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2.3 Netlink 消息头

上一节我们看完了内核是怎么把消息扔进发送队列的——函数调用链一路从 rtnetlink 走到通用的 netlink 模块。

但这就像是你知道邮局怎么分拣信件，却还没看过信封上写了什么。Netlink 通信的本质是数据包，而数据包不是随便写的，它得遵守 RFC 3549（"Linux Netlink as an IP Services Protocol"）里定下的规矩。

这一节，我们不再围着函数调用转，而是把数据包拆开，盯着里面的字节看。

头部结构​

每个 Netlink 数据包的必经之路，是先经过一个固定的 16 字节头部。这个头部在内核里的定义是 struct nlmsghdr，就在 include/uapi/linux/netlink.h 里：

struct nlmsghdr
{
    __u32 nlmsg_len;   /* 消息总长度（包含头部） */
    __u16 nlmsg_type;  /* 消息类型 */
    __u16 nlmsg_flags; /* 标志位 */
    __u32 nlmsg_seq;   /* 序列号 */
    __u32 nlmsg_pid;   /* 端口 ID (Port ID) */
};

这就是 Netlink 的“身份证”。我们可以把这 16 个字节分成五个字段来看：

  1. nlmsg_len：这不仅指数据长度，而是整个消息的长度，包括头本身。解析器拿到这个数，就知道读多少个字节后该停下来处理下一条。

  2. nlmsg_type：这决定了这个包是干嘛的。它有一些通用的控制类型（小于 NLMSG_MIN_TYPE，即 0x10）：

    • NLMSG_NOOP：空操作，收到直接忽略。
    • NLMSG_ERROR：表示出错了。如果消息发送方要求了应答（NLM_F_ACK），出错时内核就会回这么一个包。
    • NLMSG_DONE：用于多部分消息的分段标记。收到这个，说明大消息传输结束了。
    • NLMSG_OVERRUN：缓冲区溢出，数据丢了——这是个严重的错误信号。

    但更有意思的是，每个具体的 Netlink 协议族（比如我们上一节提到的 rtnetlink）都会在这个字段里定义自己的“方言”。例如，NETLINK_ROUTE 定义了 RTM_NEWLINK（新建网卡）、RTM_DELLINK（删除网卡）、RTM_NEWROUTE（新建路由）等一大堆类型。内核就是靠这个字段，把消息分发到对应的处理函数去的。

  3. nlmsg_flags：这是消息的“行为指令”。最常用的几个包括：

    • 请求与应答：
      • NLM_F_REQUEST：表明这是一个请求消息。
      • NLM_F_ACK：要求对方收到后回一个确认包。调试时很有用，生产环境通常为了性能会关掉。
    • 数据转储：
      • NLM_F_DUMP：这很关键。当你想要“把路由表全给我”或者“把所有网卡信息给我”时，就要设这个标志。
      • NLM_F_MULTI：配合 DUMP 使用。因为返回的数据量通常很大，一个包装不下，内核会分批发送。除了最后一个包，其他的都会带 MULTI 标志。
    • 创建与修改（用于 CRUD 操作）：
      • NLM_F_CREATE：如果不存在就创建。
      • NLM_F_EXCL：如果已存在就报错（配合 CREATE 使用，实现“Create if not exists”）。
      • NLM_F_REPLACE：覆盖已存在的条目。

  4. nlmsg_seq：序列号。这跟 TCP 的序列号不太一样，Netlink 层面没有强制要求它的连续性。它主要是给用户空间程序用来匹配“请求”和“应答”的——我发出去是序列号 5，回来的 ACK 只要也是 5，我就知道这是对我那条消息的回应。

  5. nlmsg_pid：这是发送方的“端口号”。

    • 如果是内核发出的消息，这个字段固定为 0。
    • 如果是用户空间发出的，通常是发送进程的 PID（Process ID）。
    • 这就解释了为什么内核知道该把回复发给谁——它直接抄 nlmsg_pid 作为目标地址就行了。

(Figure 2-3. nlmsg header 展示了这 16 个字节的内存布局)

载荷与 TLV 编码​

头部后面跟着的就是载荷。

直接把数据硬塞进去是不行的，那样内核解析起来太痛苦。Netlink 采用了一种极其经典的编码格式：TLV（Type-Length-Value，类型-长度-值）。

这玩意儿在网络协议里到处都是（比如 IPv6 的扩展头），它的核心思想是自描述。你想传一个 IP 地址？没问题，你要传一个字符串？也没问题。只要你在头部说清楚它是什么类型、有多长，解析器就能读懂。

每个 Netlink 属性的前面，都有一个由 struct nlattr 定义的小头部：

struct nlattr {
    __u16 nla_len;  /* 该属性的总长度（包含头部） */
    __u16 nla_type; /* 属性类型 */
};
  • nla_len：告诉解析器，读多少个字节后能跳过这个属性。
  • nla_type：定义这个属性里装的是什么。
    • NLA_U32：装的是一个 32 位无符号整数。
    • NLA_STRING：装的是字符串。
    • NLA_NESTED：表示这个属性的 Value 里，装的竟然还是一套 TLV 结构——也就是嵌套属性。这允许我们构建出复杂的树状数据结构。

⚠️ 注意：对齐问题 虽然结构体定义看起来很随意，但在内存布局上，每个 Netlink 属性都必须按 4 字节边界对齐（NLA_ALIGNTO）。如果你在手动构造包的时候没做对齐补齐，内核那边解析时可能会因为对齐错误而直接丢包，或者读出来一堆乱码。

属性验证策略​

内核不是来者不拒的。收到一个 Netlink 消息后，它必须得知道里面的属性合不合法。

每个协议族都会定义一个属性验证策略，用一个叫 struct nla_policy 的数组来表示。你会发现它的结构跟 struct nlattr 几乎一模一样：

struct nla_policy {
    u16 type; /* 期望的类型，如 NLA_U32 */
    u16 len;  /* 期望的长度限制 */
};

这个数组是按属性索引排列的。当内核调用 nlmsg_parse() 解析消息时，它会顺带调用 validate_nla()（在 lib/nlattr.c 里）拿着这个策略表去对表。

验证规则很细致：

  • 如果是定长类型（比如 NLA_U32），策略里的 len 通常就可以忽略，因为长度是固定的。
  • 如果是字符串（NLA_STRING），len 代表的是最大允许长度（不包含结尾的 \0）。超过这个长度的字符串会被拒绝。
  • 如果是标记位（NLA_FLAG），len 根本没用。因为这个属性存在就是 true，不存在就是 false，值本身没意义。

这里有个坑：如果收到的属性类型超过了策略数组定义的 maxtype，内核会静默忽略它（Silently ignore）。这是为了向后兼容——老内核收到新用户空间发来的扩展属性时，不至于直接报错，而是跳过看不懂的部分。但这也意味着，如果你发现自己新加的属性怎么都不生效，先检查一下是不是填错了 nla_type 导致它被当成“未知扩展”给扔了。

内核接收流程​

最后，让我们把这些碎片拼起来，看看内核是怎么处理一个 Generic Netlink 消息的（入口在 genl_rcv_msg()）：

  1. 它是 Dump 吗？：先检查 nlmsg_flags 里有没有 NLM_F_DUMP。
    • 如果有，调用 netlink_dump_start()。这会触发内核遍历指定的表（比如路由表），把所有条目打包发回给用户。
  2. 不是 Dump？那就解析：
    • 调用 nlmsg_parse()。这会根据我们刚才说的 nla_policy 验证每一个属性。
    • 如果验证失败，流程直接中断，返回错误码。
  3. 执行操作：
    • 只有验证通过了，才会继续走下一步，调用你在 genl_ops 里注册的 doit() 回调函数。

这就像一个严苛的海关：先看你的签证（头部），再检查你的行李（属性验证），两样都过了，才会放行让你入境（执行回调）。

Netlink 消息头和 TLV 机制构成了整个 IPC 协议的基石。既然地基打好了，下一节我们就要往上盖楼了——去看看网络子系统里最常用的那些 NETLINK_ROUTE 消息到底长什么样，以及它们是如何控制路由表和网卡状态的。

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最后由 Charliechen114514 于 更新