DDNS 的工作原理及其在 Linux 上的实现
DDNS 工作原理的分析
DDNS 的实现最根本的一点是当主机的 IP 地址发生变化的时候，实现 DNS 映射信息的及时更新，应用程序需要及时地获得这一信息，主要的方法可分为两大类：
一类是轮询机制，即：应用程序每隔一定的时间，去从查询主机当前的 IP 地址，并与之前的进行比较，从而判断网络地址是否发生了变化。显然，这种方法不仅效率低下，而且对每次查询 IP 地址的时间间隔很难得到一个折中的数值。
第二类方法是异步实现方式，即：每当主机的 IP 地址发生变化的时候，应用程序能够被及时地通知到。这的确是一个简单而又高效的方法，但与此同时，另一个问题又产生了，那就是：通知源又应该由谁来担当呢？显然，这是处于用户空间的应用程序无法胜任的。于是，我们想到了让内核来充当这一消息源。这样，在内核空间和用户空间之间就需要通过消息来进行通信了。
在 Linux 下用户空间与内核空间的信息交互方式有许多种，比如：软中断、系统调用、netlink 等等。关于这些通信方式的介绍以及其各自的优缺点并不在本文的讨论范围内，您可以自行查看参考资源。
在这许多种通信方式中，netlink 凭借其标准的 socket API、模块化实现、异步通信机制、多播机制等等多种优势，成为了内核与越来越多应用程序之间交互的主要方式。在 Linux 的内核中，已经为我们封装了使用 netlink 对特定网络状态变化进行消息通知的功能，这就是著名的 rtnetlink。有关 netlink 在内核空间实现的详细代码以及其 API 参数的介绍，您可以自行查看参考资源，本文在此不作过多的赘述。
本文讨论的重点是针对 DDNS 这一特定的应用，演示 rtnetlink 检测到 IP 地址发生了变化、并将消息告知用户空间的应用程序的整个过程，以及应用程序利用 netlink 套接字接收消息、并告知 DNS 服务器的实现方法。
DDNS 工作流程的简单介绍
结合上述对 DDNS 工作原理的分析，我们可以将 DDNS 的工作流程简单地用图 1 来表示：
图 1. DDNS 的工作流程图
从图 1 中可以看到，DDNS 的工作流程主要有三个部分：
应用程序实时感知到 IP 地址发生了变化，如上介绍，利用基于 netlink 的异步通知机制可以让应用程序及时得到内核空间对这些事件的“通知”，具体可以分为如下 5 个步骤：
1、内核空间初始化 rtnetlink 模块，创建 NETLINK_ROUTE 协议簇类型的 netlink 套接字；
2、用户空间创建 NETLINK_ROUTE 协议簇类型的 netlink 套接字，并且绑定到 RTMGRP_IPV4_IFADDR 组播 group 中；
3、用户空间接收从内核空间发来的消息，如果没有消息，则阻塞自身；
4、当主机被分配了新的 IPV4 地址，内核空间通过 netlink_broadcast，将 RTM_NEWADDR 消息发送到 RTNLGRP_IPV4_IFADDR 组播 group 中 ;
5、用户空间接收消息，进行验证、处理；
应用程序接收到“通知”后，把 DNS update 信息发送给 DNS 服务器，目的是将更新后的 IP 地址及时地通知 DNS 服务器，以便网络上的主机仍然能够通过原来的域名访问到自己，通用的做法是利用开源软件 nsupdate 发送 DNS update 信息给 DNS 服务器以实现 DNS 信息的动态更新。
最后，对应于第一部分 netlink 套接字的创建，用户空间和内核空间关闭所创建的 netlink 套接字。
下文将详细阐述其中的每一环节及其实现。
内核空间 rtnetlink 检测 IP 地址变化的实现与分析
在我们开始利用 netlink 套接字、实现与内核通信的应用程序之前，先来分析一下内核空间的 rtnetlink 模块是如何工作的。
内核空间 rtnetlink 的初始化
清单 1. rtnetlink 的初始化
/*
以下代码摘自 Linux kernel 2.6.18, net/core/rtnetlink.c 文件，
并只选择了与本主题相关的最重要的部分，其他的都用省略号略过，之后的各清单也一样。
*/
void __init rtnetlink_init(void)
{
......
rtnl = netlink_kernel_create(NETLINK_ROUTE, RTNLGRP_MAX, rtnetlink_rcv, THIS_MODULE);
if (rtnl == NULL)
panic("rtnetlink_init: cannot initialize rtnetlink\n");
......
}
从清单 1 中可以看到：
在 rtnetlink 进行初始化的时候，首先会调用 netlink_kernel_create 来创建一个 NETLINK_ROUTE 类型的 netlink 套接字，并指定接收函数为 rtnetlink_rcv，有关 rtnetlink_rcv 的实现细节可以查阅内核 net/core/rtnetlink.c 文件。这里需要指出的是，netlink 提供了包括 NETLINK_ROUTE、NETLINK_FIREWALL、NETLINK_INET_DIAG 等在内的多种协议簇（详细列表及各协议簇的含义可以自行查看参考资源），其中 NETLINK_ROUTE 类型提供了网络地址发生变化的消息，这正是 DDNS 需要用到的。
内核空间 IP 地址变化事件的通知过程
引起主机 IP 地址变化的原因有很多种，如：DHCP 分配的 IP 过期、用户手动修改了 IP 等等。无论何种原因，最终都会触发内核空间对相应事件的通知机制，这里以最常用的修改 IPV4 地址的工具 ifconfig 为例。
ifconfig 先是创建一个 AF_INET 的 socket，然后通过系统调用 ioctl 来完成配置的，ioctl 在内核中对应的函数是 sys_ioctl，对于 IP 地址、子网掩码、默认网关等配置的修改，其最终会调用 devinet_ioctl。devinet_ioctl 函数处理包括 get、set 在内的多种命令，与 DDNS 应用有关的是 set 类命令，图 2 给出了 SIOCSIFADDR 命令（设置网络地址）的 ifconfig 调用树：
图 2. SIOCSIFADDR 命令的 ifconfig 调用树
从图 2 中可以看到，当用户使用 ifconfig 对主机的 IP 地址作了修改，内核在进行了新地址的设置之后，会调用 rtmsg_ifa，传递的事件为 RTM_NEWADDR。
清单 2. rtmsg_ifa 发送 IP 地址变化消息
/*
以下代码摘自 Linux kernel 2.6.18, net/ipv4/devinet.c 文件
*/
static void rtmsg_ifa(int event, struct in_ifaddr* ifa)
{
int size = NLMSG_SPACE(sizeof(struct ifaddrmsg) + 128);
struct sk_buff *skb = alloc_skb(size, GFP_KERNEL);
if (!skb)
netlink_set_err(rtnl, 0, RTNLGRP_IPV4_IFADDR, ENOBUFS);
else if (inet_fill_ifaddr(skb, ifa, 0, 0, event, 0) < 0) {
kfree_skb(skb);
netlink_set_err(rtnl, 0, RTNLGRP_IPV4_IFADDR, EINVAL);
} else {
netlink_broadcast(rtnl, skb, 0, RTNLGRP_IPV4_IFADDR, GFP_KERNEL);
}
}
从清单 2 中可以看到，rtmsg_ifa 的实现主要包括：
首先分配了一块类型为 struct sk_buff 的空间用于存放需要发送的消息内容。
随后，调用 inet_fill_ifaddr 将消息填充至上述缓存（有关消息的格式，您可以自行查看参考资源）。值得注意的是，RTM_NEWADDR 被作为 nlmsg_type 封装到了内核发送给应用程序的 netlink 消息头 nlmsghdr 中，这样用户空间的应用程序在接收后就能够根据 type 来分别处理不同类型的消息了。
rtmsg_ifa 的最后是调用了 netlink_broadcast 将上述封装完毕的 sk_buff 结构广播到 RTNLGRP_IPV4_IFADDR 这个 group，以下是内核空间组播 group 与用户空间组播 group 的对应关系：
清单 3. 内核空间组播 group 与用户空间组播 group 的对应关系
/*
以下代码摘自 Linux kernel 2.6.18, include/linux/rtnetlink.h 文件
*/
/* RTnetlink multicast groups */
enum rtnetlink_groups {
RTNLGRP_NONE,
#define RTNLGRP_NONE RTNLGRP_NONE
RTNLGRP_LINK,
#define RTNLGRP_LINK RTNLGRP_LINK
.....
RTNLGRP_IPV4_IFADDR,
#define RTNLGRP_IPV4_IFADDR RTNLGRP_IPV4_IFADDR
......
};
#ifndef __KERNEL__
/* RTnetlink multicast groups - backwards compatibility for userspace */
#define RTMGRP_LINK 1
#define RTMGRP_NOTIFY 2
......
#define RTMGRP_IPV4_IFADDR 0x10
......
#endif
综上所述，当主机的 IP 地址发生变化时，内核会向所有 RTNLGRP_IPV4_IFADDR 组播成员发送 RTM_NEWADDR 消息。因此，在用户空间创建 netlink 套接字时，只需要加入到 RTMGRP_IPV4_IFADDR 这个组播 group 中，就可以实现当本机 IP 地址有更新的时候，DDNS 应用程序能够异步地收到内核空间发来的通知消息了。
用户空间 netlink socket 的创建、绑定与消息接收处理
用户空间创建 netlink 套接字
用户空间的 netlink socket 相关操作与标准 socket API 完全一致，因此可以像使用标准 socket 来进行两台主机间的 IP 协议通信一样地来使用它，这也是 netlink 之所以能够得到越来越广泛应用的一个重要原因。
清单 4. 用户空间创建 netlink socket
#include <sys/socket.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <linux/rtnetlink.h>
......
int main(void)
{
......
if((nl_socket = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_ROUTE))==-1)
// 指定通信域、通信方式以及通信协议
exit(1);
......
}
在创建 netlink 套接字时：
我们指定了通信域为 PF_NETLINK，表明这是一个 netlink 套接字。其定义可以在如下所示的内核 include/linux/socket.h 文件中找到。从中我们也可以看到自己非常熟悉的 AF_INET：
清单 5. 清单 4 中使用到的宏定义
/* 以下代码摘自 include/linux/socket.h 文件 */ /* Supported address families. */ #define AF_UNSPEC 0 #define AF_UNIX 1 /* Unix domain sockets */ #define AF_LOCAL 1 /* POSIX name for AF_UNIX */ #define AF_INET 2 /* Internet IP Protocol */ ...... #define AF_NETLINK 16 ...... /* Protocol families, same as address families. */ #define PF_NETLINK AF_NETLINK ......
对于通信方式，我们选择了 SOCK_DGRAM。事实上对于 netlink 这种基于无连接的 socket，使用 SOCK_DGRAM 或者 SOCK_RAW 都是可以的。
对于通信协议，我们使用了 NETLINK_ROUTE。这是因为在清单 1 中，内核空间创建 netlink 套接字、用于发送 IP 地址发生变化的消息时使用的是它，所以这里需要保持一致以进行双方间的通信。
用户空间绑定 netlink 套接字
与标准的 socket 使用方法相似，在建立 netlink 套接字之后，也需要绑定到一个 netlink 地址才能够进行消息的发送与接收。netlink 地址在 struct sockaddr_nl 结构中定义，各结构成员的含义可参见附录 3。
清单 6. 用户空间 bind netlink socket
#include <sys/socket.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <linux/rtnetlink.h>
......
int main(void)
{
......
struct sockaddr_nl addr // 在 include/linux/netlink.h 中定义，结构各成员的含义可参见附录 3
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.nl_family = PF_NETLINK; // 定义协议簇为 PF_NETLINK
addr.nl_groups = RTMGRP_IPV4_IFADDR // 加入到 RTMGRP_IPV4_IFADDR 组播 group 中
addr.nl_pid = 0; // 让 kernel 来分配 pid
......
// 将清单 5 中创建的 netlink 套接字与上述协议地址进行绑定
if(bind(nl_socket, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) == -1)
{
close(nl_socket);
exit(1);
}
......
}
从清单 6 中可以看到，在绑定应用程序的 netlink 套接字时，我们将自己加入到了 RTMGRP_IPV4_IFADDR 组播 group 中，这与前文我们对内核空间 IP 地址变化事件的通知过程的分析是一致的。
用户空间接收并处理内核空间消息
同样与标准的 socket 使用方法类似，用户空间接收内核空间发来的 netlink 消息可以使用 recv、recvfrom 或 recvmsg。值得一提的是，netlink 套接字有自己的消息头：nlmsghdr 结构（该结构具体各成员变量的含义请查看参考资源），而其中的 nlmsg_type 正是我们需要用到的包含了消息类型的字段。
清单 7. 用户空间接收内核空间消息
#define MAX_MSG_SIZE 1024
......
#include <sys/socket.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <linux/rtnetlink.h>
......
struct if_info
{
int index; //interface 的序号
char name[IFNAMSIZ]; //interface 的名称，Linux 内核 include/linux/if.h 中定义了 IFNAMSIZ
uint8_t mac[ETH_ALEN];
//interface 的 mac 地址，Linux 内核 include/linux/if_ether.h 中定义了 ETH_ALEN
...... //interface 的其他信息
struct if_info *next; // 指向下一个 if_info 结构的指针
};
static struct if_info *if_list = NULL; // 存放现有的 interface 列表，在每次程序初始化时更新
int receive_netlink_message(struct nlmsghdr *nl); // 用于接收内核空间发来的消息的函数
handle_newaddr(struct ifinfomsg *ifi, int len); // 用于处理向 DNS 服务器发送更新的函数
......
int main(void)
{
......
int len = 0;
struct nlmsghdr *nl; // 结构体定义可以参考内核 include/linux/netlink.h 文件
while((len = receive_netlink_message(&nl)) > 0)
{
while(NLMSG_OK(nl, len)) //NLMSG 相关的宏定义可以参考内核 include/linux/netlink.h 文件
{
switch(nl->nlmsg_type)
{
case RTM_NEWADDR: // 处理 RTM_NEWADDR 的 netlink 消息类型
//ifinfomsg 结构可以参考内核 include/linux/rtnetlink.h 文件
handle_newaddr((struct ifinfomsg *)NLMSG_DATA(nl),
NLMSG_PAYLOAD(nl, sizeof(struct ifinfomsg)));
break;
...... // 处理其他 netlink 消息类型，如：RTM_NEWLINK，这里略过
default:
printf("Unknown netlink message type : %d", nl->nlmsg_type);
}
nl = NLMSG_NEXT(nl, len);
}
if( nl != NULL )
free(nl);
}
......
}
int receive_netlink_message(struct nlmsghdr **nl)
{
struct iovec iov; // 使用 iovec 进行接收
struct msghdr msg = {NULL, 0, &iov, 1, NULL, 0, 0}; // 初始化 msghdr
int length;
*nl = NULL;
if ((*nl = (struct nlmsghdr *) malloc(MAX_MSG_SIZE)) == NULL )
return 0;
iov.iov_base = *nl; // 封装 nlmsghdr
iov.iov_len = MAX_MSG_SIZE; // 指定长度
length = recvmsg(nl_socket, &msg, 0);
if(length <= 0)
FREE(*nl);
return length;
}
应用程序在收到了 RTM_NEWADDR 类型的 netlink 消息后，需要根据 IP 的变化进行处理。这里使用了 handle_newaddr 函数，对 IP 的变化分为了两种情况：一种是 interface 已经存在、仅仅是 IP 发生了变化；另一种是 interface 是新添加的。无论是哪种情况，handle_newaddr 函数在进行了相应的处理之后，都需要调用 update_dns.sh 这个脚本通知 DNS 服务器。关于 update_dns.sh 的实现参见下一章。
清单 8. 用户空间处理内核空间消息
void handle_newaddr(struct ifinfomsg *ifinfo, int len)
{
struct if_info *i;
for(i = if_list ; i ; i = i->next) // 遍历 in_list，找到 ip 发生变化的 interface
if(i->index == ifinfo->ifi_index)
break;
if(i != NULL){ // 找到了相应的 interface，执行 update_dns.sh
system(update_dns.sh);
return;
}
// 没有找到对应的 interface，说明该 interface 是新添加的
if((i = calloc(sizeof(struct if_info), 1)) == NULL)// 分配一个 if_info 结构用于添加新的 interface
exit(1);
// 根据 ifinfo->ifi_index 等信息更新 if_info 结构 i，考虑到与 ddns 应用关系不大，限于篇幅，这里略过
......
system(update_dns.sh); // 执行 update_dns.sh
i->next = if_list; // 在 if_list 的末尾添加新发现的 interface
if_list = i;
}
应用程序与 DNS 服务器的交互
应用程序可以利用开源工具 nsupdate 来向 DNS 服务器发送 DNS update 消息。nsupdate 的详细用法及特性可以请查看参考资源，受篇幅所限，本章将会结合例子简单介绍这个工具的基本用法。
nsupdate 可以从终端或文件中读取命令，每个命令一行。一个空行或一个"send"命令，则会将先前输入的命令发送到 DNS 服务器上，典型的使用方法如清单 9 所示。nsupdate 默认从文件 /etc/resolv.conf 中解析 DNS 服务器和域名，在实际应用中，我们可以首先解析网络参数，生成 nsupdate 的输入文件，最后调用 nsupdate。update_dns.sh 的实现流程如图 3 所示。
清单 9. nsupdate 的使用例子
# nsupdate > server 9.0.148.50 //DNS 服务器地址 9.0.148.50，默认端口 53 > update delete oldhost.example.com A // 删除域名 oldhost.example.com 的任何 A 类型记录 > update add newhost.example.com 86400 A 172.16.1.1 // 添加一条 172.16.1.1<----->newhost.example.com A 类型的记录， // 记录的 TTL 是 24 小时（86400 秒） > send // 发送命令
图 3. update_dns.sh 的实现流程
netlink socket 的关闭
用户空间关闭 netlink socket
同标准的 socket API 一样，用户空间关闭 netlink socket 使用的也是 close 函数，而且用法完全一致。您可以参考清单 6 中 close 函数在 DDNS 应用程序中的使用。
内核空间关闭 netlink socket
内核空间关闭 netlink socket 使用 sock_release 函数，函数原型如下所示：
清单 10. 内核空间关闭 netlink socket - sock_release
/* 以下代码摘自 Linux kernel 3.4.3, net/socket.c 文件 */ void sock_release(struct socket * sock);
其中 sock 为 netlink_kernel_create 创建的 netlink 套接字。
值得一提的是，在最新的 Linux kernel 中，还提供了 netlink_kernel_release 接口，函数原型如下所示：
清单 11. 内核空间关闭 netlink socket —— netlink_kernel_release
/* 以下代码摘自 Linux kernel 3.4.3, net/netlink/af_netlink.c 文件 */ void netlink_kernel_release(struct sock *sk);
其中 sk 为 netlink_kernel_create 创建的 netlink 套接字。
对 DDNS 应用实现的扩展启示
DDNS 利用 rtnetlink 的 NETLINK_ROUTE 协议簇套接字来监听 Linux 内核网络事件“RTM_NEWADDR”，实时更新 DNS 映射信息，从而实现 DNS 信息的动态更新。除了 NETLINK_ROUTE，netlink_family 还提供了多种协议簇来实现多种信息的报告，比如 SELinux、防火墙、Netfilter、IPV6 等。就 NETLINK_ROUTE 协议簇而言，也提供了多个组播 group 对应多种网络连接、网络参数、路由信息、网络流量类别等等变化的事件。
这就启示我们可以利用 netlink，特别是 rtnetlink，实现许多其他的与网络相关的应用。比如：应用程序如果需要实时地监控本机路由表的变化，就可以在用户空间创建 NETLINK_ROUTE 协议簇的 netlink 套接字时把自己加到 RTMGRP_IPV4_ROUTE 及 RTMGRP_NOTIFY 的多播组中（即：addr.nl_groups = RTMGRP_IPV4_ROUTE | RTMGRP_NOTIFY;）通过这种方式，可以实现包括 OSPF、RIPv2、BGP 等在内的多种现行路由协议；再比如：也可以利用 rtnetlink 来监听网络的连接情况，rtnetlink 在初始化的时候将 rtnetlink 消息处理函数 rtnetlink_event 挂到了通知链 netdev_chain 上，网络设备的启动，关闭，更名等事件都能触发通知链并回调消息处理函数，从而组播 RTM_NEWLINK 或者 RTM_DELLINK 信息，向用户程序通知网络的连接情况。
总结
本文结合 DDNS 的工作原理，简单阐释了 DDNS 的实现流程，并在此基础之上，进一步演示了利用 Linux rtnetlink 套接字实现内核空间与用户空间的网络状态 IP 地址变化信息的交互、以及利用 nsupdate 实现 DDNS 客户端与服务器端的同步更新，并且在实际的应用中完全实现了 DDNS 的功能，希望能够为使用 DDNS 进行网络管理的人员及 Linux 网络编程爱好者提供有益的参考。
参考资料
学习
- 参考“在 Linux 下用户空间与内核空间数据交换的方式，第 1 部分 : 内核启动参数、模块参数与 sysfs、sysctl、系统调用和 netlink”，了解 Linux 用户空间与内核空间的多种数据交换方式，以及它们各自的优缺点。
- 参考“Linux 系统内核空间与用户空间通信的实现与分析”，了解 netlink 套接字在内核空间的 API
- 参考 netlink(7) 的 man 手册，了解 Linux netlink 所支持的包括 NETLINK_ROUTE 在内的各种消息类型、消息头格式、消息地址格式及其用法等等。
- 参考 nsupdate 的 man 手册，了解开源工具 nsupdate 的详细用法与特性
- 在 developerWorks Linux 专区寻找为 Linux 开发人员（包括 Linux 新手入门）准备的更多参考资料。
作者：王 寒芷, 软件工程师, IBM
王 俊元, 软件工程师, IBM
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