Системное программирование14. Взаимодействие через сокеты
14. Взаимодействие через сокеты
В настоящее время пользователями и разработчиками часто используются сетевые среды, предоставляющие возможности технологии клиент/сервер. Такой подход позволяет совместно использовать данные, дисковое пространство, периферийные устройства, процессорное время и другие ресурсы. Работа в сетевой среде по технологии клиент/сервер предполагает взаимодействие процессов, находящихся на клиентских и серверных системах, разделенных средой передачи данных.
Работа будет посвящена краткому ознакомлению с основными понятиями и средствами работы с сокетами.
Если процессам нужно передать данные по сети, они могут выбрать для этого один из двух способов связи. Процесс, которому нужно посылать неформатированный, непрерывный поток символов одному и тому же абоненту может использовать модель соединения или виртуальное соединение. В других же случаях процесс может использовать модель дейтаграмм. При этом процесс может посылать сообщения (дейтаграммы) по произвольным адресам через один и тот же сокет без предварительного установления связи с этими адресами. Термин дейтаграмма (datagram) обозначает пакет пользовательского сообщения, посылаемый через сеть.
Модель соединений будет более подходящей при необходимости получения тесного взаимодействия между системами, когда обмен сообщениями и подтверждениями происходит в определенном порядке. Модель без соединений является более эффективной и лучше подходит в таких случаях, как рассылка широковещательных сообщений большому числу компьютеров.
Для модели соединений используется протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, сокращенно TCP), а для модели дейтаграмм - протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, сокращенно UDP).
Чтобы процессы могли связаться по сети, должен существовать механизм определения сетевого адреса (network address) компьютера, на котором находится другой процесс. Адрес определяет физическое положение компьютера в сети. Обычно адреса состоят из нескольких частей, соответствующих различным уровням сети. Сейчас почти во всех глобальных сетях применима адресация IP (сокращение от Internet Protocol - межсетевой протокол, протокол сети Internet). Адрес IP состоит из четырех десятичных чисел, разделенных точками (например, 197.124.10.1). Эти четыре числа содержат достаточную информацию для определения сети назначения, а также компьютера в этой сети.
Сетевые вызовы UNIX не могут работать с IP адресами в таком формате. На программном уровне IP адреса хранятся в структуре типа in_addr_t. Обычно программистам не нужно знать внутреннее представление этого типа, так как для преобразования IP адреса в структуру типа in_addr_t предназначена процедура inet_addr.
Процедура inet_addr принимает IP адрес в форме строки вида х.х.х.х и возвращает адрес в виде структуры соответствующего типа. Если вызов процедуры завершается неудачей, то возвращаемое значение будет равно -1.
Кроме адреса компьютера, клиентская программа должна иметь возможность подключения к нужному серверному процессу. Серверный процесс ждет подключения к заданному номеру порта (port number). Поэтому клиентский процесс должен выполнить запрос на подключение к определенному порту на заданном компьютере.
Некоторые номера портов по соглашению считаются отведенными для стандартных сервисов, таких как ftp или rlogin. В общем случае порты с номерами, меньшими 1024, считаются зарезервированными для системных процессов UNIX. Все остальные порты доступны для пользовательских процессов.
В действительности применяются различные типы сокетов в зависимости от того, используются ли они в качестве средства межпроцессного взаимодействия на одном и том же компьютере или для связи процессов через сеть. При любых моделях связи клиент и сервер должны создать абонентские точки (transport end points), или сокеты, которые являются дескрипторами, используемыми для установки связи между процессами в сети. Они создаются при помощи системного вызова socket.
Системный вызов socket обычно возвращает неотрицательное целое число, которое является дескриптором файла сокета, что позволяет считать механизм сокетов разновидностью обобщенного файлового ввода/вывода UNIX.
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) представляет собой семейство протоколов, основным назначением которых является обеспечение возможности полезного сосуществования компьютерных сетей, основанных на разных технологиях. В 1969 году Агентство перспективных исследовательских проектов министерства обороны США (DARPA - Department of Defense Advanced Research Project Agency) поддержало и финансировало проект, посвященный поиску общей основы связи сетей с разной технологией. В результате выполнения этого проекта была образована единая виртуальная сеть, получившая название Internet. В Internet для связи независимых сетей, или доменов используется набор шлюзов. Каждый индивидуальный узел сети (Host) идентифицируется уникальным адресом, называемым адресом в Internet.
Для разрешения проблемы различий в форматах кадров, используемых в разных сетях, был определен универсальный формат пакета данных, называемого IP-датаграммой (Internet Protocol Datagram), состоящего из заголовка и порции данных и поэтому похожего на обычный сетевой кадр. Однако порция данных IP-датаграммы сама содержится внутри сетевого кадра, т.е. IP-датаграмма погружается в сетевой кадр конкретного формата и поэтому может передаваться в разных сетях, входящих в Internet. Все узлы, шлюзы и сети Internet должны быть в состоянии понимать IP-датаграммы.
Узлы, взаимодействующие в Internet, не устанавливают между собой физические соединения для целей индивидуального взаимодействия. Поэтому датаграммы не обрабатываются в каком-либо конкретном порядке. Напротив, каждая датаграмма обрабатывается независимо от других, что позволяет эффективно разделять ресурсы для всего множества (логически) связанных узлов. Но это, к сожалению, означает, что сервис, предоставляемый Internet, не является надежным, поскольку не гарантирует доставку пакетов в нужном порядке, отсутствие потерь датаграмм или отсутствие их дублирования.
Работа будет посвящена краткому ознакомлению с основными понятиями и средствами работы с сокетами.
Если процессам нужно передать данные по сети, они могут выбрать для этого один из двух способов связи. Процесс, которому нужно посылать неформатированный, непрерывный поток символов одному и тому же абоненту может использовать модель соединения или виртуальное соединение. В других же случаях процесс может использовать модель дейтаграмм. При этом процесс может посылать сообщения (дейтаграммы) по произвольным адресам через один и тот же сокет без предварительного установления связи с этими адресами. Термин дейтаграмма (datagram) обозначает пакет пользовательского сообщения, посылаемый через сеть.
Модель соединений будет более подходящей при необходимости получения тесного взаимодействия между системами, когда обмен сообщениями и подтверждениями происходит в определенном порядке. Модель без соединений является более эффективной и лучше подходит в таких случаях, как рассылка широковещательных сообщений большому числу компьютеров.
Для модели соединений используется протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, сокращенно TCP), а для модели дейтаграмм - протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, сокращенно UDP).
Чтобы процессы могли связаться по сети, должен существовать механизм определения сетевого адреса (network address) компьютера, на котором находится другой процесс. Адрес определяет физическое положение компьютера в сети. Обычно адреса состоят из нескольких частей, соответствующих различным уровням сети. Сейчас почти во всех глобальных сетях применима адресация IP (сокращение от Internet Protocol - межсетевой протокол, протокол сети Internet). Адрес IP состоит из четырех десятичных чисел, разделенных точками (например, 197.124.10.1). Эти четыре числа содержат достаточную информацию для определения сети назначения, а также компьютера в этой сети.
Сетевые вызовы UNIX не могут работать с IP адресами в таком формате. На программном уровне IP адреса хранятся в структуре типа in_addr_t. Обычно программистам не нужно знать внутреннее представление этого типа, так как для преобразования IP адреса в структуру типа in_addr_t предназначена процедура inet_addr.
Процедура inet_addr принимает IP адрес в форме строки вида х.х.х.х и возвращает адрес в виде структуры соответствующего типа. Если вызов процедуры завершается неудачей, то возвращаемое значение будет равно -1.
Кроме адреса компьютера, клиентская программа должна иметь возможность подключения к нужному серверному процессу. Серверный процесс ждет подключения к заданному номеру порта (port number). Поэтому клиентский процесс должен выполнить запрос на подключение к определенному порту на заданном компьютере.
Некоторые номера портов по соглашению считаются отведенными для стандартных сервисов, таких как ftp или rlogin. В общем случае порты с номерами, меньшими 1024, считаются зарезервированными для системных процессов UNIX. Все остальные порты доступны для пользовательских процессов.
В действительности применяются различные типы сокетов в зависимости от того, используются ли они в качестве средства межпроцессного взаимодействия на одном и том же компьютере или для связи процессов через сеть. При любых моделях связи клиент и сервер должны создать абонентские точки (transport end points), или сокеты, которые являются дескрипторами, используемыми для установки связи между процессами в сети. Они создаются при помощи системного вызова socket.
Системный вызов socket обычно возвращает неотрицательное целое число, которое является дескриптором файла сокета, что позволяет считать механизм сокетов разновидностью обобщенного файлового ввода/вывода UNIX.
Стек протоколов TCP/IP
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) представляет собой семейство протоколов, основным назначением которых является обеспечение возможности полезного сосуществования компьютерных сетей, основанных на разных технологиях. В 1969 году Агентство перспективных исследовательских проектов министерства обороны США (DARPA - Department of Defense Advanced Research Project Agency) поддержало и финансировало проект, посвященный поиску общей основы связи сетей с разной технологией. В результате выполнения этого проекта была образована единая виртуальная сеть, получившая название Internet. В Internet для связи независимых сетей, или доменов используется набор шлюзов. Каждый индивидуальный узел сети (Host) идентифицируется уникальным адресом, называемым адресом в Internet.
Для разрешения проблемы различий в форматах кадров, используемых в разных сетях, был определен универсальный формат пакета данных, называемого IP-датаграммой (Internet Protocol Datagram), состоящего из заголовка и порции данных и поэтому похожего на обычный сетевой кадр. Однако порция данных IP-датаграммы сама содержится внутри сетевого кадра, т.е. IP-датаграмма погружается в сетевой кадр конкретного формата и поэтому может передаваться в разных сетях, входящих в Internet. Все узлы, шлюзы и сети Internet должны быть в состоянии понимать IP-датаграммы.
Узлы, взаимодействующие в Internet, не устанавливают между собой физические соединения для целей индивидуального взаимодействия. Поэтому датаграммы не обрабатываются в каком-либо конкретном порядке. Напротив, каждая датаграмма обрабатывается независимо от других, что позволяет эффективно разделять ресурсы для всего множества (логически) связанных узлов. Но это, к сожалению, означает, что сервис, предоставляемый Internet, не является надежным, поскольку не гарантирует доставку пакетов в нужном порядке, отсутствие потерь датаграмм или отсутствие их дублирования.
