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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