Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

char from server = В

server waiting

char from server = В

server waiting

[2]  Done client1

[3]- Done client1

[4]+ Done client1

$

Атрибуты сокета

Для того чтобы до конца понять системные вызовы, применявшиеся в рассмотренном примере, необходимо узнать кое-что об организации сети в системах UNIX.

Сокеты характеризуются тремя атрибутами: доменом, типом и протоколом. У них также есть адрес, используемый как имя сокета. Форматы адресов меняются в зависимости от домена, также называемого семейством протоколов (protocol family). Каждое семейство протоколов может применять одно или несколько семейств адресов, определяющих формат адреса.

Домены сокетов

Домены задают сетевую рабочую среду, которую будет использовать соединение сокетов. Самый популярный домен сокетов — AF_INET, ссылающийся на сеть Интернет и применяемый во многих локальных сетях Linux и, конечно, в самом Интернете. Низкоуровневый протокол Internet Protocol (IP), у которого только одно адресное семейство, накладывает определенный способ задания компьютеров, входящих в сеть. Он называется IP-адресом.

Примечание

Для преодоления некоторых проблем стандартного протокола IP существенно ограниченного количества доступных адресов был разработан интернет-протокол нового поколения IPv6. Он использует другой домен сокетов AF_INET6 и иной формат адресов. Ожидается, что со временем IPv6 заменит IP, но для этого потребуется много лет. Несмотря на то, что уже есть реализации IPv6 для Linux, их обсуждение выходит за рамки этой книги.

Несмотря на то, что у машин в Интернете почти всегда есть имена, их преобразуют в IP-адреса. Пример IP-адреса — 192.168.1.99. Все IP-адреса представлены четырьмя числами, каждое из которых меньше 256, и образуют так называемые четверки с точками. Когда клиент подключается по сети с помощью сокетов, ему нужен IP- адрес компьютера сервера.

На компьютере сервера может быть доступно несколько сервисов. Клиент может обратиться к конкретному сервису на компьютере, включенном в сеть, с помощью IP-порта. Внутри системы порт идентифицируется уникальным 16-разрядным целым числом, а за пределами системы — комбинацией IP-адреса и номера порта. Сокеты — это коммуникационные конечные точки, которые должны быть связаны с портами, прежде чем передача данных станет возможна.

Серверы ожидают запросов на соединения от определенных клиентов. У хорошо известных сервисов есть выделенные номера портов, которые используются всеми машинами под управлением ОС Linux и UNIX. Обычно, но не всегда, эти номера меньше 1024. Примерами могут служить буфер печати принтера (515), rlogin (513), ftp (21) и httpd (80). Последний из названных — стандартный порт для Web-серверов. Обычно номера портов, меньшие 1024, зарезервированы для системных сервисов и могут обслуживаться процессами с правами суперпользователя. Стандарт X/Open определяет в заголовочном файле netdb.h константу IPPORT_RESERVED для указания наибольшего номера зарезервированных портов.

Поскольку для стандартных сервисов есть стандартный набор номеров портов, компьютеры могут легко соединяться друг с другом, не угадывая правильный номер порта. Локальный сервисы могут применять адреса нестандартных портов.

Домен в первом упражнении, AF_UNIX, — это домен файловой системы UNIX, который может использоваться сокетами, находящимися на единственном компьютере, возможно, даже не входящем в сеть. Если это так, то низкоуровневый протокол — это файловый ввод/вывод, а адреса — имена файлов. Для сокета сервера применялся адрес server_socket, который, как вы видели, появлялся в текущем каталоге, когда вы выполняли серверное приложение.

Кроме того, могут применяться и другие домены: AF_ISO для сетей на основе стандартных протоколов ISO и AF_XNS для Xerox Network System (сетевая система Xerox). В этой книге мы их не будем обсуждать.

Типы сокетов

У домена сокетов может быть несколько способов обмена данными, у каждого из которых могут быть разные характеристики. В случае сокетов домена AF_UNIX проблемы не возникают, т.к, они обеспечивают надежный двунаправленный обмен данными. В сетевых доменах необходимо знать характеристики базовой сети и их влияние на различные механизмы передачи данных.

Интернет-протоколы предоставляют два механизма передачи данных с разными уровнями обслуживания: потоки и дейтаграммы.

Потоковые сокеты

Потоковые сокеты (в чем-то подобные стандартным потокам ввода/вывода) обеспечивают соединение, представляющее собой последовательный и надежный двунаправленный поток байтов. Следовательно, гарантируется, что без указания возникшей ошибки данные не будут потеряны, продублированы или переупорядочены. Сообщения большого объема фрагментируются, передаются и снова собираются воедино. Это напоминает файловый поток, который принимает большие объемы данных и делит их на меньшие блоки для записи на физический диск. У потоковых сокетов предсказуемое поведение.

Потоковые сокеты, описываемые типом SOCK_STREAM, реализованы в домене AF_INET соединениями на базе протоколов TCP/IP. Кроме того, это обычный тип сокетов и в домене AF_UNIX. В этой главе мы сосредоточимся на сокетах типа SOCK_STREAM, поскольку они чаще всего применяются при программировании сетевых приложений.

Примечание

TCP/IP — сокращение для протоколов Transmission Control Protocol/Internet Protocol. Протокол IP — низкоуровневый протокол передачи пакетов, обеспечивающий выбор маршрута при пересылке данных в сети от одного компьютера к другому. Протокол TCP обеспечивает упорядочивание, управление потоком и ретрансляцию, гарантирующие полную и корректную передачу больших объемов данных или же сообщение о соответствующей ошибочной ситуации.

Дейтаграммные сокеты

В отличие от потоковых дейтаграммные сокеты, описываемые типом SOCK_DGRAM, не устанавливают и не поддерживают соединение. Кроме того, существует ограничение для размера дейтаграммы, которая может отправляться. Она передается как единое сетевое сообщение, которое может быть потеряно, продублировано или прибыть несвоевременно, т.е. перед дейтаграммами, посланными после нее.

Дейтаграммные сокеты реализованы в домене AF_INET с помощью соединений UDP/IP и предоставляют неупорядоченный ненадежный сервис. (UDP сокращенное название протокола User Datagram Protocol.) Однако они относительно экономичны с точки зрения расходования ресурсов, поскольку не нуждаются в поддержке сетевых соединений. Они быстры, т.к. не тратится время на установку сетевого соединения.

Дейтаграммы полезны для однократных запросов к информационным сервисам, для предоставления обычных сведений о состоянии или для выполнения низкоприоритетной регистрации данных. Их преимущество в том, что остановка сервера не причинит чрезмерных неудобств клиенту и не потребует перезапуска клиента. Поскольку серверы на базе дейтаграмм обычно сохраняют данные без соединения, их можно останавливать и запускать снова, не мешая их клиентам.

На этом мы закончим обсуждение дейтаграмм, дополнительную информацию см. в разд. "Дейтаграммы" в конце данной главы.

Протоколы сокетов

Если низкоуровневый механизм передачи данных позволяет применять несколько протоколов, предоставляющих сокет требуемого типа, можно выбрать конкретный протокол или сокет. В этой главе мы сосредоточимся на сокетах сети UNIX и ее файловой системы, которые не требуют от вас выбора протокола, отличного от заданного по умолчанию.

Создание сокета

Системный вызов socket создает сокет и возвращает дескриптор, который может применяться для доступа к сокету:

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

Созданный сокет — это одна конечная точка линии передачи. Параметр domain задает семейство адресов, параметр type определяет тип используемого с этим сокетом обмена данными, a protocol — применяемый протокол.

В табл. 15.1 приведены имена доменов.

Таблица 15.1

Домен Описание AF_UNIX Внутренние для UNIX (сокеты файловой системы) AF_INET Интернет-протоколы ARPA (Advanced Research Projects Agency, управление перспективных исследований и разработок) (сокеты сети UNIX) AF_ISO Протоколы стандарта ISO (International Standards Organization, Международная организация по стандартизации) AF_NS Протоколы сетевых систем Xerox AF_IPX Novell-протокол IPX AF_APPLETALK Appletalk DDS (Appletalk Digital Data Service)

К наиболее популярным доменам сокетов относятся AF_UNIX, применяемый для локальных сокетов, реализуемых средствами файловых систем UNIX и Linux, и AF_INET, используемый для сетевых сокетов UNIX. Сокеты домена AF_INET могут применяться программами, взаимодействующими в сетях на базе протоколов TCP/IP, включая Интернет. Интерфейс ОС Windows Winsock также предоставляет доступ к этому домену сокетов.