Глава 15

В этой главе вы познакомитесь с еще одним способом взаимодействия процессов, существенно отличающимся от тех, которые мы обсуждали в главах 13 и 14. До настоящего момента все рассматриваемые нами средства основывались на совместно используемых ресурсах одного компьютера. Ресурсы могли быть разными: областью файловой системы, сегментами совместно используемой памяти или очередями сообщений, но использовать их могли только процессы, выполняющиеся на одной машине.

В версию ОС Berkeley UNIX было включено новое средство коммуникации - интерфейс сокетов, - являющееся расширением концепции канала, обсуждавшейся в главе 13. В системах Linux также есть интерфейсы сокетов.

Вы можете применять сокеты во многом так же, как каналы, но они поддерживают взаимодействие в пределах компьютерной сети. Процесс на одной машине может использовать сокеты для взаимосвязи с процессом на другом компьютере, что делает возможным существование клиент-серверных систем, распределенных в сети. Процессы, выполняющиеся на одной машине, также могут применять сокеты.

Кроме того, интерфейс сокетов стал доступен в ОС Windows благодаря общедоступной спецификации Windows Sockets или WinSock. Сервисы сокетов в ОС Windows предоставляются системным файлом Winsock.dll. Стало быть, программы под управлением Windows могут взаимодействовать по сети с компьютерами под управлением Linux и UNIX и наоборот, реализуя, таким образом, клиент-серверные системы. Несмотря на то, что программный интерфейс для WinSock не совпадает полностью с интерфейсом сокетов в UNIX, в основе его лежат те же сокеты.

В одной-единственной главе мы не сможем дать исчерпывающее описание всех многообразных сетевых возможностей Linux, поэтому вы найдете здесь лишь основные программные сетевые интерфейсы, которые позволят вам писать собственные программы, работающие в сети.

Более подробно мы рассмотрим следующие темы:

□ как действует соединение с помощью сокетов;

□ атрибуты сокетов, адреса и обмен информацией;

□ сетевая информация и интернет-демон (inetd/xinetd);

□ клиенты и серверы.

Что такое сокет?

Сокет - это средство связи, позволяющее разрабатывать клиент-серверные системы для локального, на одной машине, или сетевого использования. Функции ОС Linux, такие как вывод, подключение к базам данных и обслуживание Web-страниц, равно как и сетевые утилиты, например

, предназначенная для удаленной регистрации, и , применяемая для передачи файлов, обычно используют сокеты для обмена данными.

Сокеты создаются и используются не так, как каналы, потому что они подчеркивают явное отличие между клиентом и сервером. Механизм сокетов позволяет создавать множество клиентов, присоединенных к единственному серверу.

Соединения на базе сокетов

Соединения на базе сокетов можно рассматривать как телефонные звонки в учреждение. Телефонный звонок поступает в организацию, и на него отвечает секретарь приемной, направляющий вызов в соответствующий отдел (серверный процесс) и оттуда к нужному сотруднику (сокет сервера). Каждый входящий телефонный звонок (клиент) направляется к соответствующей конечной точке, и промежуточные операторы могут заниматься последующими телефонными звонками. Прежде чем рассматривать установку соединений с помощью сокетов в системах Linux, нужно понять, как они ведут себя в приложениях сокетов, поддерживающих соединения.

Сначала серверное приложение создает сокет, который как файловый дескриптор представляет собой ресурс, присваиваемый единственному серверному процессу. Сервер создает его с помощью системного вызова

, и этот сокет не может использоваться совместно с другими процессами.

Далее сервер присваивает сокету имя. Локальные сокеты с заданными именами файлов в файловой системе Linux часто размещаются в каталоге /tmp или /usr/tmp. У сетевых сокетов имя файла будет идентификатором сервиса (номер порта/точка доступа), относящегося к конкретной сети, к которой могут подключаться клиенты. Этот идентификатор, задавая определенный номер порта, соответствующий корректному серверному процессу, позволяет Linux направлять входящие подключения по определенному маршруту. Например, Web-сервер обычно создает сокет для порта 80, идентификатор, зарезервированный для этой цели. Web-обозреватели знают о необходимости применять порт 80 для своих HTTP-подключений к Web- сайтам, которые пользователь хочет читать. Именуется сокет с помощью системного вызова

. Далее серверный процесс ждет подключения клиента к именованному сокету. Системный вызов формирует очередь входящих подключений. Сервер может принять их с помощью системного вызова .

Когда сервер вызывает

, создается новый сокет, отличающийся от именованного сокета. Этот новый сокет применяется только для взаимодействия с данным конкретным клиентом. Именованный сокет сохраняется для дальнейших подключений других клиентов. Если сервер написан корректно, он может извлечь выгоду из многочисленных подключений. Web-сервер добивается этого за счет одновременного предоставления страниц многих клиентам. В случае простого сервера все последующие клиенты ждут в очереди до тех пор, пока сервер не будет готов снова.

Клиентская сторона системы с применением сокетов гораздо проще. Клиент создает неименованный сокет с помощью вызова

. Затем он вызывает для подключения к серверу, используя в качестве адреса именованный сокет сервера.

Будучи установлены, сокеты могут применяться как низкоуровневые файловые дескрипторы, обеспечивая двунаправленный обмен данными.

Выполните упражнения 15.1 и 15.2.

Упражнение 15.1. Простой локальный клиент . Системный вызов мы подробно рассмотрим чуть позже, когда будем обсуждать некоторые проблемы адресации.

1. Включите нужные заголовочные файлы и задайте переменные:

2. Создайте сокет для клиента:

sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

3. Назовите сокет по согласованию с сервером:

address.sun_family = AF_UNIX;

strcpy(address.sun_path, "server_socket");

4. Соедините ваш сокет с сокетом сервера:

:

printf("char from server = %c\n", ch);

Эта программа завершится аварийно, если вы попытаетесь выполнить ее, потому что еще не создан именованный сокет сервера, (Точное сообщение об ошибке может отличаться в разных системах.)

oops: client1: No such file or directory

Упражнение 15.2. Простой локальный сервер

Далее приведена программа простого сервера server1.с, которая принимает запрос на соединение от клиента. Она создает сокет сервера, присваивает ему имя, создает очередь ожидания и принимает запросы на соединения.

1. Включите необходимые заголовочные файлы и задайте переменные:

struct sockaddr_un server_address;

struct sockaddr_un client_address;

2. Удалите все старые сокеты и создайте неименованный сокет для сервера:

server_sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

3. Присвойте имя сокету:

server_address.sun_family = AF_UNIX;

strcpy(server_address.sun_path, "server_socket");

4. Создайте очередь запросов на соединение и ждите запроса клиента:

5. Примите запрос на соединение:

(struct sockaddr *)&client_address, &client_len);

6. Читайте и записывайте данные клиента с помощью

:

Как это работает

В этом примере серверная программа в каждый момент времени может обслуживать только одного клиента. Она просто читает символ, поступивший от клиента, увеличивает его и записывает обратно. В более сложных системах, где сервер должен выполнять больше работы по поручению клиента, такой подход будет неприемлемым, потому что другие клиенты не смогут подключиться до тех пор, пока сервер не завершит работу. Позже вы увидите пару методов, позволяющих подключаться многочисленным клиентам.

Когда вы выполняете серверную программу, она создает сокет и ждет запросов на соединение. Если вы запустите ее в фоновом режиме, т.е. она будет выполняться независимо, вы сможете затем запускать клиентов как высокоприоритетные задачи.

Ожидая запросы на соединения, сервер выводит сообщение. В приведенном примере сервер ждет запрос с сокета файловой системы, и вы сможете увидеть его с помощью обычной команды

.

Хорошо взять за правило удалять сокет после окончания работы с ним, даже в случае аварийного завершения программы из-за получения сигнала. Это убережет файловую систему от загромождения неиспользуемыми файлами.

$ ls -lF server socket

srwxr-xr-x 1 neil users 0 2007-06-23 11:41 server_socket=

Здесь тип устройства - сокет, на что указывает символ

перед правами доступа и символ в конце имени. Сокет был создан как обычный файл с правами доступа, модифицированными текущей . Если применить команду , то можно увидеть сервер, выполняющийся в фоновом режиме. Он показан спящим (параметр равен ) и, следовательно, не потребляющим ресурсы ЦП.

F UID PID PPID PRI NI VSZ RSS WCHAN STAT TTY TIME COMMAND

0 1000 23385 10689 17 0 1424 312 361800 S pts/1 0:00 ./server1

Теперь, когда вы запустите программу, то успешно подключитесь к серверу. Поскольку сокет сервера существует, вы можете соединиться с ним и обмениваться данными.

server waiting char from server = В

На терминале вывод сервера и клиента перемешаны, но можно увидеть, что сервер получил символ от клиента, увеличил его и вернул. Далее сервер продолжает выполняться и ждет следующего клиента. Если вы запустите несколько клиентов вместе, они будут обслуживаться по очереди, хотя полученный вывод может оказаться еще более перемешанным.

$ ./client1 & ./client1 & ./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 -

, 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

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),

(513), (21) и (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 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,

, - 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 , который, как вы видели, появлялся в текущем каталоге, когда вы выполняли серверное приложение.

Кроме того, могут применяться и другие домены:

для сетей на основе стандартных протоколов ISO и 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

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

, реализованы в домене соединениями на базе протоколов TCP/IP. Кроме того, это обычный тип сокетов и в домене . В этой главе мы сосредоточимся на сокетах типа , 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

, 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

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

#include

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

Созданный сокет - это одна конечная точка линии передачи. Параметр

задает семейство адресов, параметр определяет тип используемого с этим сокетом обмена данными, a - применяемый протокол.

В табл. 15.1 приведены имена доменов.

Таблица 15.1

К наиболее популярным доменам сокетов относятся

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

Параметр сокета type задает характеристики обмена данными, применяемые для нового сокета. Возможными значениями могут быть

и . - это упорядоченный, надежный, основанный на соединении, двунаправленный поток байтов. В случае домена сокетов этот тип обмена данными по умолчанию обеспечивается TCP-соединением, которое устанавливается между двумя конечными точками потоковых сокетов при подключении. Данные могут передаваться в двух направлениях по линии связи сокетов. Протоколы TCP включают в себя средства фрагментации и последующей повторной сборки сообщений больших объемов и повторной передачи любых их частей, которые могли быть потеряны в сети. - дейтаграммный сервис. Вы можете использовать такой сокет для отправки сообщений с фиксированным (обычно небольшим) максимальным объемом, но при этом нет гарантии, что сообщение будет доставлено или что сообщения не будут переупорядочены в сети. В случае сокетов домена этот тип передачи данных обеспечивается дейтаграммами UDP (User Datagram Protocol, пользовательский протокол дейтаграмм).

Протокол, применяемый для обмена данными, обычно определяется типом сокета и доменом. Как правило, выбора нет. Параметр

применяется в тех случаях, когда выбор все же предоставляется. Задание 0 позволяет выбрать стандартный протокол, используемый во всех примерах данной главы.

Системный вызов

возвращает дескриптор, во многом похожий на низкоуровневый файловый дескриптор. Когда сокет подключен к концевой точке другого сокета, для отправки и получения данных с помощью сокетов можно применять системные вызовы и с дескриптором сокета. Системный вызов используется для удаления сокетного соединения.

Адреса сокетов

Каждый домен сокетов требует своего формата адресов. В домене

адрес описывается структурой , объявленной в заголовочном файле sys/un.h:

sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */

char sun_path; /* Путь к файлу */

Для того чтобы адреса разных типов могли передаваться в системные вызовы для обработки сокетов, все адресные форматы описываются похожей структурой, которая начинается с поля (в данном случае

), задающего тип адреса (домен сокета). В домене адрес задается именем файла в поле структуры .

В современных системах Linux тип

, описанный в стандарте X/Open как объявляемый в заголовочном файле sys/un.h, интерпретируется как тип . Кроме того, размер , задаваемого в поле , ограничен (в Linux указывается 108 символов; в других системах может применяться именованная константа, например, ). Поскольку размер адресной структуры может меняться, многие системные вызовы сокетов требуют или предоставляют на выходе длину, которая будет использоваться для копирования конкретной адресной структуры. адрес задается с помощью структуры с именем , определенной в файле netinet/in.h, которая содержит как минимум следующие элементы:

short int sin_family; /* AF_INET */

unsigned short int sin_port; /* Номер порта */

struct in_addr sin_addr; /* Интернет-адрес */

Структура IP-адреса типа in_addr определена следующим образом:

unsigned long int s_addr;

Четыре байта IP-адреса образуют одно 32-разрядное значение. Сокет домена

полностью описывается IP-адресом и номером порта. С точки зрения приложения все сокеты действуют как файловые дескрипторы, и их адреса задаются уникальными целочисленными значениями.

Именование сокета

Для того чтобы сделать сокет (созданный с помощью вызова

) доступным для других процессов, серверная программа должна присвоить сокету имя. Сокеты домена связаны с полным именем файла в файловой системе, как вы видели в программе-примере server1. Сокеты домена связаны с номером IP-порта.

#include

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address len);

Системный вызов

присваивает адрес, заданный в параметре , неименованному сокету, связанному с дескриптором сокета . Длина адресной структуры передается в параметре :

Длина и формат адреса зависят от адресного семейства. В системном вызове

указатель конкретной адресной структуры должен быть приведен к обобщенному адресному типу .

В случае успешного завершения

возвращает 0. Если он завершается аварийно, возвращается -1, и переменной присваивается одно из значений, перечисленных в табл. 15.2.

Таблица 15.2

Создание очереди сокетов

Для приема запросов на входящие соединения на базе сокетов серверная программа должна создать очередь для хранения ждущих обработки запросов. Формируется она с помощью системного вызова

.

#include

int listen(int socket, int backlog);

Система Linux может ограничить количество ждущих обработки соединений, которые могут храниться в очереди. В соответствии с этим максимумом вызов

задает длину очереди, равной . Входящие соединения, не превышающие максимальной длины очереди, сохраняются в ожидании сокета; последующим запросам на соединение будет отказано, и клиентская попытка соединения завершится аварийно. Этот механизм реализуется вызовом для того, чтобы можно было сохранить ждущие соединения запросы, пока серверная программа занята обработкой запроса предыдущего клиента. Очень часто параметр равен 5. вернет 0 в случае успешного завершения и -1 в случае ошибки. Как и для системного вызова , ошибки могут обозначаться константами , И .

Прием запросов на соединение

После создания и именования сокета серверная программа может ждать запросы на выполнение соединения с сокетом с помощью системного вызова

:

#include

int accept(int socket, struct sockaddr *address, size_t *address_len);

Системный вызов

возвращает управление, когда клиентская программа пытается подключиться к сокету, заданному в параметре . Этот клиент - первый из ждущих соединения в очереди данного сокета. Функция создает новый сокет для обмена данными с клиентом и возвращает его дескриптор. У нового сокета будет тот же тип, что и у сокета сервера, ждущего запросы на соединения.

Предварительно сокету должно быть присвоено имя с помощью системного вызова

и у него должна быть очередь запросов на соединение, место для которой выделил системный вызов . Адрес вызывающего клиента будет помещен в структуру , на которую указывает параметр . Если адрес клиента не представляет интереса, в этом параметре может задать пустой указатель.

Параметр

задает длину адресной структуры клиента. Если адрес клиента длиннее, чем это значение, он будет урезан. Перед вызовом в параметре должна быть задана ожидаемая длина адреса. По возвращении из вызова в будет установлена реальная длина адресной структуры запрашивающего соединение клиента.

Если нет запросов на соединение, ждущих в очереди сокета, вызов accept будет заблокирован (так что программа не сможет продолжить выполнение) до тех пор, пока клиент не сделает запрос на соединение. Вы можете изменить это поведение, применив флаг

в файловом дескрипторе сокета с помощью вызова в вашей программе следующим образом:

int flags = fcntl(socket, F_GETFL, 0);

fcntl(socket, F_SETFL, O_NONBLOCK | flags);

возвращает файловый дескриптор нового сокета, если есть запрос клиента, ожидающего соединения, и -1 в случае ошибки. Возможные значения ошибок такие же, как у вызовов и плюс дополнительная константа в случае, когда задан флаг и нет ждущих запросов на соединение. Ошибка возникнет, если процесс прерван во время блокировки в функции .

Запросы соединений

Клиентские программы подключаются к серверам, устанавливая соединение между неименованным сокетом и сокетом сервера, ждущим подключений. Делают они это с помощью вызова

:

#include

int connect(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);

Сокет, заданный в параметре

, соединяется с сокетом сервера, заданным в параметре , длина которого равна . Сокет должен задаваться корректным файловым дескриптором, полученным из системного вызова .

Если функция

завершается успешно, она возвращает 0, в случае ошибки вернется -1. Возможные ошибки на этот раз включают значения, перечисленные в табл. 15.3.

Таблица 15.3

Если соединение не может быть установлено немедленно, вызов

будет заблокирован на неопределенный период ожидания. Когда допустимое время ожидания будет превышено, соединение разорвется и вызов завершится аварийно. Однако, если вызов прерван сигналом, который обрабатывается, connect завершится аварийно (со значением errno, равным ), но попытка соединения не будет прервана - соединение будет установлено асинхронно и программа должна будет позже проверить, успешно ли оно установлено.

Как и в случае вызова

, возможность блокировки в вызове можно исключить установкой в файловом дескрипторе флага . В этом случае, если соединение не может быть установлено немедленно, вызов завершится аварийно с переменной , равной , и соединение будет выполнено асинхронно.

Хотя асинхронные соединения трудно обрабатывать, вы можете применить вызов

к файловому дескриптору сокета, чтобы убедиться в том, что сокет готов к записи. Мы обсудим вызов чуть позже в этой главе.

Закрытие сокета

Вы можете разорвать сокетное соединение в серверной или клиентской программах, вызвав функцию

, так же как в случае низкоуровневых файловых дескрипторов. Сокеты следует закрывать на обоих концах. На сервере это нужно делать, когда вернет ноль. Имейте в виду, что вызов может быть заблокирован, если сокет, у которого есть непереданные данные, обладает типом, ориентированным на соединение, и установленным параметром . Дополнительную информацию об установке параметров сокета вы узнаете позже в этой главе.

Обмен данными с помощью сокетов

Теперь, когда мы описали основные системные вызовы, связанные с сокетами, давайте повнимательнее рассмотрим программы-примеры. Вы попытаетесь переработать их, заменив сокет файловой системы сетевым сокетом. Недостаток сокета файловой системы состоит в том, что если автор не использует полное имя файла, он создается в текущем каталоге серверной программы. Для того чтобы сделать его полезным в большинстве случаев, следует создать сокет в общедоступном каталоге (например, /tmp), подходящем для сервера и его клиентов. В случае сетевых серверов достаточно выбрать неиспользуемый номер порта.

Для примера выберите номер порта 9734. Это произвольный выбор, позволяющий избежать использования портов стандартных сервисов (вы не должны применять номера портов, меньшие 1024, поскольку они зарезервированы для системного использования). Другие номера портов с обеспечиваемыми ими сервисами часто приводятся в системном файле /etc/services. При написании программ, использующих сокеты, всегда выбирайте номер порта, которого нет в этом файле конфигурации.

Примечание

Вам следует знать, что в программах client2.c и server2.c умышленно допущена ошибка, которую вы устраните в программах client3.c и server3.c. Пожалуйста, не используйте текст примеров client2.c и server2.c в собственных программах.

Вы будете выполнять ваши серверную и клиентскую программы в локальной сети, но сетевые сокеты полезны не только в локальной сети, любая машина с подключением к Интернету (даже по модемной линии связи) может применять сетевые сокеты для обмена данными с другими компьютерами. Программу, основанную на сетевых подключениях, можно применять даже на изолированном компьютере с ОС UNIX, т. к. такой компьютер обычно настроен на использование виртуальной сети или внутренней петли (loopback network), включающей только его самого. Для демонстрационных целей данный пример использует виртуальную сеть, которая может быть также полезна для отладки сетевых приложений, поскольку она устраняет любые внешние сетевые проблемы.

Виртуальная сеть состоит из единственного компьютера, традиционно именуемого

, со стандартным IP-адресом 127.0.0.1. Это локальная машина. Ее адрес вы сможете найти в файле сетевых узлов etc/hosts наряду с именами и адресами других узлов, входящих в совместно используемые сети.

У каждой сети, с которой компьютер обменивается данными, есть связанный с ней аппаратный интерфейс. У компьютера в каждой сети может быть свое имя и конечно будут разные IP-адреса. Например, у машины Нейла с именем tilde три сетевых интерфейса и, следовательно, три адреса. Они записаны в файле /etc/hosts следующим образом.

127.0.0.1 localhost # Петля

192.168.1.1 tilde.localnet # Локальная частная сеть Ethernet

158.152.X.X tilde.demon.co.uk # Модемная линия связи

Первая строка - пример виртуальной сети, ко второй сети доступ осуществляется с помощью адаптера Ethernet, а третья - модемная линия связи с провайдером интернет-сервисов. Вы можете написать программу, применяющую сетевые сокеты, для связи с серверами с помощью любого из приведенных интерфейсов без каких-либо корректировок.

Выполните упражнения 15.3 и 15.4.

Упражнение 15.3. Сетевой клиент

Далее приведена измененная программа-клиент client2.c, предназначенная для использования сетевого соединения на базе сокета в виртуальной сети. Она содержит незначительную ошибку, связанную с аппаратной зависимостью, но мы обсудим ее чуть позже в этой главе.

1. Включите необходимые директивы

и задайте переменные:

#include

#include

struct sockaddr_in address;

2. Создайте сокет клиента:

3. Присвойте имя сокету по согласованию с сервером:

address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

address.sin_port = 9734;

Оставшаяся часть программы такая же, как в приведенном ранее в этой главе примере. Когда вы выполните эту версию, она завершится аварийно, потому что на данном компьютере нет сервера, выполняющегося на порте 9734.

oops: client2: Connection refused

Как это работает

Клиентская программа использует структуру

из заголовочного файла netinet/in.h для задания адреса . Она пытается подключиться к серверу, размещенному на узле с IP-адресом 127.0.0.1. Программа применяет функцию для преобразования текстового представления IP-адреса в форму, подходящую для адресации сокетов. На страницах интерактивного справочного руководства для inet вы найдете дополнительную информацию о других функциях, преобразующих адреса. Упражнение 15.4. Сетевой сервер

Вам также нужно модифицировать серверную программу, ждущую подключений на выбранном вами номере порта. Далее приведена откорректированная программа сервера server2.c.

1. Вставьте необходимые заголовочные файлы и задайте переменные:

#include

#include

int server_sockfd, client_sockfd;

2. Создайте неименованный сокет для сервера:

3. Дайте имя сокету:

server_address.sin_port.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

server_address.sin_port = 9734;

server_len = sizeof(server_address);

bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len);

Как это работает

Серверная программа создает сокет домена

и выполняет необходимые действия для приема запросов на подключение к нему. Сокет связывается с выбранным вами портом. Заданный адрес определяет, каким машинам разрешено подсоединяться. Задавая такой же адрес виртуальной сети, как в клиентской программе, вы ограничиваете соединения только локальной машиной.

Если вы хотите разрешить серверу устанавливать соединения с удаленными клиентами, необходимо задать набор IP-адресов, которые разрешены. Можно применить специальное значение

для того, чтобы показать, что будете принимать запросы на подключение от всех интерфейсов, имеющихся на вашем компьютере. Если необходимо, вы можете разграничить интерфейсы разных сетей, чтобы отделить соединения локальной сети от соединений глобальной сети. Константа - 32-разрядное целое число, которое можно использовать в поле адресной структуры. Но прежде вам нужно решить проблему.

Порядок байтов на компьютере и в сети

Если запустить приведенные версии серверной и клиентской программ на машине на базе процессора Intel под управлением Linux, то с помощью команды

можно увидеть сетевые соединения. Эта команда есть в большинство систем UNIX, настроенных на работу в сети. Она отображает клиент-серверное соединение, ожидающее закрытия. Соединение закрывается после небольшой задержки. (Повторяем, что вывод в разных версиях Linux может отличаться.)

$ ./server2 & ./client2

Active Internet connections (w/o servers)

tcp 1 0 localhost:1574 localhost:1174 TIME_WAIT root

Примечание

Прежде чем испытывать последующие примеры этой главы, убедитесь в том, что завершено выполнение серверных программ-примеров, поскольку они будут конкурировать при приеме соединений клиентов, и вы увидите вводящие в заблуждение результаты. Удалить их все (включая те, что будут приведены позже в этой главе) можно с помощью следующей команды:

killall server1 server2 server3 server4 server5

Вы сможете увидеть номера портов, присвоенные соединению сервера с клиентом. Локальный адрес отображает сервер, а внешний адрес - удаленного клиента. (Даже если клиент размещен на той же машине, он все равно подключается через сеть.) Для четкого разделения всех сокетов порты клиентов обычно отличаются от сокета сервера, ожидающего запросы на соединения, и уникальны в пределах компьютера.

Отображается локальный адрес (сокет сервера) 1574 (или может выводиться имя сервиса

) и выбранный в примере порт 9734. Почему они отличаются? Дело в том, что номера портов и адреса передаются через интерфейсы сокета как двоичные числа. В разных компьютерах применяется различный порядок байтов для представления целых чисел. Например, процессор Intel хранит 32-разрядное целое в виде четырех последовательных байтов памяти в следующем порядке 1-2-3-4, где 1-й байт - самый старший. Процессоры IBM PowerPC будут хранить целое со следующим порядком следования байтов: 4-3-2-1. Если используемую для хранения целых память просто побайтно копировать, два компьютера не придут к согласию относительно целочисленных значений.

Для того чтобы компьютеры разных типов могли согласовать значения многобайтовых целых чисел, передаваемых по сети, необходимо определить сетевой порядок передачи байтов. Перед передачей данных клиентские и серверные программы должны преобразовать собственное внутреннее представление целых чисел в соответствии с принятым в сети порядком следования байтов. Делается это с помощью функций, определенных в заголовочном файле netinet/in.h. К ним относятся следующие:

#include

unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);

unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);

unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);

unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);

Эти функции преобразуют 16- и 32-разрядные целые из внутреннего формата в сетевой порядок следования байтов и обратно. Их имена соответствуют сокращенному названию выполняемых преобразований, например "host to network, long" (htonl, компьютерный в сетевой, длинные целые) и "host to network, short" (htons, компьютерный в сетевой, короткие целые). Компьютерам, у которых порядок следования байтов соответствует сетевому, эти функции предоставляют пустые операции.

Для обеспечения корректного порядка следования при передаче 16-разрядного целого числа ваши сервер и клиент должны применить эти функции к адресу порта. В программу server3.c следует внести следующие изменения:

server_address.sin_addr_s_addr = htonl(INADDR_ANY);

Результат, возвращаемый функцией

, преобразовывать не нужно, потому что в соответствии со своим определением она возвращает результат с сетевым порядком следования байтов. В программу client3.c необходимо внести следующее изменение:

address.sin_port = htons(9734);

В сервер, благодаря применению константы

, внесено изменение, позволяющее принимать запросы на соединение от любых IP-адресов.

Теперь, выполнив программы server3 и client3, вы увидите корректный номер порта, используемый для локального соединения:

Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (State) User

tcp 1 0 localhost:9734 localhost:1175 TIME_WAIT root

Примечание

Если вы пользуетесь компьютером, у которого собственный формат представления целых совпадает с сетевым порядком следования байтов, вы не увидите никакой разницы. Но для обеспечения корректного взаимодействия клиентов и серверов с разной архитектурой важно всегда применять функции преобразования.

Сетевая информация

До сих пор у клиентских и серверных программ были адреса и номера портов, компилируемые в них. В более универсальных серверных и клиентских программах для определения применяемых адресов и портов вы можете использовать данные сети.

Если у вас есть на это право, можно добавить свой сервер к списку известных сервисов в файл /etc/services, который назначает имена номерам портов, так что клиенты могут использовать вместо номеров символические имена сервисов.

Точно так же зная имя компьютера, можно определить IP-адрес, вызвав функции базы данных сетевых узлов (host database), которые найдут эти адреса. Делают они это, обращаясь за справкой к конфигурационным файлам, например, etc/hosts или к сетевым информационным сервисам, таким как NIS (Network Information Services (сервисы сетевой информации), ранее известным как Yellow Pages (желтые страницы)) и DNS (Domain Name Service, служба доменных имен).

Функции базы данных сетевых узлов или хостов (Host database) объявлены в заголовочном файле интерфейса netdb.h:

struct hostent *gethostbyaddr(const void* addr, size_t len, int type);

struct hostent* gethostbyname(const char* name);

Структура, возвращаемая этими функциями, должна как минимум содержать следующие элементы.

char *h_name; /* Имя узла */

char **h_aliases; /* Перечень псевдонимов (nicknames) */

int h_addrtype; /* Тип адреса */

int h_length; /* Длина адреса в байтах */

char **h_addr_list /* Перечень адреса (сетевой порядок байтов) */

Если в базе данных нет элемента, соответствующего заданному узлу или адресу, информационные функции вернут пустой указатель.

Аналогично информацию, касающуюся сервисов и связанных номеров портов, можно получить с помощью информационных функций сервисов:

struct servent *getservbyname(const char *name, const char *proto);

struct servent *getservbyport(int port, const char *proto);

Параметр

задает протокол, который будет применяться для подключения к сервису, либо "tcp" для TCP-соединений типа , либо "udp" для UDP-дейтаграмм типа .

Структура

содержит как минимум следующие элементы:

char *s_name; /* Имя сервиса */

char **s_aliases; /* Список псевдонимов (дополнительных имен) */

int s_port; /* Номер IP-порта */

char *s_proto; /* Тип сервиса, обычно "tcp" или "udp" */

Вы можете собрать воедино информацию о компьютере из базы данных сетевых узлов, вызвав функцию

и выведя ее результаты. Учтите, что адрес необходимо преобразовать в соответствующий тип и перейти от сетевого упорядочивания к пригодной для вывода строке с помощью преобразования , определенного следующим образом:

#include

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

Функция преобразует адрес интернет-узла в строку формата четверки чисел с точками. В случае ошибки она возвращает -1, но в стандарте POSIX не определены конкретные ошибки. Еще одна новая функция, которую вы примените, -

:

int gethostname(char *name, int name length);

Эта функция записывает имя текущего узла в строку, заданную параметром

. Имя узла будет нуль-терминированной строкой. Аргумент содержит длину строкового имени и, если возвращаемое имя узла превысит эту длину, оно будет обрезано. Функция возвращает 0 в случае успешного завершения и -1 в случае ошибки. И снова ошибки в стандарте POSIX не определены.

Выполните упражнение 15.5.

Упражнение 15.5. Сетевая информация

Данная программа getname.c получает сведения о компьютере.

1. Как обычно, вставьте соответствующие заголовочные файлы и объявите переменные:

char *host, **names, **addrs;

2. Присвойте переменной

значение аргумента, предоставляемого при вызове программы , или по умолчанию имя машины пользователя:

3. Вызовите функцию gethostbyname и сообщите об ошибке, если никакая информация не найдена:

fprintf(stderr, "cannot get info for host: %s\n", host);

4. Отобразите имя узла и любые псевдонимы, которые у него могут быть:

printf("results for host %s:\n", host);

printf("Name: %s\n", hostinfo->h_name);

printf(" %s", *names); names++;

5. Если запрашиваемый узел не является IP-узлом, сообщите об этом и завершите выполнение:

if (hostinfo->h_addrtype != AF_INET) {

fprintf(stderr, "not an IP host!\n");

6. В противном случае выведите IP-адрес (адреса):

addrs = hostinfo->h_addr_list;

printf(" %s", inet_ntoa(*(struct in_addr*)*addrs));

Для определения узла по заданному IP-адресу можно применить функцию

. Вы можете использовать ее на сервере для того, чтобы выяснить, откуда клиент запрашивает соединение.

Как это работает

Программа getname вызывает функцию gethostbyname для извлечения сведений об узле из базы данных сетевых узлов. Она выводит имя компьютера, его псевдонимы (другие имена, под которыми известен компьютер) и IP-адреса, которые он использует в своих сетевых интерфейсах. На одной из машин авторов выполнение примера и указание в качестве аргумента имени tilde привело к выводу двух интерфейсов: сети Ethernet и модемной линии связи.

Когда используется имя узла

, задается виртуальная сеть:

Теперь вы можете изменить свою программу-клиента для соединения с любым именованным узлом сети. Вместо подключения к серверу из вашего примера, вы соединитесь со стандартным сервисом и сможете извлечь номер порта.

Большинство систем UNIX и некоторые ОС Linux делают доступными свои системные время и дату в виде стандартного сервиса с именем

. Клиенты могут подключаться к этому сервису для выяснения мнения сервера о текущих времени и дате. В упражнении 15:6 приведена программа-клиент getdate.c, именно это и делающая. Упражнение 15.6. Подключение к стандартному сервису

1. Начните с обычных директив

и объявлений:

int main(int argc, char *argv) {

2. Найдите адрес узла и сообщите об ошибке, если адрес не найден:

hostinfo = gethostbyname(host);

3. Убедитесь, что на компьютере есть сервис

:

servinfo = getservbyname("daytime", "tcp");

printf("daytime port is %d\n", ntohs(servinfo->s_port));

4. Создайте сокет:

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

5. Сформируйте адрес для соединения:

address.sin_family = AF_INET;

address.sin_port = servinfo->s_port;

address.sin_addr = *(struct in_addr *)*hostinfo->h_addr_list;

6. Затем подключитесь и получите информацию:

result = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, len);

result = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer));

Вы можете применять программу

для получения времени суток с любого известного узла сети.

read 26 bytes: 24 JUN 2007 06:03:03 BST

Если вы получаете сообщение об ошибке, такое как

oops: getdate: Connection refused

oops: getdate: No such file or directory

причина может быть в том, что на компьютере, к которому вы подключаетесь, не включен сервис

. Такое поведение стало стандартным для большинства современных систем Linux. В следующем разделе вы увидите, как включать этот и другие сервисы.

Как это работает

При выполнении данной программы можно задать узел, к которому следует подключиться. Номер порта сервиса

определяется функцией сетевой базы данных , которая возвращает сведения о сетевых сервисах таким же способом, как и при получении информации об узле сети. Программа пытается соединиться с адресом, который указан первым в списке дополнительных адресов заданного узла. Если соединение успешно, программа считывает сведения, возвращаемые сервисом daytime, символьную строку, содержащую системные дату и время.

Интернет-демон (xinetd/inetd)

Системы UNIX, предоставляющие ряд сетевых сервисов, зачастую делают это с помощью суперсервера. Эта программа (интернет-демон xinetd или inetd) ожидает одновременно запросы на соединения с множеством адресов портов. Когда клиент подключается к сервису, программа-демон запускает соответствующий сервер. При таком подходе серверам не нужно работать постоянно, они могут запускаться по требованию.

Примечание

В современных системах Linux роль интернет-демона исполняет программа xinetd. Она заменила оригинальную UNIX-программу inetd, которую вы все еще можете встретить в более ранних системах Linux и других UNIX-подобных системах.

Программа xinetd обычно настраивается с помощью пользовательского графического интерфейса для управления сетевыми сервисами, но вы можете изменять и непосредственно файлы конфигурации программы. К ним относятся файл /etc/xinetd.conf и файлы в каталоге /etc/xinetd.d.

У каждого сервиса, предоставляемого программой xinetd, есть файл конфигурации в каталоге /etc/xinetd.d. Программа xinetd считает все эти файлы конфигурации во время запуска и повторно при получении соответствующей команды.

.

# По умолчанию: отключен

# Описание: сервер daytime. Это версия tcp.

Следующий файл конфигурации предназначен для сервиса передачи файлов.

# По умолчанию: отключен

# FTP-сервер vsftpd обслуживает FTP-соединения. Он использует

# для аутентификации обычные, незашифрованные имена пользователей и

# пароли, vsftpd спроектирован для безопасной работы.

# Примечание: этот файл содержит конфигурацию запуска vsftpd для xinetd.

# Файл конфигурации самой программы vsftpd находится в

# log_on_success += DURATION USERID

, к которому подключается программа , обычно обрабатывается самой программой xinetd (он помечен как внутренний) и может включаться с помощью как сокетов типа (tcp), так и сокетов типа (udp).

Сервис передачи файлов

подключается только сокетами типа и предоставляется внешней программой, в данном случае vsftpd. Демон будет запускать эту внешнюю программу, когда клиент подключится к порту .

Для активизации конфигурационных изменений сервиса можно отредактировать конфигурацию xinetd и отправить сигнал отбоя (hang-up) процессу-демону, но мы рекомендуем использовать более дружелюбный способ настройки сервисов. Для того чтобы разрешить вашему клиенту подключаться к сервису

, включите этот сервис с помощью средств, предоставляемых системой Linux. В системах SUSE и openSUSE сервисы можно настраивать из SUSE Control Center (Центр управления SUSE), как показано на рис. 15.1. У версий Red Hat (и Enterprise Linux, и Fedora) есть похожий интерфейс настройки. В нем сервис включается для TCP- и UDP-запросов.

Рис. 15.1

Для систем, применяющих программу inetd вместо xinetd, далее приведено эквивалентное извлечение из файла конфигурации inetd, /etc/inetd.conf, которое программа inetd использует для принятия решения о запуске серверов:

#

# Echo, discard, daytime и chargen используются в основном для

daytime stream tcp nowait root internal

daytime dgram udp wait root internal

# Это стандартные сервисы.

ftp stream tcp-nowait root /usr/sbin/tcpd /usr/sbin/wu.ftpd

telnet stream tcp nowait root /usr/sbin/tcpd /usr/sbin/in.telnetd

# Конец файла inetd.conf.

Обратите внимание на то, что в нашем примере сервис ftp предоставляется внешней программой wu.ftpd. Если в вашей системе выполняется демон inetd, вы можете изменить набор предоставляемых сервисов, отредактировав файл /etc/inetd.conf (знак # в начале строки указывает на то, что это строка комментария) и перезапустив процесс inetd. Сделать это можно, отправив сигнал отбоя (hang-up) с помощью команды

. Для облегчения этого процесса некоторые системы настроены так, что программа inetd записывает свой ID в файл. В противном случае можно применить команду :

Параметры сокета

Существует много параметров, которые можно применять для управления поведением соединений на базе сокетов - слишком много для подробного описания в этой главе. Для манипулирования параметрами используют функцию

:

#include

int setsockopt(int socket, int level, int option_name,

const void *option value, size_t option len);

Задавать параметры можно на разных уровнях иерархии протоколов. Для установки параметров на уровне сокета вы должны задать

равным . Для задания параметров на более низком уровне протоколов (TCP, UDP и т.д.) приравняйте параметр level номеру протокола (полученному либо из заголовочного файла netinet/in.h, либо из функции ).

В аргументе

указывается имя задаваемого параметра, аргумент содержит произвольное значение длиной байтов, передаваемое без изменений обработчику низкоуровневого протокола.

Параметры уровня сокета определены в заголовочном файле sys/socket.h и включают приведенные в табл. 15.4 значения.

Таблица 15.5

Параметры

и принимают целое значение для установки или включения (1) и сброса или выключения (0). Для параметра нужна структура типа , определенная в файле sys/socket.h и задающая состояние параметра и величину интервала задержки. возвращает 0 в случае успеха и -1 в противном случае. На страницах интерактивного справочного руководства описаны дополнительные параметры и ошибки.

Множественные клиенты

До сих пор в этой главе вы видели, как применяются сокеты для реализации клиент-серверных систем, как локальных, так действующих, в сети. После установки соединения на базе сокетов они ведут себя как низкоуровневые открытые файловые дескрипторы и во многом как двунаправленные каналы.

Теперь необходимо рассмотреть случай множественных клиентов, одновременно подключающихся к серверу. Вы видели, что, когда серверная программа принимает от клиента запрос на соединение, создается новый сокет, а исходный сокет, ожидающий запросы на соединение, остается доступен для последующих запросов. Если сервер не сможет немедленно принять поступившие позже запросы на соединения, они сохранятся в очереди ожидания.

Тот факт, что исходный сокет все еще доступен, и что сокеты ведут себя как файловые дескрипторы, дает нам метод одновременного обслуживания многих клиентов. Если сервер вызовет функцию

для создания своей второй копии, открытый сокет будет унаследован новым дочерним процессом. Далее он сможет обмениваться данными с подключившимся клиентом, в то время как основной сервер продолжит прием последующих запросов на соединение. В действительности в вашу программу сервера нужно внести очень простое изменение, показанное в упражнении 15.7.

Поскольку вы создаете дочерние процессы, но не ждете их завершения, следует сделать так, чтобы сервер игнорировал сигналы

, препятствуя возникновению процессов-зомби. Упражнение 15.7. Сервер для многочисленных клиентов

1. Программа server4.c начинается так же, как последний рассмотренный сервер с важным добавлением директивы

для заголовочного файла signal.h. Переменные и процедуры создания и именования сокета остались прежними:

int server_sockfd, client_sockfd;

struct sockaddr_in server_address;

struct sockaddr_in client_address;

server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

server_address.sin_family = AF_INET;

server_address.sin_port = htons(9734);

server_len = sizeof(server_address);

bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len);

2. Создайте очередь соединений, игнорируйте подробности завершения дочернего процесса и ждите запросов клиентов:

listen(server_sockfd, 5);

signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

printf("server waiting\n");

3. Примите запрос на соединение:

client_len = sizeof(client_address);

client_sockfd = accept(server_sockfd,

(struct_sockaddr*)&client_address, &client_len);

4. Вызовите

с целью создания процесса для данного клиента и выполните проверку, чтобы определить, родитель вы или потомок: . Пятисекундная задержка нужна для того, чтобы это продемонстрировать:

read(client_sockfd, &ch, 1);

write(client_sockfd, &ch, 1);

close(client_sockfd);

6. В противном случае вы должны быть родителем и ваша работа с данным клиентом закончена:

close(client_socket);

Код включает пятисекундную задержку при обработке запроса клиента для имитации вычислений сервера или обращения к базе данных. Если бы вы проделали это в предыдущем сервере, каждое выполнение программы client3 заняло бы пять секунд. С новым сервером вы сможете обрабатывать множественные клиентские программы client3 параллельно с общим затраченным временем, чуть превышающим пять секунд.

$ ./client3 & ./client3 & ./client3 & ps x

Как это работает

Теперь серверная программа создает новый дочерний процесс для обработки каждого клиента, поэтому вы можете видеть несколько сообщений об ожидании сервера, поскольку основная программа продолжает ждать новые запросы на подключения. В выводе команды

(отредактированном) показан главный процесс server4 с PID, равным 26 566, который ожидает новых клиентов, в то время, как три клиентских процесса client3 обслуживаются тремя потомками сервера. После пятисекундной паузы все клиенты получают свои результаты и завершаются. Дочерние серверные процессы тоже завершаются, оставляя только один главный серверный процесс.

Серверная программа применяет вызов

для обработки множественных клиентов. В приложении для работы с базой данных это может быть не самым удачным решением, т.к. серверная программа может быть довольно большой, и, кроме того, существует проблема координации обращений к базе данных множественных копий сервера. На самом деле, все, что вам нужно, - это способ обработки множественных клиентов единственным сервером без блокировки и ожидания доставки клиентских запросов. Решение этой задачи включает одновременную обработку множественных открытых файловых дескрипторов и не ограничено только приложениями с применением сокетов. Рассмотрим функцию .

select

Очень часто при разработке приложений Linux вам может понадобиться проверка состояния ряда вводов для того, чтобы определить следующее предпринимаемое действие. Например, программа обмена данными, такая как эмулятор терминала, нуждается в эффективном способе одновременного чтения с клавиатуры и с последовательного порта. В однопользовательской системе подойдет цикл "активного ожидания", многократно просматривающий ввод в поиске данных и читающий их, как только они появятся. Такое поведение очень расточительно в отношении времени ЦП.

Системный вызов

позволяет программе ждать прибытия данных (или завершения вывода) одновременно на нескольких низкоуровневых файловых дескрипторах. Это означает, что программа эмулятора терминала может блокироваться до тех пор, пока у нее не появится работа. Аналогичным образом сервер может иметь дело с многочисленными клиентами, ожидая запросы одновременно на многих открытых сокетах. оперирует структурами данных , представляющими собой множества открытых файловых дескрипторов. Для обработки этих множеств определен набор макросов:

#include #include

void FD_ZERO(fd_set *fdset);

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

Как и предполагается в соответствии с их именами, макрос

инициализирует структуру пустым множеством, и задают и очищают элементы множества, соответствующего файловому дескриптору, переданному как параметр , а макрос возвращает ненулевое значение, если файловый дескриптор, на который ссылается , является элементом структуры , на которую указывает параметр . Максимальное количество файловых дескрипторов в структуре типа задается константой . может также использовать значение для времени ожидания, чтобы помешать бесконечной блокировке. Это значение задается с помощью структуры . Она определена в файле sys/time.h и содержит следующие элементы:

time_t tv_sec; /* Секунды */

long tv_usec; /* Микросекунды */

, определенный в файле sys/types.h, - целочисленный. Системный вызов объявляется следующим образом:

#include

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,

fd_set *errorfds, struct timeval *timeout);

Вызов . Если параметр - пустой указатель и нет активности на сокетах, вызов может быть заблокирован на неопределенное время. возвращает управление программе, множества дескрипторов будут модифицированы для того, чтобы указать на готовые к чтению или записи или имеющие ошибки дескрипторы. Для их проверки следует использовать макрос , позволяющий определить, какие дескрипторы требуют внимания. Можно изменить значение timeout для того, чтобы показать время, остающееся до следующего превышения времени ожидания, но такое поведение не задано стандартом X/Open. При превышении времени ожидания все множества дескрипторов будут очищены.

Вызов select возвращает общее количество дескрипторов в модифицированных множествах. В случае сбоя он вернет -1 и установит значение переменной

, описывающее ошибку. Возможные ошибки - Выполните упражнение 15.8. Упражнение 15.8. Функция

Далее для демонстрации применения функции select приведена программа select.c. Более сложный пример вы увидите чуть позже. Программа читает данные с клавиатуры (стандартный ввод - дескриптор 0) со временем ожидания 2,5 секунды. Данные читаются только тогда, когда ввод готов. Естественно расширить программу, включив в зависимости от характера приложения другие дескрипторы, такие как последовательные каналы (serial lines) и сокеты.

1. Начните как обычно с директив

и объявлений, а затем инициализируйте для обработки ввода с клавиатуры:

2. Подождите ввод из файла stdin в течение максимум 2,5 секунд:

result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set *)NULL,

3. Спустя это время проверьте

. Если ввода не было, программа выполнит цикл еще раз. Если в нем возникла ошибка, программа завершается:

4. Если во время ожидания у вас наблюдаются некоторые действия, связанные с файловым дескриптором, читайте ввод из stdin и выводите его при каждом получении символа EOL (конец строки), до нажатой комбинации клавиш +:

$ Сервер может применять функцию

одновременно к сокету, ожидающему запросы на подключение, и к сокетам клиентских соединений. Как только активность зафиксирована, можно использовать макрос для проверки в цикле всех возможных файловых дескрипторов и выявления активных среди них.

Если сокет, ожидающий запросов на подключение, готов к вводу, это означает, что клиент пытается подсоединиться, и вы можете вызывать функцию

без риска блокировки. Если клиентский дескриптор указывает на готовность, это означает, что есть запрос клиента, ждущий, что вы сможете прочесть и обработать его. Чтение 0 байтов означает, что клиентский процесс завершился, и вы можете закрыть сокет и удалить его из множества своих дескрипторов.

Выполните упражнение 15.9.

Упражнение 15.9. Улучшенное клиент-серверное приложение

1. В финальный пример программы server5.с вы включите заголовочные файлы sys/time.h и sys/ioctl.h вместо signal.h, использованного в предыдущей программе, и объявите несколько дополнительных переменных для работы с вызовом

:

int server_sockfd, client_sockfd;

struct sockaddr_in server_address;

struct sockaddr_in client_address;

2. Создайте сокет для сервера и присвойте ему имя:

server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

server_address.sin_family = AF_INET;

server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

server_address.sin_port = htons(9734);

server_len = sizeof(server_address);

bind(serversockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len);

3. Создайте очередь запросов на соединение и инициализируйте множество

для обработки ввода с сокета

server_sockfd

6. Если зафиксирована активность на

, это может быть запрос на новое соединение, и вы добавляете в множество дескрипторов соответствующий :

client_len = sizeof(client_address);

client_sockfd = accept(server_sockfd,

(struct sockaddr*)&client_address, &client_len);

FD_SET(client_sockfd, &readfds);

printf("adding client on fd %d\n", client_sockfd);

Если активен не сервер, значит, активность проявляет клиент. Если получен

, клиент исчезает, и можно удалить его из множества дескрипторов. В противном случае вы "обслуживаете" клиента, как и в предыдущих примерах.

printf("removing client on fd %d\n", fd);

Для полноты аналогии, упомянутой в начале главы, в табл. 15.5 приведены параллели между соединениями на базе сокетов и телефонными переговорами.

Таблица 15.5

Дейтаграммы

В этой главе мы сосредоточились на программировании приложений, поддерживающих связь со своими клиентами с помощью TCP-соединений на базе сокетов. Существуют ситуации, в которых затраты на установку и поддержку соединения с помощью сокетов излишни.

Хорошим примером может служить сервис

, использованный ранее в программе getdate.c. Вы создаете сокет, выполняете соединение, читаете единственный ответ и разрываете соединение. Столько операций для простого получения даты! так же доступен с помощью UDP-соединений, применяющих дейтаграммы. Для того чтобы воспользоваться им, просто пошлите сервису одну дейтаграмму и получите в ответ единственную дейтаграмму, содержащую дату и время. Все просто.

Сервисы, предоставляемые по UDP-протоколу, применяются в тех случаях, когда клиенту нужно создать короткий запрос к серверу, и он ожидает единственный короткий ответ. Если стоимость времени процессора достаточно низкая, сервер способен обеспечить такой сервис, обрабатывая запросы клиентов по одному и разрешая операционной системе хранить очередь входящих запросов. Такой подход упрощает программирование сервера.

Поскольку UDP - не дающий гарантий сервис, вы можете столкнуться с потерей вашей дейтаграммы или ответа сервера. Если данные важны для вас, возможно, придется тщательно программировать ваших UDP-клиентов, проверяя ошибки и при необходимости повторяя попытки. На практике в локальных сетях UDP-дейтаграммы очень надежны.

Для доступа к сервису, обеспечиваемому UDP-протоколом, вам следует применять системные вызовы

и , но вместо использования вызовов и для сокета вы применяете два системных вызова, характерных для дейтаграмм: и .

/* Начните с обычных include и объявлений. */

int main(int argc, char *argv) {

if (argc == 1) host = "localhost";

/* Ищет адрес хоста и сообщает об ошибке, если не находит. */

hostinfo = gethostbyname(host);

fprintf(stderr, "no host: %s\n", host);

/* Проверяет наличие на компьютере сервиса daytime. */

servinfo = getservbyname("daytime", "udp");

fprintf(stderr, "no daytime service\n");

printf("daytime port is %d\n", ntohs(servinfo->s_port));

/* Создает UDP-сокет. */

sockfd = socket(AF_INEТ, SOCK_DGRAM, 0);

/* Формирует адрес для использования в вызовах sendto/recvfrom... */

address.sin_family = AF_INET;

address.sin_port = servinfo->s_port;

address.sin_addr = *(struct in_addr*)*hostinfo->h_addr_list;

result = sendto(sockfd, buffer, 1, 0, (struct sockaddr *)&address, len);

result = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0,

(struct sockaddr *)&address, &len);

printf("read %d bytes: %s", result, buffer);

Как видите, необходимы лишь незначительные изменения. Как и раньше, вы ищете сервис

с помощью вызова , но задаете дейтаграммный сервис, запрашивая UDP-протокол. Дейтаграммный сокет создается с помощью вызова с параметром . Адрес назначения задается, как и раньше, но теперь вместо чтения из сокета вы должны послать дейтаграмму.

Поскольку вы не устанавливаете явное соединение с сервисами на базе UDP, у вас должен быть способ оповещения сервера о том, что вы хотите получить ответ. В данном случае вы посылаете дейтаграмму (в нашем примере вы отправляете один байт из буфера, в который вы хотите получить ответ) сервису и он посылает в ответ дату и время.

Системный вызов

отправляет дейтаграмму из буфера на сокет, используя адрес сокета и длину адреса. У этого вызова фактически следующий прототип:

int sendto(int sockfd, void *buffer, size_t len, int flags,

struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

В случае обычного применения параметр

можно оставлять нулевым.

Системный вызов recvfrom ожидает дейтаграмму в соединении сокета с заданным адресом и помещает ее в буфер. У этого вызова следующий прототип:

int recvfrom(int sockfd, void *buffer, size_t len, int flags, и времени ожидания, позволяющих определить, поступили ли данные, так же, как в случае серверов с устанавливаемыми соединениями. В противном случае можно применить сигнал тревоги для прерывания операции получения данных (см. главу 11).

Резюме

В этой главе мы предложили еще один способ взаимодействия процессов - сокеты. Они позволяют разрабатывать по-настоящему распределенные клиент-серверные приложения, которые выполняются в сетевой среде. Было дано краткое описание некоторых информационных функций базы данных сетевых узлов и способы обработки в системе Linux стандартных системных сервисов с помощью интернет-демонов. Вы проработали ряд примеров клиент-серверных программ, демонстрирующих обработку и сетевую организацию множественных клиентов.

В заключение вы познакомились с системным вызовом

, позволяющим уведомлять программу об активности ввода и вывода сразу на нескольких открытых файловых дескрипторах и сокетах.

Мне очень нравится весь цикл статей, плюс всегда хотелось попробовать себя в качестве переводчика. Возможно, опытным разработчикам статья покажется слишком очевидной, но, как мне кажется, польза от нее в любом случае будет.
Первая статья - http://habrahabr.ru/post/209144/

Прием и передача пакетов данных

Введение

Привет, меня зовут Гленн Фидлер и я приветствую вас в своей второй статье из цикла “Сетевое программирование для разработчиков игр”.

В предыдущей статье мы обсудили различные способы передачи данных между компьютерами по сети, и в конце решили использовать протокол UDP, а не TCP. UDP мы решили использовать для того, чтобы иметь возможность пересылать данные без задержек, связанных с ожиданием повторной пересылки пакетов.

А сейчас я собираюсь рассказать вам, как на практике использовать UDP для отправки и приема пакетов.

BSD сокеты

В большинстве современных ОС имеется какая-нибудь реализация сокетов, основанная на BSD сокетах (сокетах Беркли).

Сокеты BSD оперируют простыми функциями, такими, как “socket”, “bind”, “sendto” и “recvfrom”. Конечно, вы можете обращаться к этим функциями напрямую, но в таком случае ваш код будет зависим от платформы, так как их реализации в разных ОС могут немного отличаться.

Поэтому, хоть я далее и приведу первый простой пример взаимодействия с BSD сокетами, в дальнейшем мы не будем использовать их напрямую. Вместо этого, после освоения базового функционала, мы напишем несколько классов, которые абстрагируют всю работу с сокетами, чтобы в дальнейшем наш код был платформонезависимым.

Особенности разных ОС

Для начала напишем код, который будет определять текущую ОС, чтобы мы могли учесть различия в работе сокетов:

// platform detection #define PLATFORM_WINDOWS 1 #define PLATFORM_MAC 2 #define PLATFORM_UNIX 3 #if defined(_WIN32) #define PLATFORM PLATFORM_WINDOWS #elif defined(__APPLE__) #define PLATFORM PLATFORM_MAC #else #define PLATFORM PLATFORM_UNIX #endif
Теперь подключим заголовочные файлы, нужные для работы с сокетами. Так как набор необходимых заголовочных файлов зависит от текущей ОС, здесь мы используем код #define, написанный выше, чтобы определить, какие файлы нужно подключать.

#if PLATFORM == PLATFORM_WINDOWS #include #elif PLATFORM == PLATFORM_MAC || PLATFORM == PLATFORM_UNIX #include #include #include #endif
В UNIX системах функции работы с сокетами входят в стандартные системные библиотеки, поэтому никакие сторонние библиотеки нам в этом случае не нужны. Однако в Windows для этих целей нам нужно подключить библиотеку winsock.

Вот небольшая хитрость, как можно это сделать без изменения проекта или makefile’а:

#if PLATFORM == PLATFORM_WINDOWS #pragma comment(lib, "wsock32.lib") #endif
Мне нравится этот прием потому, что я ленивый. Вы, конечно, можете подключить библиотеку в проект или в makefile.

Инициализация сокетов

В большинстве unix-like операционных систем (включая macosx) не требуется никаких особых действий для инициализации функционала работы с сокетами, но в Windows нужно сначала сделать пару па - нужно вызвать функцию “WSAStartup” перед использованием любых функций работы с сокетами, а после окончания работы - вызвать “WSACleanup”.

Давайте добавим две новые функции:

Inline bool InitializeSockets() { #if PLATFORM == PLATFORM_WINDOWS WSADATA WsaData; return WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &WsaData) == NO_ERROR; #else return true; #endif } inline void ShutdownSockets() { #if PLATFORM == PLATFORM_WINDOWS WSACleanup(); #endif }
Теперь мы имеем независимый от платформы код инициализации и завершения работы с сокетами. На платформах, которые не требуют инициализации, данный код просто не делает ничего.

Создаем сокет

Теперь мы можем создать UDP сокет. Это делается так:

Int handle = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); if (handle <= 0) { printf("failed to create socket\n"); return false; }
Далее мы должны привязать сокет к определенному номеру порта (к примеру, 30000). У каждого сокета должен быть свой уникальный порт, так как, когда приходит новый пакет, номер порта определяет, какому сокету его передать. Не используйте номера портов меньшие, чем 1024 - они зарезервированы системой.

Если вам все равно, какой номер порта использовать для сокета, вы можете просто передать в функцию “0”, и тогда система сама выделит вам какой-нибудь незанятый порт.

Sockaddr_in address; address.sin_family = AF_INET; address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; address.sin_port = htons((unsigned short) port); if (bind(handle, (const sockaddr*) &address, sizeof(sockaddr_in)) < 0) { printf("failed to bind socket\n"); return false; }
Теперь наш сокет готов для передачи и приема пакетов данных.

Но что это за таинственная функция “htons” вызывается в коде? Это просто небольшая вспомогательная функция, которая переводит порядок следования байтов в 16-битном целом числе - из текущего (little- или big-endian) в big-endian, который используется при сетевом взаимодействии. Ее нужно вызывать каждый раз, когда вы используете целые числа при работе с сокетами напрямую.

Вы встретите функцию “htons” и ее 32-битного двойника - “htonl” в этой статье еще несколько раз, так что будьте внимательны.

Перевод сокета в неблокирующий режим

По умолчанию сокеты находится в так называемом “блокирующем режиме”. Это означает, что если вы попытаетесь прочитать из него данные с помощью “recvfrom”, функция не вернет значение, пока не сокет не получит пакет с данными, которые можно прочитать. Такое поведение нам совсем не подходит. Игры - это приложения, работающие в реальном времени, со скоростью от 30 до 60 кадров в секунду, и игра не может просто остановиться и ждать, пока не придет пакет с данными!

Решить эту проблему можно переведя сокет в “неблокирующий режим” после его создания. В этом режиме функция “recvfrom”, если отсутствуют данные для чтения из сокета, сразу возвращает определенное значение, показывающее, что нужно будет вызвать ее еще раз, когда в сокете появятся данные.

Перевести сокет в неблокирующий режим можно следующим образом:

#if PLATFORM == PLATFORM_MAC || PLATFORM == PLATFORM_UNIX int nonBlocking = 1; if (fcntl(handle, F_SETFL, O_NONBLOCK, nonBlocking) == -1) { printf("failed to set non-blocking socket\n"); return false; } #elif PLATFORM == PLATFORM_WINDOWS DWORD nonBlocking = 1; if (ioctlsocket(handle, FIONBIO, &nonBlocking) != 0) { printf("failed to set non-blocking socket\n"); return false; } #endif
Как вы можете видеть, в Windows нет функции “fcntl”, поэтому вместе нее мы используем “ioctlsocket”.

Отправка пакетов

UDP - это протокол без поддержки соединений, поэтому при каждой отправке пакета нам нужно указывать адрес получателя. Можно использовать один и тот же UDP сокет для отправки пакетов на разные IP адреса - на другом конце сокета не обязательно должен быть один компьютер.

Переслать пакет на определенный адрес можно следующим образом:

Int sent_bytes = sendto(handle, (const char*)packet_data, packet_size, 0, (sockaddr*)&address, sizeof(sockaddr_in)); if (sent_bytes != packet_size) { printf("failed to send packet: return value = %d\n", sent_bytes); return false; }
Обратите внимание - возвращаемое функцией “sendto” значение показывает только, был ли пакет успешно отправлен с локального компьютера. Но оно не показывает, был ли пакет принят адресатом! В UDP нет средств для определения, дошел ли пакет по назначению или нет.

В коде, приведенном выше, мы передаем структуру “sockaddr_in” в качестве адреса назначения. Как нам получить эту структуру?

Допустим, мы хотим отправить пакет по адресу 207.45.186.98:30000.

Запишем адрес в следующей форме:

Unsigned int a = 207; unsigned int b = 45; unsigned int c = 186; unsigned int d = 98; unsigned short port = 30000;
И нужно сделать еще пару преобразований, чтобы привести его к форме, которую понимает “sendto”:

Unsigned int destination_address = (a << 24) | (b << 16) | (c << 8) | d; unsigned short destination_port = port; sockaddr_in address; address.sin_family = AF_INET; address.sin_addr.s_addr = htonl(destination_address); address.sin_port = htons(destination_port);
Как видно, сначала мы объединяем числа a, b, c, d (которые лежат в диапазоне ) в одно целое число, в котором каждый байт - это одно из исходных чисел. Затем мы инициализируем структуру “sockaddr_in” нашими адресом назначения и портом, при этом не забыв конвертировать порядок байтов с помощью функций “htonl” и “htons”.

Отдельно стоит выделить случай, когда нужно передать пакет самому себе: при этом не нужно выяснять IP адрес локальной машины, а можно просто использовать 127.0.0.1 в качестве адреса (адрес локальной петли), и пакет будет отправлен на локальный компьютер.

Прием пакетов

После того, как мы привязали UDP сокет к порту, все UDP пакеты, приходящие на IP адрес и порт нашего сокета, будут ставиться в очередь. Поэтому для приема пакетов мы просто в цикле вызываем “recvfrom”, пока он не выдаст ошибку, означающую, что пакетов для чтения в очерели не осталось.

Так как протокол UDP не поддерживает соединения, пакеты могут приходить с множества различных компьютеров сети. Каждый раз, когда мы принимаем пакет, функция “recvfrom” выдает нам IP адрес и порт отправителя, и поэтому мы знаем, кто отправил этот пакет.

Код приема пакетов в цикле:

While (true) { unsigned char packet_data; unsigned int maximum_packet_size = sizeof(packet_data); #if PLATFORM == PLATFORM_WINDOWS typedef int socklen_t; #endif sockaddr_in from; socklen_t fromLength = sizeof(from); int received_bytes = recvfrom(socket, (char*)packet_data, maximum_packet_size, 0, (sockaddr*)&from, &fromLength); if (received_bytes <= 0) break; unsigned int from_address = ntohl(from.sin_addr.s_addr); unsigned int from_port = ntohs(from.sin_port); // process received packet }
Пакеты, размер которых больше, чем размер буфера приема, будут просто втихую удалены из очереди. Так что, если вы используете буфер размером 256 байтов, как в примере выше, и кто-то присылает вам пакет в 300 байт, он будет отброшен. Вы не получите просто первые 256 байтов из пакета.

Но, поскольку мы пишем свой собственный протокол, для нас это не станет проблемой. Просто всегда будьте внимательны и проверяете, чтобы размер буфера приема был достаточно большим, и мог вместить самый большой пакет, который вам могут прислать.

Закрытие сокета

На большинстве unix-like систем, сокеты представляют собой файловые дескрипторы, поэтому для того, чтобы закрыть сокеты после использования, можно использовать стандартную функцию “close”. Однако, Windows, как всегда, выделяется, и в ней нам нужно использовать “closesocket”.

#if PLATFORM == PLATFORM_MAC || PLATFORM == PLATFORM_UNIX close(socket); #elif PLATFORM == PLATFORM_WINDOWS closesocket(socket); #endif
Так держать, Windows!

Класс сокета

Итак, мы разобрались со всеми основными операциями: создание сокета, привязка его к порту, перевод в неблокирующий режим, отправка и прием пакетов, и, в конце, закрытие сокета.

Но, как вы могли заметить, все эти операции немного отличаются от платформы к платформе, и, конечно, трудно каждый раз при работе с сокетами вспоминать особенности разных платформ и писать все эти #ifdef.

Поэтому мы сделаем класс-обертку “Socket” для всех этих операций. Также мы создадим класс “Address”, чтобы было проще работать с IP адресами. Он позволит не проводить все манипуляции с “sockaddr_in” каждый раз, когда мы захотим отправить или принять пакет.

Итак, наш класс Socket:

Class Socket { public: Socket(); ~Socket(); bool Open(unsigned short port); void Close(); bool IsOpen() const; bool Send(const Address & destination, const void * data, int size); int Receive(Address & sender, void * data, int size); private: int handle; };
И класс Address:

Class Address { public: Address(); Address(unsigned char a, unsigned char b, unsigned char c, unsigned char d, unsigned short port); Address(unsigned int address, unsigned short port); unsigned int GetAddress() const; unsigned char GetA() const; unsigned char GetB() const; unsigned char GetC() const; unsigned char GetD() const; unsigned short GetPort() const; bool operator == (const Address & other) const; bool operator != (const Address & other) const; private: unsigned int address; unsigned short port; };
Использовать их для приема и передачи нужно следующим образом:

// create socket const int port = 30000; Socket socket; if (!socket.Open(port)) { printf("failed to create socket!\n"); return false; } // send a packet const char data = "hello world!"; socket.Send(Address(127,0,0,1,port), data, sizeof(data)); // receive packets while (true) { Address sender; unsigned char buffer; int bytes_read = socket.Receive(sender, buffer, sizeof(buffer)); if (!bytes_read) break; // process packet }
Как видите, это намного проще, чем работать с BSD сокетами напрямую. И также этот код будет одинаков для всех ОС, потому весь платформозависимый функционал находится внутри классов Socket и Address.

Заключение

Теперь у нас есть независимый от платформы инструмент для отправки и према UDP пакетов.

UDP не поддерживает соединения, и мне хотелось сделать пример, который бы четко это показал. Поэтому я написал небольшую программу , которая считывает список IP адресов из текстового файла и рассылает им пакеты, по одному в секунду. Каждый раз, когда программа принимает пакет, она выводит в консоль адрес и порт компьютера-отправителя и размер принятого пакета.

Вы можете легко настроить программу так, чтобы даже на локальной машине получить несколько узлов, обменивающихся пакетами друг с другом. Для этого просто разным экземплярам программы задайте разные порты, например:

> Node 30000
> Node 30001
> Node 30002
И т.д…

Каждый из узлов будет пересылать пакеты всем остальным узлам, образуя нечто вроде мини peer-to-peer системы.

Я разрабатывал эту программу на MacOSX, но она должна компилироваться на любой unix-like ОС и на Windows, однако если вам для этого потребуется делать какие-либо доработки, сообщите мне.

Теги: Добавить метки

Последнее обновление: 31.10.2015

В основе межсетевых взаимодействий по протоколам TCP и UDP лежат сокеты. В.NET сокеты представлены классом System.NET.Sockets.Socket , который предоставляет низкоуровневый интерфейс для приема и отправки сообщений по сети.

Рассмотрим основные свойства данного класса:

AddressFamily: возвращает все адреса, используемые сокетом. Данное свойство представляет одно из значений, определенных в одноименном перечислении AddressFamily . Перечисление содержит 18 различных значений, наиболее используемые:

• InterNetwork: адрес по протоколу IPv4

  InterNetworkV6: адрес по протоколу IPv6

  Ipx: адрес IPX или SPX

  NetBios: адрес NetBios

Available: возвращает объем данных, которые доступны для чтения

Connected: возвращает true, если сокет подключен к удаленному хосту

LocalEndPoint: возвращает локальную точку, по которой запущен сокет и по которой он принимает данные

ProtocolType: возвращает одно из значений перечисления ProtocolType , представляющее используемый сокетом протокол. Есть следующие возможные значения:

• IPSecAuthenticationHeader (Заголовок IPv6 AH)

  IPSecEncapsulatingSecurityPayload (Заголовок IPv6 ESP)

  IPv6DestinationOptions (Заголовок IPv6 Destination Options)

  IPv6FragmentHeader (Заголовок IPv6 Fragment)

  IPv6HopByHopOptions (Заголовок IPv6 Hop by Hop Options)

  IPv6NoNextHeader (Заголовок IPv6 No next)

  IPv6RoutingHeader (Заголовок IPv6 Routing)

  Unknown (неизвестный протокол)

  Unspecified (неуказанный протокол)

Каждое значение представляет соответствующий протокол, но наиболее используемыми являются Tcp и Udp.

RemoteEndPoint: возвращает адрес удаленного хоста, к которому подключен сокет

SocketType: возвращает тип сокета. Представляет одно из значений из перечисления SocketType :

• Dgram: сокет будет получать и отправлять дейтаграммы по протоколу Udp. Данный тип сокета работает в связке с типом протокола - Udp и значением AddressFamily.InterNetwork

  Raw: сокет имеет доступ к нижележащему протоколу транспортного уровня и может использовать для передачи сообщений такие протоколы, как ICMP и IGMP

  Rdm: сокет может взаимодействовать с удаленными хостами без установки постоянного подключения. В случае, если отправленные сокетом сообщения невозможно доставить, то сокет получит об этом уведомление

  Seqpacket: обеспечивает надежную двустороннюю передачу данных с установкой постоянного подключения

  Stream: обеспечивает надежную двустороннюю передачу данных с установкой постоянного подключения. Для связи используется протокол TCP, поэтому этот тип сокета используется в паре с типом протокола Tcp и значением AddressFamily.InterNetwork

  Unknown: адрес NetBios

Для создания объекта сокета можно использовать один из его конструкторов. Например, сокет, использующий протокол Tcp:

Socket socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

Или сокет, использующий протокол Udp:

Socket socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);

Таким образом, при создании сокета мы можем указывать разные комбинации протоколов, типов сокета, значений из перечисления AddressFamily. Однако в то же время не все комбинации являются корректными. Так, для работы через протокол Tcp, нам надо обязательно указать параметры: AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream и ProtocolType.Tcp. Для Udp набор параметров будет другим: AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram и ProtocolType.Udp. Для других протоколов набор значений будет отличаться. Поэтому использование сокетов может потребовать некоторого знания принципов работы отдельных протоколов. Хотя в отношении Tcp и Udp все относительно просто.

Общий принцип работы сокетов

При работе с сокетами вне зависимости от выбранных протоколов мы будем опираться на методы класса Socket:

Accept() : создает новый объект Socket для обработки входящего подключения

Bind() : связывает объект Socket с локальной конечной точкой

Close() : закрывает сокет

Connect() : устанавливает соединение с удаленным хостом

Listen() : начинает прослушивание входящих запросов

Poll() : определяет состояние сокета

Receive() : получает данные

Send() : отправляет данные

Shutdown() : блокирует на сокете прием и отправку данных

В зависимости от применяемого протокола (TCP, UDP и т.д.) общий принцип работы с сокетами будет немного различаться.

При применении протокола, который требует установление соединения, например, TCP, сервер должен вызвать метод Bind для установки точки для прослушивания входящих подключений и затем запустить прослушивание подключений с помощью метода Listen. Далее с помощью метода Accept можно получить входящие запросы на подключение в виде объекта Socket, который используется для взаимодействия с удаленным узла. У полученного объекта Socket вызываются методы Send и Receive соответственно для отправки и получения данных. Если необходимо подключиться к серверу, то вызывается метод Connect. Для обмена данными с сервером также применяются методы Send или Receive.

Если применяется протокол, для которого не требуется установление соединения, например, UDP, то после вызова метода Bind не надо вызывать метод Listen. И в этом случае для приема данных используется метод ReceiveFrom, а для отправки данных - метод SendTo.

ВСЕВОЛОД СТАХОВ

Программирование сокетов

Подавляющее большинство сетевых серверных программ организовано с использованием сокетов. По сути дела, сокеты аналогичны файловым дескрипторам с одним очень важным отличием - сокеты служат для общения между приложениями либо в сети, либо на локальной машине. Таким образом, для программиста нет проблемы с доставкой данных, за него это делают сокеты. Необходимо только позаботиться о том, чтобы параметры сокетов у двух приложений совпадали.

Таким образом, сетевые сокеты представляют собой парные структуры, жёстко между собой синхронизированные. Для создания сокетов в любой операционной системе, поддерживающей их, используется функция socket (к счастью, сокеты достаточно стандартизированы, поэтому их можно использовать для передачи данных между приложениями, работающими на разных платформах). Формат функции таков:

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

Параметр domain задаёт тип транспортного протокола, т.е. протокола доставки пакетов в сети. В настоящее время поддерживаются следующие протоколы (но учтите, что для разных типов протокола тип адресной структуры будет разный):

• PF_UNIX или PF_LOCAL – локальная коммуникация для ОС UNIX (и подобных).
• PF_INET – IPv4, IP -протокол Интернета, наиболее распространён сейчас (32-х битный адрес).
• PF_INET6 – IPv6, следующее поколение протокола IP (IPng) – 128 битный адрес.
• PF_IPX – IPX – протоколы Novell.

Поддерживаются и другие протоколы, но эти 4 являются самыми популярными.

Параметр type означает тип сокета, т.е. то, как будут передаваться данные: обычно применяется константа SOCK_STREAM, её использование означает безопасную передачу данных двунаправленным потоком с контролем ошибок. При таком способе передачи данных программисту не приходится заботиться об обработке ошибок сети, хотя это не уберегает от логических ошибок, что актуально для сетевого сервера.

Параметр protocol определяет конкретный тип протокола для данного domain, например IPPROTO_TCP или IPPROTO_UDP (параметр type должен в данном случае быть SOCK_DGRAM).

Функция socket просто создаёт конечную точку и возвращает дескриптор сокета; до того, как сокет не соединён с удалённым адресом функцией connect, данные через него пересылать нельзя! Если пакеты теряются в сети, т.е. произошло нарушение связи, то приложению, создавшему сокет, посылается сигнал Broken Pipe – SIGPIPE, поэтому целесообразно присвоить обработчик данному сигналу функцией signal. После того, как сокет соединён с другим функцией connect, по нему можно пересылать данные либо стандартными функциями read – write, либо специализированными recv – send. После окончания работы сокет надо закрыть функцией close. Для создания клиентского приложения достаточно связать локальный сокет с удалённым (серверным) функцией connect. Формат этой функции такой:

int connect(int sock_fd, const struct *sockaddr serv_addr, socketlen_t addr_len);

При ошибке функция возвращает -1, статус ошибки можно получить средствами операционной системы. При успешной работе возвращается 0. Сокет, однажды связанный, чаще всего не может быть связан снова, так, например, происходит в протоколе ip. Параметр sock_fd задаёт дескриптор сокета, структура serv_addr назначает удалённый адрес конечной точки, addr_len содержит длину serv_addr (тип socketlen_t имеет историческое происхождение, обычно он совпадает с типом int). Самый важный параметр в этой функции – адрес удалённого сокета. Он, естественно, неодинаков для разных протоколов, поэтому я опишу здесь структуру адреса только для IP (v4)-протокола. Для этого используется специализированная структура sockaddr_in (её необходимо прямо приводить к типу sockaddr при вызове connect). Поля данной структуры выглядят следующим образом:

struct sockaddr_in{

Sa_family_t sin_family; – определяет семейство адресов, всегда должно быть AF_INET

U_int16_t sin_port; – порт сокета в сетевом порядке байт

Struct in_addr sin_addr; – структура, содержащая IP-адрес

Структура, описывающая IP-адрес:

struct in_addr{

U_int32_t s_addr; – IP-адрес сокета в сетевом порядке байт

Обратите внимание на особый порядок байт во всех целых полях. Для перевода номера порта в сетевой порядок байт можно воспользоваться макросом htons (unsigned short port). Очень важно использовать именно этот тип целого – беззнаковое короткое целое.

Адреса IPv4 делятся на одиночные, широковещательные (broadcast) и групповые (multicast). Каждый одиночный адрес указывает на один интерфейс хоста, широковещательные адреса указывают на все хосты в сети, а групповые адреса соответствуют всем хостам в группе (multicast group). В структуре in_addr можно назначать любой из этих адресов. Но для сокетных клиентов в подавляющем большинстве случаев присваивают одиночный адрес. Исключением является тот случай, когда необходимо просканировать всю локальную сеть в поисках сервера, тогда можно использовать в качестве адреса широковещательный. Затем, скорее всего, сервер должен сообщить свой реальный IP-адрес и сокет для дальнейшей передачи данных должен присоединяться именно к нему. Передача данных через широковещательные адреса не есть хорошая идея, так как неизвестно, какой именно сервер обрабатывает запрос. Поэтому в настоящее время сокеты, ориентированные на соединение, могут использовать лишь одиночные адреса. Для сокетных серверов, ориентированных на прослушивание адреса, наблюдается другая ситуация: здесь разрешено использовать широковещательные адреса, чтобы сразу же ответить клиенту на запрос о местоположении сервера. Но обо всём по порядку. Как вы заметили, в структуре sockaddr_in поле IP-адреса представлено как беззнаковое длинное целое, а мы привыкли к адресам либо в формате x.x.x.x (172.16.163.89) либо в символьном формате (myhost.com). Для преобразования первого служит функция inet_addr (const char *ip_addr), а для второго – функция gethostbyname (const char *host). Рассмотрим обе из них:

u_int32_t inet_addr(const char *ip_addr)

– возвращает сразу же целое, пригодное для использования в структуре sockaddr_in по IP-адресу, переданному ей в формате x.x.x.x. При возникновении ошибки возвращается значение INADDR_NONE.

struct HOSTENT* gethostbyname(const char *host_name)

– возвращает структуру информации о хосте, исходя из его имени. В случае неудачи возвращает NULL. Поиск имени происходит вначале в файле hosts, а затем в DNS. Структура HOSTENT предоставляет информацию о требуемом хосте. Из всех её полей наиболее значительным является поле char **h_addr_list, представляющее список IP-адресов данного хоста. Обычно используется h_addr_list, представляющая первый ip адрес хоста, для этого можно также использовать выражение h_addr. После выполнения функции gethostbyname в списке h_addr_list структуры HOSTENT оказываются простые символические ip адреса, поэтому необходимо воспользоваться дополнительно функцией inet_addr для преобразования в формат sockaddr_in.

Итак, мы связали клиентский сокет с серверным функцией connect. Далее можно использовать функции передачи данных. Для этого можно использовать либо стандартные функции низкоуровневого ввода/вывода для файлов, так как сокет – это, по сути дела файловый дескриптор. К сожалению, для разных операционных систем функции низкоуровневой работы с файлами могут различаться, поэтому надо посмотреть руководство к своей операционной системе. Учтите, что передача данных по сети может закончиться сигналом SIGPIPE, и функции чтения/записи вернут ошибку. Всегда нужно помнить о проверке ошибок, кроме того, нельзя забывать о том, что передача данных по сети может быть очень медленной, а функции ввода/вывода являются синхронными, и это может вызвать существенные задержки в работе программы.

Для передачи данных между сокетами существуют специальные функции, единые для всех ОС – это функции семейства recv и send. Формат их очень похож:

int send(int sockfd, void *data, size_t len, int flags);

– отправляет буфер data.

int recv(int sockfd, void *data, size_t len, int flags);

– принимает буфер data.

Первый аргумент – дескриптор сокета, второй – указатель на данные для передачи, третий – длина буфера и четвёртый – флаги. В случае успеха возвращается число переданных байт, в случае неудачи – отрицательный код ошибки. Флаги позволяют изменить параметры передачи (например, включить асинхронный режим работы), но для большинства задач достаточно оставить поле флагов нулевым для обычного режима передачи. При отсылке или приёме данных функции блокируют выполнение программы до того, как будет отослан весь буфер. А при использовании протокола tcp/ip от удалённого сокета должен прийти ответ об успешной отправке или приёме данных, иначе пакет пересылается ещё раз. При пересылке данных учитывайте MTU сети (максимальный размер передаваемого за один раз кадра). Для разных сетей он может быть разным, например, для сети Ethernet он равен 1500.

Итак, для полноты изложения приведу самый простенький пример программы на Си, реализующей сокетного клиента:

#include /* Стандартные библиотеки сокетов для Linux */

#include /* Для ОС Windows используйте #include */

#include

int main(){

Int sockfd = -1;

/* Дескриптор сокета */

Char buf;

Char s = "Client ready ";

HOSTENT *h = NULL;

Sockaddr_in addr;

Unsigned short port = 80;

Addr.sin_family = AF_INET;

/* Создаём сокет */

If(sockfd == -1)

/* Создан ли сокет */

Return -1;

H = gethostbyname("www.myhost.com");

/* Получаем адрес хоста */

If(h == NULL)

/* А есть ли такой адрес? */

Return -1;

Addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(h->h_addr_list);

/* Переводим ip адрес в число */

If(connect(sockfd, (sockaddr*) &addr, sizeof(addr)))

/* Пытаемся соединится с удалённым сокетом */

Return -1;

/* Соединение прошло успешно - продолжаем */

If(send(sockfd, s, sizeof(s), 0) < 0)

Return -1;

If(recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0) < 0)

Return -1;

Close(sockfd);

/* Закрываем сокет */

/* Для Windows применяется функция closesocket(s) */

Return 0;

Вот видите, использовать сокеты не так трудно. В серверных приложениях используются совершенно другие принципы работы с сокетами. Вначале создается сокет, затем ему присваивается локальный адрес функцией bind, при этом можно присвоить сокету широковещательный адрес. Затем начинается прослушивание адреса функцией listen, запросы на соединение помещаются в очередь. То есть функция listen выполняет инициализацию сокета для приёма сообщений. После этого нужно применить функцию accept, которая возвращает новый, уже связанный с клиентом сокет. Обычно для серверов характерно принимать много соединений через небольшие промежутки времени. Поэтому нужно постоянно проверять очередь входящих соединений функцией accept. Для организации такого поведения чаще всего прибегают к возможностям операционной системы. Для ОС Windows чаще используется многопоточный вариант работы сервера (multi-threaded), после принятия соединения происходит создание нового потока в программе, который и обрабатывает сокет. В *nix-системах чаще используется порождение дочернего процесса функцией fork. При этом накладные расходы уменьшены за счёт того, что фактически происходит копия процесса в файловой системе proc. При этом все переменные дочернего процесса совпадают с родителем. И дочерний процесс может сразу же обрабатывать входящее соединение. Родительский же процесс продолжает прослушивание. Учтите, что порты с номерами от 1 до 1024 являются привилегированными и их прослушивание не всегда возможно. Ещё один момент: нельзя, чтобы два разных сокета прослушивали один и тот же порт по одному и тому же адресу! Для начала рассмотрим форматы вышеописанных функций для создания серверного сокета:

int bind(int sockfd, const struct *sockaddr, socklen_t addr_len);

– присваивает сокету локальный адрес для обеспечения возможности принимать входящие соединения. Для адреса можно использовать константу INADDR_ANY, которая позволяет принимать входящие соединения со всех адресов в данной подсети. Формат функции аналогичен connect. В случае ошибки возвращает отрицательное значение.

int listen(int sockfd, int backlog);

– функция создаёт очередь входящих сокетов (количество подключений определяется параметром backlog, оно не должно превышать числа SOMAXCONN, которое зависит от ОС). После создания очереди можно ожидать соединения функцией accept. Сокеты обычно являются блокирующими, поэтому выполнение программы приостанавливается, пока соединение не будет принято. В случае ошибки возвращается -1.

int accept(int sockfd, struct *sockaddr, socklen_t addr_len)

– функция дожидается входящего соединения (или извлекает его из очереди соединений) и возвращает новый сокет, уже связанный с удалённым клиентом. При этом исходный сокет sockfd остается в неизменном состоянии. Структура sockaddr заполняется значениями из удалённого сокета. В случае ошибки возвращается -1.

Итак, приведу пример простого сокетного сервера, использующего функцию fork для создания дочернего процесса, обрабатывающего соединение:

int main(){

Pid_t pid;

/* Идентификатор дочернего процесса */

Int sockfd = -1;

/* Дескриптор сокета для прослушивания */

Int s = -1;

/* Дескриптор сокета для приёма */

Char buf;

/* Указатель на буфер для приёма */

Char str = "Server ready ";

/* Строка для передачи серверу */

HOSTENT *h = NULL;

/* Структура для получения ip адреса */

Sockaddr_in addr;

/* Cтруктура tcp/ip протокола */

Sockaddr_in raddr;

Unsigned short port = 80;

/* Заполняем поля структуры: */

Addr.sin_family = AF_INET;

Addr.sin_port = htons(port);

sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

/* Создаём сокет */

If(sockfd == -1)

/* Создан ли сокет */

Return -1;

Addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

/* Слушаем на всех адресах */

If(bind(sockfd, (sockaddr*) &addr, sizeof(addr)))

/* Присваиваем сокету локальный адрес */

Return -1;

If(listen(sockfd, 1))

/* Начинаем прослушивание */

Return -1;

S = accept(sockfd, (sockaddr *) &raddr, sizeof(raddr));

/* Принимаем соединение */

Pid = fork();

/* порождаем дочерний процесс */

If(pid == 0){

/* Это дочерний процесс */

If(recv(s, buf, sizeof(buf), 0) < 0)

/* Посылаем удалённому сокету строку s */

Return -1;

If(send(s, str, sizeof(str), 0) < 0)

/* Получаем ответ от удалённого сервера */

Return -1;

Printf("Recieved string was: %s", buf);

/* Вывод буфера на стандартный вывод */

Close(s);

/* Закрываем сокет */

Return 0;

/* Выходим из дочернего процесса */

Close(sockfd);

/* Закрываем сокет для прослушивания */

Return 0;

При создании потока (thread) для обработки сокета смотрите руководство к ОС, так как для разных систем вызов функции создания потока может существенно различаться. Но принципы обработки для потока остаются теми же. Функции обработки необходимо только передать в качестве аргумента указатель на сокет (обычно в функцию потока можно передавать данные любого типа в формате void *, что требует использования приведения типов).

Важное замечание для систем Windows. Мною было замечено, что система сокетов не работает без применения функции WSAStartup для инициализации библиотеки сокетов. Программа с сокетами в ОС Windows должна начинаться так:

WSADATA wsaData;

WSAStartup(0x0101, &wsaData);

И при выходе из программы пропишите следующее:

WSACleanup();

Так как в основном операции с сокетами являются блокирующими, приходится часто прерывать исполнение задачи ожиданием синхронизации. Поэтому часто в *nix-подобных системах избегают блокировки консоли созданием особого типа программы – демона. Демон не принадлежит виртуальным консолям и возникает, когда дочерний процесс вызывает fork, а родительский процесс завершается раньше, чем 2-й дочерний (а это всегда бывает именно таким образом). После этого 2-й дочерний процесс становится основным и не блокирует консоль. Приведу пример такого поведения программы:

pid = fork();

/* Создание первого дочернего процесса */

if (pid <0){

/* Ошибка вызова fork */

Printf("Forking Error:) ");

Exit(-1);

}else if (pid !=0){

/* Это первый родитель! */

Printf(" This is a Father 1 ");

}else{

Pid = fork();

/* Работа 1-го родителя завершается */

/* И мы вызываем ещё один дочерний процесс */

If (pid <0){

Printf("Forking error:) ");

Exit(-1);

}else if (pid !=0){

/* Это второй родитель */

Printf(" This is a father 2 ");

}else{

/* А вот это тот самый 2-й дочерний процесс*/

/* Переход в "стандартный" режим демона */

Setsid();

/* Выполняем демон в режиме superuser */

Umask(0); /* Стандартная маска файлов */

Chdir("/"); /* Переход в корневой каталог */

Daemoncode(); /* Собственно сам код демона */

/* При вызове fork демона появляется потомок-демон */

Вот и всё. Я думаю, для создания простенького сокетного сервера этого достаточно.

Вы хотите разработать сетевую программу на Джаве – игрушку, чат, или то и другое вместе… Вы нашли правильную статью – здесь вы сможете ознакомиться с захватывающим миром сокетов в Java. Прочитав эту статью, вам будет виден свет в конце туннеля – станет очевидным предназначение сокетов и то, как разработать простую программу с использованием сокетов на языке программирования Джава.

Что такое сокет?

На сегодняшний день использование клиентов служб мгновенного обмена сообщениями (instant messanger) стало незаменимым средством для всех пользователей Интернета. Существует множество различных протоколов и клиентов (MSN, ICQ, Skype и т. д.), о которых каждый слышал и которые мы все ежедневно используем. Но не все знают, что положено в основу их роботы – собственно для этого статья и написана. Предположим, вы установили один из клиентов служб мгновенного обмена сообщениями на ваш компьютер. После его запуска и введения имени и пароля вашего пользователя, программа пытается подключиться к серверу. Что именно означает слово "подключиться"?

Каждый компьютер в сети имеет IP-адрес. Этот адрес похож на ваш домашний адрес – он однозначно идентифицирует ваш компьютер и позволяет другим общаться с вашим компьютером. Не будем вдаваться в подробности IP-адреса, так как эта статья не о них, хочу только отметить что IP-адрес это набор номеров разделенных точками (например, 64.104.137.158). Хотя существует и другой способ идентификации компьютеров в сети – доменное имя, которое более удобное и нагляднее идентифицирует компьютер, чем простой набор чисел (например, www.сайт). В Интернете существуют специальные компьютеры, которые осуществляют преобразование доменного имени в IP-адрес и наоборот.

На одном компьютере может параллельно исполняется несколько программ. Предположим, что вы запустили 10 программ на своем компьютере, и все они ожидают, чтоб другие компьютеры связались с ними. Можете представить себе это так: вас 10 человек в большом офисе с 1 телефоном и все ждут звонков от их собственных клиентов. Как вы это решите? Можно конечно назначить ответственного работника, и он будет приносить телефон соответственному человеку, которому звонят, но тогда другие клиенты не смогут дозвониться к другим людям. Кроме того, это очень трудно и нелепо иметь ответственного работника за маршрутизацию звонков к нужным людям. Вы должно быть, уже догадались, к чему я веду – если все эти программы, исполняющиеся на одном компьютере, с гордостью просят своих клиентов связаться с ними по определенному IP-адресу, то их клиенты не будут довольны. Идея состоит в следующем … иметь отдельный IP-адрес для каждой программы, верно? НЕ ВЕРНО! Суть вопроса не правильная – это также как спрашивать об отдельном офисе для каждого из вас. Ну, тогда … может отдельных телефонных номеров будет достаточно? ДА! На сетевом жаргоне "отдельные телефонные номера" имеют название порты. Порт – это просто число и каждая из программ, которая исполняется на определенном компьютере, может выбрать уникальное число порта, чтоб определить себя для внешнего мира. ЗАПОМНИТЕ – эти порты вы не сможете найти среди аппаратных средств компьютера (даже не старайтесь их искать). Эти числа – логические. Теперь все прояснилось: существует IP-адрес, с помощью которого другие компьютеры могут распознавать определенный компьютер в сети, и порт-число, которое определяет некую программу, работающую на компьютере. Также становиться понятным и то, что две программы на разных компьютерах могут использовать один и тот же порт (два дома на разных улицах тоже могут иметь один и тот самый номер, или нет?). Ну что же, мы практически у цели, только чтоб немного вас попугать, давайте выведем формулу:

IP-адрес = уникально определяет компьютер в сети.
Порт-число = уникально определяет программу, которая исполняется на соответствующем компьютере.

Если сложить вместе выше описанные уравнения, то получим:

IP-адрес + порт-число = _____

Другими словами:

Уникально определяет программу в сети. Если вы догадались до этого сами – значит мои усилия не пропали зря. Если нет, тогда прочитайте еще раз все сначала или воспользуйтесь Google для поиска лучшей статьи. _____ – это и есть … СОКЕТ!

Подведем итог, сокет – это комбинация IP-адреса и порта. Сокет адрес надает возможность другим компьютерам в сети находить определенную программу, которая исполняется на определенном компьютере. Вы можете отображать сокет адрес вот так 64.104.137.58:80, где 64.104.137.58 – IP-адрес и 80 – порт.

Как программировать с использованием сокетов?

Достаточно о теории, давайте перейдем к действиям. Разработаем очень простой и наглядный код на Java, который продемонстрирует возможности использования сокетов. Попробуем реализовать следующий список действий:

1) Одна Джава программа будет пытаться связаться с другой Java программой (которая отчаянно ждет кого-то, чтоб с ней связался). Назовем первую программу Клиентом, а вторую Сервером.

2) После успешного связывания с сервером, клиент ждет ввода данных от вас и отсылает текст серверу.

3) Серверная программа отсылает клиенту назад тот;t текст (для того чтоб показать, что она умеет делать даже такое полезное действие).

4) Полученный от сервера текст, клиент показывает вам, чтоб показать вам мнение сервера о вас. Приготовились приступить к разработке? Начнем. Отмечу только, что я не буду учить вас программированию на Java с чистого листа, а только объясню код, который относится к сокетам. Создайте 2 новых Джава программы и назовите их Server.java и Client.java. Я привел код ниже, только не пугайтесь, я все объясню.

import java.net.*;
import java.io.*;
public class Server {
int port = 6666; // случайный порт (может быть любое число от 1025 до 65535)
try {
ServerSocket ss = new ServerSocket(port); // создаем сокет сервера и привязываем его к вышеуказанному порту
System.out.println("Waiting for a client...");

Socket socket = ss.accept(); // заставляем сервер ждать подключений и выводим сообщение когда кто-то связался с сервером
System.out.println("Got a client:) ... Finally, someone saw me through all the cover!");
System.out.println();

// Берем входной и выходной потоки сокета, теперь можем получать и отсылать данные клиенту.

String line = null;
while(true) {
line = in.readUTF(); // ожидаем пока клиент пришлет строку текста.
System.out.println("The dumb client just sent me this line: " + line);
System.out.println("I"m sending it back...");
out.writeUTF(line); // отсылаем клиенту обратно ту самую строку текста.
System.out.println("Waiting for the next line...");
System.out.println();
}
} catch(Exception x) { x.printStackTrace(); }
}
}

Import java.net.*;
import java.io.*;

public class Client {
public static void main(String ar) {
int serverPort = 6666; // здесь обязательно нужно указать порт к которому привязывается сервер.
String address = "127.0.0.1"; // это IP-адрес компьютера, где исполняется наша серверная программа.
// Здесь указан адрес того самого компьютера где будет исполняться и клиент.

Try {
InetAddress ipAddress = InetAddress.getByName(address); // создаем объект который отображает вышеописанный IP-адрес.
System.out.println("Any of you heard of a socket with IP address " + address + " and port " + serverPort + "?");
Socket socket = new Socket(ipAddress, serverPort); // создаем сокет используя IP-адрес и порт сервера.
System.out.println("Yes! I just got hold of the program.");

// Берем входной и выходной потоки сокета, теперь можем получать и отсылать данные клиентом.
InputStream sin = socket.getInputStream();
OutputStream sout = socket.getOutputStream();

// Конвертируем потоки в другой тип, чтоб легче обрабатывать текстовые сообщения.
DataInputStream in = new DataInputStream(sin);
DataOutputStream out = new DataOutputStream(sout);

// Создаем поток для чтения с клавиатуры.
BufferedReader keyboard = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
String line = null;
System.out.println("Type in something and press enter. Will send it to the server and tell ya what it thinks.");
System.out.println();

While (true) {
line = keyboard.readLine(); // ждем пока пользователь введет что-то и нажмет кнопку Enter.
System.out.println("Sending this line to the server...");
out.writeUTF(line); // отсылаем введенную строку текста серверу.
out.flush(); // заставляем поток закончить передачу данных.
line = in.readUTF(); // ждем пока сервер отошлет строку текста.
System.out.println("The server was very polite. It sent me this: " + line);
System.out.println("Looks like the server is pleased with us. Go ahead and enter more lines.");
System.out.println();
}
} catch (Exception x) {
x.printStackTrace();
}
}
}

Теперь скомпилируем код:

Javac Server.java Client.java

Откроем два командных окна (DOS). В одном окне введем:

Java Server

а в другом:

Java Client

Обязательно в таком порядке.

Теперь введите строку текста в окне, где запущен клиент, и нажмите кнопку Enter. Наблюдайте за двумя окнами и увидите что случиься. В конце, нажмите Ctrl-C для того чтоб остановить программы.

Объяснение кода работы с сокетами

Углубимся теперь немного в код. Вы уже уловили некоторые идеи, прочитав комментарии, но давайте проанализируем несколько критических строк кода.

Рассмотрим следующую часть кода сервера:

ServerSocket ss = new ServerSocket(port);
Socket socket = ss.accept();

Класс ServerSocket немного отличается от класса Socket. Класс Socket – это и есть сокет. Главное отличие ServerSocket заключается в том, что он умеет заставлять программу ждать подключений от клиентов. Когда вы его создаете, нужно указывать порт, с которым он будет работать, и вызвать его метод accept(). Этот метод заставляет программу ждать подключений по указанному порту. Исполнение программы зависает в этом месте, пока клиент не подключится. После успешного подключения клиентом, создается нормальный Socket объект, который вы можете использовать для выполнения все существующий операций с сокетом. Заметим также, что этот Socket объект отображает другой конец соединения. Если вы хотите отослать данные клиенту, то вы не можете использовать для этого ваш собственный сокет.

Следующим рассмотрим Socket класс. Вы можете создать Socket объект, указав IP-адрес и порт. Вы можете использовать InetAddress класс для отображения IP-адреса (этот способ более предпочтительный). Для создания InetAddress объекта используйте следующий метод:

InetAddress ipAddress = InetAddress.getByName(address);

Заметим, что в нашей программе мы использовали адрес 127.0.0.1. Это специальный адрес называется адрес замыкания – он просто отображает локальный компьютер. Если вы намерены запустить клиент и сервер на разных компьютерах, тогда нужно использовать соответственный IP-адрес сервера.

После того как мы создали InetAddress, то можно создать Socket:

Socket socket = new Socket(ipAddress, serverPort);

После создания Socket объекта, можно взять входной и выходной потоки сокета. Входной поток позволит вам читать с сокета, а выходной поток дает возможность писать в сокет.

InputStream sin = socket.getInputStream();
OutputStream sout = socket.getOutputStream();

Следующие строки просто конвертируют потоки в другие типы потоков. После этого нам легче будет работать с String объектами. Этот код ничего не делает с сетью.

DataInputStream in = new DataInputStream(sin);
DataOutputStream out = new DataOutputStream(sout);

Все остальное очень просто – простые манипуляции с объектами потоков (никаких сокетов). Вы можете использовать ваши любимые потоки, вызывать ваши любимые методы, и удостоверяться в передаче данных во второй конец. Если вы не очень осведомлены в использовании потоков, рекомендую вам найти статью о них и прочесть.