Опубликован: 28.09.2007 | Доступ: свободный | Студентов: 5798 / 810 | Оценка: 4.20 / 4.10 | Длительность: 47:32:00
ISBN: 978-5-94774-707-2
Лекция 4:

Сокеты

Аннотация: Описаны принципы организации сокетов и механизмы их применения при сетевом программировании, блокирующие и не блокирующие сокеты, классы услуг и группы сокетов
Ключевые слова: Windows, socket, ПО, сокет, интерфейс, объекты событий, FTP, IP, канал связи, внешнее устройство, файл, операции, сервер, API, адрес, порт, контроль, обмен информацией, указатель, Internet, Интернет, значение, аргумент, параметр, дескриптор, TCP, connect, send, UDP, операторы, ICMP, код ошибки, место, номер порта, структура данных, Bind, идентификатор, приложение, команда, длина, оператор CONNECT, поле, listen, сообщение об ошибке, accept, запрос, очередь, программа, режим ожидания, информационные системы, механизмы, доступ, обмен данными, Write, вектор, список, входной, буфер, программирование, SELECT, вызывающая программа, тип сокета, виртуальное, опция, прикладная программа, DLL, параметр команды, имя сокета, порядок байт, опция сокета, имя опции, значение опции, префикс, asynchronous, символьная константа, huge, FAR, длина блока, операционная система, маска, бит, блокировка, очереди сообщений, время выполнения, семейство протоколов, адрес сокета, пользователь, прием данных, передача данных, ISN, initial, sequence number, passive open, active open, динамическая, стек, информация, операция ввода/вывода, event, потоки данных, минимум, качество обслуживания, создание сокета, таблица, WOSA, OPEN, service, architecture, связь, application, programming, interface, SPI, provider, IPX/SPX, DNS, память, NSP, ANSI, WSC, провайдер, запись, winsock api, GUID, global, unique identifier, инсталляция, элемент списка, SDK, system development, kit, Domain Name System, NDS, directory, SAP, статические поля, базы данных, SQL, ID, имя класса, инициализация, win16, выход, цикла, MDI, multiple document interface, объект, BSD, копирование, ISDN, ATM, группа, поддержка, flow, specs, время ожидания, разрыв соединения, прерывание, вывод, запуск, APC, IPC, system, плоскость, control unit, MCU, единица, TTL, семантика, UDP-сокет

Какие бы замечательные идеи в области телекоммуникаций, распределенных баз знаний или поисковых систем вам не пришли в голову, реализовать их на практике можно, лишь написав соответствующую программу. Основные операционные среды (Unix или Windows) базируются в настоящее время на идеологии сокетов (socket). Эта технология была разработана в университете г. Беркли (США) для системы Unix, поэтому соединители (сокеты) иногда называют сокетами Беркли (berkeley sockets). Сокеты реализуют механизм взаимодействия не только партнеров по телекоммуникациям, но и процессов в ЭВМ вообще (см. [2.15], а также http://book.itep.ru/7/sock_71.htm). Технология сокетов лежит в основе современного сетевого программирования.

Работа с сокетами содержит ряд этапов: сокет создается, настраивается на заданный режим работы, применяется для организации обмена и, наконец, ликвидируется. Технология сокетов поддерживает работу с любыми стеками протоколов, совмещенные процедуры ввода/вывода, использование большого числа сервис-провайдеров (серверов услуг), возможность группирования сокетов, что позволяет реализовать их приоритетное обслуживание, и многое другое. Набор операторов, поддерживающих интерфейс сервис провайдера, образует отдельную динамическую библиотеку.

Для общей синхронизации работы сервис-провайдеров и приложений в winsock введено понятие объектов событий. Объекты событий служат, в частности, для организации работы совмещенных по времени процессов информационного обмена. Здесь уместно замечание об использовании стандартных номеров портов. В многозадачных, многопользовательских системах стандартные номера портов используются при инициализации процесса. Так как допускается несколько идентичных соединений (например, несколько одновременных сессий FTP) между клиентом и сервером, стандартными номерами портов здесь не обойтись. Ведь PsIPs сервера могут соответствовать несколько PcIPc клиента.

В системах, ориентированных на соединение, пара комбинаций IP-адресов и номеров портов однозначно определяет канал связи между двумя процессами в ЭВМ. Такая комбинация называется сокетом (socket). Номера портов могут и совпадать, так как относятся к разным машинам, но IP-адреса должны быть обязательно разными. Впервые идея сокета была использована в системе BSD4.3 Unix для организации сетевого ввода/вывода. В Unix внешнее устройство и файл с точки зрения системного программиста эквивалентны. Сетевые процедуры несколько сложнее и не укладываются в такую простую схему. Из этой схемы выпадают, прежде всего, операции, при которых сервер пассивно ожидает обращения, особенно операции обмена, не ориентированные на соединение. Сокет является пограничным понятием между протоколами телекоммуникаций и операционной системой ЭВМ. Сокеты играют важную роль при написании прикладных программ (API).

Сокет отправителя = IP-адрес отправителя + номер порта отправителя

Сокет адресата = IP-адрес адресата + номер порта адресата

При обменах, ориентированных на соединение, формируется ансамбль ( IPSPS + IPDPD ), где IPSPSадрес и порт отправителя, а IPDPDадрес и порт места назначения.

Межкомпьютерные коммуникации не сводятся к знакомству с соседским депозитарием, к выполнению операций Telnet/ssh, FTP/scp и т.д. Одной из важнейших задач является удаленный контроль за процессами в больших распределенных системах, когда обмен информацией активизируется не человеком, а ЭВМ. Примерами таких задач могут служить управление современными высокотехнологичными производствами, сбор метео-­ или другой геофизической информации в реальном масштабе времени, эксперименты в области физики высоких энергий, где для контроля установки и сбора экспериментальных данных используются десятки (а иногда и сотни) вычислительных машин, которые обмениваются диагностической информацией и данными. Именно для решения таких задач и применяются идеи сокетов, "труб" и т.д.. Понятие сокета в прикладных программах — это не просто комбинация IP-адресов и номеров портов, это указатель на структуру данных, где хранятся параметры виртуального канала. Прежде чем воспользоваться сокетом, его нужно сформировать. Оператор формирования сокета имеет вид:

s=socket(INT AF, INT type, INT protocol);

где все параметры целочисленные, AF (address_family) характеризует набор протоколов, соответствующий данному сокету (это может быть набор Internet, Unix, Appletalk и т.д.). Для Интернет AF может принимать только значение PF_INET, для Unix PF_UNIX. Аргумент type определяет тип коммуникаций ( SOCK_STREAM, SOCK_RAW, и SOCK_DGRAM ). Аргумент protocol задает код конкретного протокола из указанного набора (заданного AF ), который будет реализован в данном соединении. Протоколы обозначаются символьными константами с префиксом IPPROTO_ (например, IPPROTO_TCP или IPPROTO_UDP ). Допускается значение protocol=0 (протокол не указан), в этом случае используется значение по умолчанию для данного вида соединений. Значения AF и type можно обычно найти в файле <sys/socket.h>. Возвращаемый параметр S представляет собой дескриптор сокета. Параметр SOCK_STREAM говорит о том, что вы намерены создать надежный двунаправленный канал обмена, ориентированный на соединение (TCP для Интернет). Связь с другим процессом в этом случае устанавливается оператором connect . После установления соединения данные могут посылаться оператором send или получаться посредством оператора recv. Параметр SOCK_DGRAM характеризует канал, не ориентированный на соединение, с пакетами фиксированного размера (например, UDP в случае AF= PF_INET ). Такой канал позволяет использовать операторы sendto и recvfrom. Параметр SOCK_RAW определяет третий режим, при котором возможно использование протоколов нижнего уровня, например, ICMP или даже IP. Таким образом, формирование сокета — это создание описывающей его структуры данных.

Если операция socket завершилась успешно, s равно дескриптору сокета, в противном случае s=INVALID_SOCKET (1). С помощью оператора WSAGetLastError можно получить код ошибки, проясняющий причину отрицательного результата.

Дескриптор сокета указывает на элемент таблицы дескрипторов, соответствующий данному сокету. Оператор socket отводит место в этой таблице. Элемент такой таблицы имеет вид:

код семейства протоколов;

код типа сервиса;

локальный IP-адрес;

удаленный IP-адрес;

номер локального порта;

номер удаленного порта.

IP-адрес определяет интерфейс ЭВМ, а номер порта в данном случае характеризуют сетевую процедуру (процесс).

Эта структура данных позволяет осуществлять несколько соединений между рабочей станцией и, например, WEBсервером, в том числе имеющих разный уровень приоритета.

Так как в Unix возможно формирование сокета без IP-адресов, а для практической работы они нужны, имеется оператор bind, который позволяет присвоить определенный IP-адрес заданному сокету:

r=bind(s, const struct socketaddr far*name, int namelen),

где s — целочисленный код дескриптора, параметр name (идентификатор локального адреса) обычно (для Интернет) содержит три величины: IP-адрес ЭВМ, код протокольного набора, номер порта, который определяет характер приложения. Структура адресной информации имеет вид:

struct sockaddr {
u_short sa_family;
char sa_data[14];
};

Параметр namlen определяет длину второго параметра. В рамках этой идеологии легко реализовать систему клиент-сервер. IP-адрес может быть сделан равным INADDR_ANY (или =0 ), если ЭВМ имеет несколько интерфейсов. При номере порта, равном нулю, windows socket присвоит порту уникальный номер в диапазоне 1024-5000. Приложение может выполнить операцию getsockname после bind, чтобы определить присвоенный адрес. Оператор bind выполняется до операций connect или listen. При корректном выполнении оператор bind возвращает код 0 ( r=0 ), в противном случае SOCKET_ERROR=1. Команда bind выдается для записи собственного номера порта. Сервер генерирует команду bind, чтобы подготовить определенный вид связи (например, FTP), и пассивно ожидает запроса connect со стороны клиента:

R=connect(s, const struct socketaddr FAR*name, int namelen),

где sдескриптор сокета, name — идентификатор адреса места назначения (указатель на структуру данных), а namelenдлина этого адреса. Таким образом, оператор connect сообщает IP-адрес и номер порта удаленной ЭВМ. Если адресное поле структуры name содержит нули, оператор connect вернет ошибку WSAEADDRNOTAVAIL (или SOCKET_ERROR = 1 ).

Установка в режим ожидания осуществляется командой listen, которая организует очередь запросов:

R=listen(s, int backlog),

где backlog задает максимальный размер очереди для приходящих запросов соединения (то есть, сколько запросов может быть принято на обслуживание без потерь; обычно этот параметр равен 5). При переполнении очереди будет послано сообщение об ошибке. Следует иметь в виду, что клиент, ориентированный на соединение, также должен прослушивать порт протокола, ожидая появления дейтограмм-откликов. Ожидающий сокет посылает каждому отправителю сообщение­-отклик, подтверждающее получение запроса на соединение. Оператор listen подготавливает сокет к обработке потока запросов, система должна быть достаточно быстродействующей. Запросы из очереди извлекаются оператором accept :

R=accept(s, struct sockaddr FAR*addr, int FAR*addrlen),

где sдескриптор сокета, который прослушивает соединение (тот же, что и в listen ), addr — опционный указатель на структуру, которая содержит адрес, addrlen — код длины адреса. Оператор accept позволяет серверу принять запрос от клиента. Когда входная очередь сформирована, программа реализует процедуру accept и переходит в режим ожидания запросов. Программа извлекает первый элемент очереди, создает новый сокет со свойствами, идентичными s, и при успешном выполнении возвращает дескриптор нового сокета. При возникновении ошибки возвращается код INVALID_SOCKET. По окончании обработки запроса сервер вновь вызывает accept, который возвращает ему дескриптор сокета очередного запроса, если таковой имеется. Если очередь пуста, accept блокирует программу до получения связи. Существуют серверы с параллельной и последовательной обработкой запросов. Параллельный обработчик запросов не ждет завершения обработки предшествующего запроса и вызывает оператор accept немедленно. В системе Unix используются обычно параллельные обработчики запросов.

Наталья Шульга
Наталья Шульга

Курс "информационная безопасность" .

Можно ли на него записаться на ПЕРЕПОДГОТОВКУ по данному курсу? Выдается ли диплом в бумажном варианте и высылается ли он по почте?

Мария Архипова
Мария Архипова