36. Понятие сокета

Сокеты (sockets) представляют собой высокоуровневый унифицированный интерфейс взаимодействия с телекоммуникационными протоколами. В технической литературе встречаются различные переводы этого слова - их называют и гнездами, и соединителями, и патронами, и патрубками, и т .д.

Сокет - это конечная точка сетевых коммуникаций. Он является чем-то вроде "портала", через которое можно отправлять байты во внешний мир. Приложение просто пишет данные в сокет; их дальнейшая буферизация, отправка и транспортировка осуществляется используемым стеком протоколов и сетевой аппаратурой. Чтение данных из сокета происходит аналогичным образом.

Концепция сокетов

Сетевой сокет (network socket) во многом напоминает электрическую розетку. В сети имеется множество сокетов, причем каждый из них выполняет стандартные функции. Все, что поддерживает стандартный протокол, можно «подключить» к сокету и использовать для коммуникаций. Для электрической розетки не имеет значения, что именно вы подключаете – лампу или тостер, поскольку оба прибора рассчитаны на напряжение 220 Вольт и частоту 50 Герц. Несмотря на то, что электричество свободно распространяется по сети, все розетки в доме имеют определенное место. Подобным образом работают и сетевые сокеты, за исключением того, что электроны и почтовые адреса заменены на пакеты TCP/IP и IP-адреса. Internet Protocol (IP) является низкоуровневым протоколом маршрутизации, который разбивает данные на небольшие пакеты и рассылает их по различным сетевым адресам, что не гарантирует доставку вышеупомянутого пакета адресату. Transmission Control Protocol (TCP) является протоколом более высокого уровня, собирающим пакеты в одну строку, сортирующим и перетранслирующим их по мере необходимости, поддерживая надежную рассылку данных. Третий протокол, UNIX Domain Protocol (UDP), используется вместе с TCP и может применяться для быстрой, но ненадежной передачи пакетов.

Socket API был впервые реализован в операционной системе Berkley UNIX. Сейчас этот программный интерфейс доступен практически в любой модификации Unix, в том числе в Linux. Хотя все реализации чем-то отличаются друг от друга, основной набор функций в них совпадает. Изначально сокеты использовались в программах на C/C++, но в настоящее время средства для работы с ними предоставляют многие языки (Perl, Java и др.).

Сокеты предоставляют весьма мощный и гибкий механизм межпроцессного взаимодействия (IPC). Они могут использоваться для организации взаимодействия программ на одном компьютере, по локальной сети или через Internet, что позволяет вам создавать распределённые приложения различной сложности. Кроме того, с их помощью можно организовать взаимодействие с программами, работающими под управлением других операционных систем. Например, под Windows существует интерфейс Window Sockets, спроектированный на основе socket API. Ниже мы увидим, насколько легко можно адаптировать существующую Unix-программу для работы под Windows.

Обзор сокетов

Библиотека Winsock поддерживает два вида сокетов - синхронные (блокируемые) и асинхронные (неблокируемые). Синхронные сокеты задерживают управление на время выполнения операции, а асинхронные возвращают его немедленно, продолжая выполнение в фоновом режиме, и, закончив работу, уведомляют об этом вызывающий код.

ОС Windows 3.x поддерживает только асинхронные сокеты, поскольку, в среде с корпоративной многозадачностью захват управления одной задачей "подвешивает" все остальные, включая и саму систему. ОС Windows 9x\NT поддерживают оба вида сокетов, однако, в силу того, что синхронные сокеты программируются более просто, чем асинхронные, последние не получили большого распространения. Эта статья посвящена исключительно синхронным сокетам (асинхронные - тема отдельного разговора).

Сокеты позволяют работать со множеством протоколов и являются удобным средством межпроцессорного взаимодействия, но в данной статье речь будет идти только о сокетах семейства протоколов TCP/IP, использующихся для обмена данными между узлами сети Интернет. Все остальные протоколы, такие как IPX/SPX, NetBIOS по причине ограниченности объема журнальной статьи рассматриваться не будут.

Независимо от вида, сокеты делятся на два типа - потоковые и дейтаграммные. Потоковые сокеты работают с установкой соединения, обеспечивая надежную идентификацию обоих сторон и гарантируют целостность и успешность доставки данных. Дейтаграмные сокеты работают без установки соединения и не обеспечивают ни идентификации отправителя, ни контроля успешности доставки данных, зато они заметно быстрее потоковых.

Выбор того или иного типа сокетов определяется транспортным протоколом на котором работает сервер, - клиент не может по своему желанию установить с дейтаграммным сервером потоковое соединение.

Замечание: дейтаграммные сокеты опираются на протокол UDP, а потоковые на TCP.

Зарезервированные сокеты

После физического подключения выбирается протокол высокого уровня, который зависит от используемого порта. Согласно спецификации протокола TCP/IP, первые 1024 порта резервируются для определенных задач. Порт номер 21 предназначен для протокола FTP, 23 – для Telnet, 25 – для электронной почты, 79 – для протокола finger, 80 – для HTTP,  и т.д. Каждый протокол определяет, каким образом клиент должен взаимодействовать с портом. Например, протокол HTTP используется Web-броузерами и серверами для передачи гипертекстовых страниц и изображений. Работает он следующим образом. Когда клиент запрашивает файл от сервера HTTP (это действие известно под названием попадание – hit), он просто записывает имя файла в специальном формате в определенный порт и получает обратно содержимое файла. Сервер также возвращает код состояния, сообщающий клиенту о возможности удовлетворения запроса, и причину отказа.. Вот пример запроса клиентом файла /index.html, в ответ на который сервер передает содержимое файла.

37. Программирование сокетов

Для обеспечения сетевых коммуникаций используются сокеты. Сокет это конечная точка сетевых коммуникаций. Каждый использующийся сокет имеет тип и ассоциированный с ним процесс. Сокеты существуют внутри коммуникационных доменов. Домены это абстракции, которые подразумевают конкретную структуру адресации и множество протоколов, которое определяет различные типы сокетов внутри домена. Примерами коммуникационных доменов могут быть: UNIX домен, Internet домен, и т.д.

В Internet домене сокет - это комбинация IP адреса и номера порта, которая однозначно определяет отдельный сетевой процесс во всей глобальной сети Internet. Два сокета, один для хоста-получателя, другой для хоста-отправителя, определяют соединение для протоколов, ориентированных на установление связи, таких, как TCP.

• Создание сокета

• Привязка к локальным именам

• Установление связи

• Передача данных

• Закрывание сокетов

• Пример функции, для установления WWW коннекции

Создание сокета

Для создания сокета используется системный вызов socket.

s = socket(domain, type, protocol);

Этот вызов основывается на информации о коммуникационном домене и типе сокета. Для использования особенностей Internet, значения параметров должны быть следующими:

• communication domain - AF_INET (Internet протоколы).

• type of the socket - SOCK_STREAM; Этот тип обеспечивает последовательный, надежный, ориентированный на установление двусторонней связи поток байтов.

Выше был упомянут сокет с типом stream. Краткое описание других типов сокетов приведено ниже:

• Datagram socket - поддерживает двусторонний поток данных. Не гарантируется, что этот поток будет последовательным, надежным, и что данные не будут дублироваться. Важной характеристикой данного сокета является то, что границы записи данных предопределены.

• Raw socket - обеспечивает возможность пользовательского доступа к низлежащим коммуникационным протоколам, поддерживающим сокет-абстракции. Такие сокеты обычно являются датаграм- ориентированными.

Функция socket создает конечную точку для коммуникаций и возвращает файловый дескриптор, ссылающийся на сокет, или -1 в случае ошибки. Данный дескриптор используется в дальнейшем для установления связи.

Для создания сокета типа stream с протоколом TCP, обеспечивающим коммуникационную поддержку, вызов функции socket должен быть следующим:

s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

Привязка к локальным именам

Сокет создается без имени. Пока с сокетом не будет связано имя, удаленные процессы не имеют возможности ссылаться на него и, следовательно, на данном сокете не может быть получено никаких сообщений. Коммуникационные процессы используют для данных целей ассоциации. В Internet домене ассоциация складывается из локального и удаленного адреса и из локального и удаленного порта. В большинстве доменов ассоциация должна быть уникальной.

В Internet домене связывание сокета и имени может быть весьма сложным, но, к счастью, обычно нет необходимости специально привязывать адрес и номер порта к сокету, так как функции connect и send автоматически свяжут данный сокет с подходящим адресом, если это не было сделано до их вызова.

Для связывания сокета с адресом и номером порта используют системный вызов bind:

bind(s, name, namelen);

Привязываемое имя (name) это строка байт переменной длины, которая интерпретируется поддерживаемым протоколом. Интерпретация может различаться в различных коммуникационных доменах.

Установление связи

Со стороны клиента связь устанавливается с помощью стандартной функции connect:

error = connect(s, serveraddr, serveraddrlen);

которая инициирует установление связи на сокете, используя дескриптор сокета s и информацию из структуры serveraddr, имеющей тип sockaddr_in, которая содержит адрес сервера и номер порта на который надо установить связь. Если сокет не был связан с адресом, connect автоматически вызовет системную функцию bind.

Connect возвращает 0, если вызов прошел успешно. Возвращенная величина -1 указывает на то, что в процессе установления связи произошла некая ошибка. В случае успешного вызова функции процесс может работать с дескриптором сокета, используя функции read и write, и закрывать канал используя функцию close.

Со стороны сервера процесс установления связи сложнее. Когда сервер желает предложить один из своих сервисов, он связывает сокет с общеизвестным адресом, ассоциирующимся с данным сервисом, и пассивно слушает этот сокет. Для этих целей используется системный вызов listen:

error = listen(s, qlength);

где s это дескриптор сокета, а qlength это максимальное количество запросов на установление связи, которые могут стоять в очереди, ожидая обработки сервером; это количество может быть ограничено особенностями системы.

Когда сервер получает запрос от клиента и принимает решение об установлении связи, он создает новый сокет и связывает его с ассоциацией, эквивалентной 'слушающему сокету'. Для Internet домена это означает тот же самый номер порта. Для этой цели используется системный вызов accept:

newsock = accept(s, clientaddr, clientaddrlen);

Сокет, ассоциированный клиентом, и сокет, который был возвращен функцией accept, используются для установления связи между сервером и клиентом.

Передача данных

Когда связь установлена, с помощью различных функций может начаться процесс передачи данных. При наличии связи, пользователь может посылать и получать сообщения с помощью функций read и write:

write(s, buf, sizeof(buf)); read(s, buf, sizeof(buf));

Вызовы send и recv практически идентичны read и write, за исключением того, что добавляется аргумент флагов.

send(s, buf, sizeof(buf), flags); recv(s, buf, sizeof(buf), flags);

Могут быть указаны один или более флагов с помощью ненулевых значений, таких, как следующие:

• MSG_OOB - Посылать/получать данные, характерные для сокетов типа stream.

• MSG_PEEK - Просматривать данные без чтения. когда указывается в recv, любые присутствующие данные возвращаются пользователю, но сами данные остаются как "непрочитанные". Следующий read или recv вызванный на данном сокете вернет прочитанные в прошлый раз данные.

• MSG_DONTROUTE - посылать данные без маршрутизации пакетов. (Используется только процессами, управляющими таблицами маршрутизации.)

Закрывание сокетов

Когда взаимодействующие модули решают прекратить передачу данных и закрыть сеанс связи, они обмениваются трехсторонним рукопожатием с сегментами, содержащими установленный бит "От отправителя больше нет данных" (этот бит еще называется FIN бит).

Если сокет больше не используется, процесс может закрыть его с помощью функции close, вызвав ее с соответствующим дескриптором сокета:

close(s);

Если данные были ассоциированы с сокетом, обещающим доставку (сокет типа stream), система будет пытаться осуществить передачу этих данных. Тем не менее, по истечении довольно таки длительного промежутка времени, если данные все еще не доставлены, они будут отброшены. Если пользовательский процесс желает прекратить любую передачу данных, он может сделать это с помощью вызова shutdown на данном сокете для его закрытия. Вызов shutdown вызывает "моментальное" отбрасывание всех стоящих в очереди данных. Формат вызова следующий:

shutdown(s, how);

где how имеет одно из следующих значений:

• 0 - если пользователь больше не желает читать данные

• 1 - если данные больше не будут посылаться

• 2 - если данные не будут ни посылаться ни получаться

Пример функции, для установления WWW коннекции

int MakeConnection(unsigned char* ServerName){

int s;

struct sockaddr_in ssin;

struct hostent* hp;

int PortNum;

unsigned char strHlp[STRNGLEN], *pch;

/* use default port number - 80 or specific number from the

server name */

strcpy(strHlp,ServerName);

pch = strchr(strHlp,':');

if(pch==NULL){

PortNum = 80;

}else{

pch[0] = '';

pch++;

PortNum = atoi(pch);

if(PortNum==0){

PortNum = 80;

}

}

/* get host by name - resolve host name into IP address */

if( (hp=gethostbyname(strHlp)) == NULL )

{

return -1;

}

bzero(&ssin, sizeof(ssin));

bcopy(hp->h_addr, &ssin.sin_addr, hp->h_length);

ssin.sin_family = hp->h_addrtype;

ssin.sin_port = htons(PortNum);

/* allocate a socket */

if((s=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))==-1)

{

return -1;

}

/* make a connection */

if(connect(s, &ssin, sizeof(ssin), 0)==-1){

return -1;

}

return s; /* socket descriptor */

}