__

#define IMP2_OPS_BASIC 128

#define IMP2_SET IMP2_OPS_BASIC

#define IMP2_GET IMP2_OPS_BASIC

#define IMP2_MAX (IMP2_OPS_BASIC + 1)

#define IMP2_U_PID 0

#define IMP2_K_MSG 1

#define IMP2_CLOSE 2

#define NL_IMP2 31

struct packet_info

{

__u32 src;

__u32 dest;

};

#endif

/**

*imp2_u.c

#include

#include "imp2.h"

struct msg_to_kernel

{

struct nlmsghdr hdr;

};

struct u_packet_info

{

struct nlmsghdr hdr;

struct packet_info icmp_info;

};

static int skfd;

static void sig_int(int signo)

{

struct sockaddr_nl kpeer;

struct msg_to_kernel message;

memset(&kpeer,0,sizeof(kpeer));

kpeer.nl_family = AF_NETLINK;

kpeer.nl_pid = 0;

kpeer.nl_groups = 0;

memset(&message,0,sizeof(message));

message.hdr.nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(0);

message.hdr.nlmsg_flags = 0;

message.hdr.nlmsg_type = IMP2_CLOSE;

message.hdr.nlmsg_pid = getpid();

sendto(skfd,&message,message.hdr.nlmsg_len,0,(struct sockaddr *)(&kpeer),sizeof(kpeer));

close(skfd);

exit(0);

}

int main(void)

{

/* 本地的 */

struct sockaddr_nl local;

/* 連線kernel的 */

struct sockaddr_nl kpeer;

int kpeerlen;

struct msg_to_kernel message;

struct u_packet_info info;

int sendlen = 0;

int rcvlen = 0;

struct in_addr addr;

skfd = socket(AF_NETLINK,SOCK_RAW,NL_IMP2);

if(skfd < 0) {

printf("cannot create a netlink socket\n");

exit(0);

}

memset(&local,0,sizeof(local));

local.nl_family = AF_NETLINK;

local.nl_pid = getpid();

local.nl_groups = 0;

if(bind(skfd,(struct sockaddr *)&local,sizeof(local)) != 0) {

printf("bind() error\n");

return -1;

}

signal(SIGINT,sig_int);

memset(&kpeer,0,sizeof(kpeer));

kpeer.nl_family = AF_NETLINK;

kpeer.nl_pid = 0;

kpeer.nl_groups = 0;

memset(&message,0,sizeof(message));

message.hdr.nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(0);

message.hdr.nlmsg_flags = 0;

message.hdr.nlmsg_type = IMP2_U_PID;

message.hdr.nlmsg_pid = local.nl_pid;

sendto(skfd,&message,message.hdr.nlmsg_len,0,(struct sockaddr *)&kpeer,sizeof(kpeer));

while(1) {

kpeerlen = sizeof(struct sockaddr_nl);

rcvlen = recvfrom(skfd,&info,sizeof(struct u_packet_info),0,(struct sockaddr *)&kpeer,&kpeerlen);

addr.s_addr = info.icmp_info.src;

printf("src:%s,",inet_ntoa(addr));

addr.s_addr = info.icmp_info.dest;

printf("dest:%s\n",inet_ntoa(addr));

}

return 0;

}

/**

* imp2_k.c //兼容linux 2.6.32 和 linux 3.16.36

#ifndef __KERNEL__

#define __KERNEL__

#endif

#ifndef MODULE

#define MODULE

#endif

#include

#include "imp2.h"

#define NF_IP_PRE_ROUTING 0

/* 實(shí)現(xiàn)從netfilter的NF_IP_PRE_ROUTING點(diǎn)截獲的ICMP數(shù)據(jù)包，

再將數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息傳遞到一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程 */

static struct sock *nlfd;

//是競(jìng)爭(zhēng)的資源

struct {

__u32 pid;

rwlock_t lock;

}user_proc;

//相當(dāng)于np_log

static int send_to_user(struct packet_info *info)

{

int ret = 0;

int size = 0;

unsigned char *old_tail = NULL;

struct sk_buff *skb = NULL;

struct nlmsghdr *nlh = NULL;

struct packet_info *packet = NULL;

printk("%s,begin ....\n",__FUNCTION__);

size = NLMSG_SPACE(sizeof(*info));

//分配一塊skb(數(shù)據(jù)緩存區(qū)和skb描述符),大小,GFP自動(dòng)分配

skb = alloc_skb(size,GFP_ATOMIC);

old_tail = skb->tail;

nlh = nlmsg_put(skb,0,0,IMP2_K_MSG,(size-sizeof(*nlh)),0);

packet = NLMSG_DATA(nlh);

memset(packet , 0 ,sizeof(struct packet_info));

packet->src = info->src;

packet->dest = info->dest;

nlh->nlmsg_len = skb->tail - old_tail;

NETLINK_CB(skb).dst_group = 0;

read_lock_bh(&user_proc.lock);

ret = netlink_unicast(nlfd,skb,user_proc.pid,MSG_DONTWAIT);

read_unlock_bh(&user_proc.lock);

printk("%s,end....\n",__FUNCTION__);

return ret;

nlmsg_failure:

if(skb) {

kfree_skb(skb);

}

return -1;

}

static unsigned int get_icmp(unsigned int hooknum,struct sk_buff *skb,

const struct net_device *in,const struct net_device *out,

int(*okfn)(struct sk_buff *))

{

//struct iphdr *iph = (*pskb)->nh.iph;

struct iphdr *iph = ip_hdr(skb); //2.6.24開(kāi)始使用，因?yàn)閟truct sk_buff

struct packet_info info;

if(iph->protocol == IPPROTO_ICMP) {

read_lock_bh(&user_proc.lock);

if(user_proc.pid != 0) {

info.src = iph->saddr;

info.dest= iph->daddr;

//printk("%s,src = %u.%u,%u.%u,dst = %u,%u,%u,%u\n",__FUNCTION__,NIPQUAD(info.src), NIPQUAD(info.dest));

read_unlock_bh(&user_proc.lock);

send_to_user(&info);

} else {

//printk("%s, no user process runing....\n",__FUNCTION__);

read_unlock_bh(&user_proc.lock);

}

return NF_ACCEPT;

}

static struct nf_hook_ops imp2_ops =

{

.hook = get_icmp,

.pf = PF_INET,

.hooknum = NF_IP_PRE_ROUTING,

.priority = NF_IP_PRI_FILTER - 1,

.owner = THIS_MODULE,

};

static void kernel_receive(struct sk_buff *skb)

{

struct nlmsghdr *nlh = NULL;

int len = 0;

nlh = nlmsg_hdr(skb);

len = skb->len;

while(NLMSG_OK(nlh,len)) {

write_lock_bh(&user_proc.lock);

if(nlh->nlmsg_type == IMP2_U_PID) {

user_proc.pid = nlh->nlmsg_pid;

}

else if(nlh->nlmsg_type == IMP2_CLOSE && nlh->nlmsg_pid == user_proc.pid) {

user_proc.pid = 0;

}

write_unlock_bh(&user_proc.lock);

netlink_ack(skb,nlh,0);

nlh = NLMSG_NEXT(nlh,len);

}

#if LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(3,10,0)

struct netlink_kernel_cfg cfg =

{

.input = kernel_receive,

};

#endif

static int __init init(void)

{

rwlock_init(&user_proc.lock);

//這里的版本問(wèn)題需要解決

/*在內(nèi)核創(chuàng)建一個(gè)netlink socket ,

協(xié)議 NL_IMP2是自定義的,并指示由 kernel_receive接收數(shù)據(jù)*/

{

#if LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(3,10,0)

nlfd = netlink_kernel_create(&init_net,NL_IMP2,&cfg);

#elif LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(2,6,26)

nlfd = netlink_kernel_create(&init_net ,NL_IMP2 , 0, kernel_receive, NULL, THIS_MODULE);

#else

nlfd = NULL;

#endif

}

if(!nlfd) {

printk("cannot create a netlink socket\n");

return -1;

}

return nf_register_hook(&imp2_ops);

}

static void __exit fini(void)

{

if(nlfd) {

netlink_kernel_release(nlfd);

}

nf_unregister_hook(&imp2_ops);

}

module_init(init);

module_exit(fini);

MODULE_LICENSE("GPL");

#Makefile

MODULE_NAME := imp2_k

obj-m := $(MODULE_NAME).o

KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build

PWD := $(shell pwd)

all:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD)

clean:

rm -fr *.ko

rm -fr *.o

rm -fr *.cmd sender $(MODULE_NAME).mod.c

.PHONY:clean aLL

netlink具體結(jié)構(gòu)分析，可參考其他博文

http://blog.csdn.net/luckyapple1028/article/details/50839395

http://blog.csdn.net/luckyapple1028/article/details/50936563

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux内核态之间进程通信,内核态和用户态通信(二)--实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。

上一篇： Altium Designer(3)-绘
下一篇： p5js可以在linux上运行吗,在li