Сетевое программирование сокетов

Сетевое программирование сокетов

Программирование сокетов

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

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

Создание сокета

s = socket(domain, type, protocol);

Этот вызов основывается на информации о коммуникационном домене и типе сокета. Для использования особенностей Internet, значения параметров должны быть следующими: communication domain — AF_INET (Internet протоколы). type of the socket — SOCK_STREAM; Этот тип обеспечивает последовательный, надежный, ориентированный на установление двусторонней связи поток байтов. Выше был упомянут сокет с типом stream. Краткое описание других типов сокетов приведено ниже: Datagram socket — поддерживает двусторонний поток данных. Не гарантируется, что этот поток будет последовательным, надежным, и что данные не будут дублироваться. Важной характеристикой данного сокета является то, что границы записи данных предопределены. Raw socket — обеспечивает возможность пользовательского доступа к низлежащим коммуникационным протоколам, поддерживающим сокет-абстракции. Такие сокеты обычно являются датаграм- ориентированными. Функция socket создает конечную точку для коммуникаций и возвращает файловый дескриптор, ссылающийся на сокет, или -1 в случае ошибки. Данный дескриптор используется в дальнейшем для установления связи.

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

s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

Привязка к локальным именам

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

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

bind(s, name, namelen);

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

Установление связи

error = connect(s, serveraddr, serveraddrlen);

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

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

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

error = listen(s, qlength);

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

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

newsock = accept(s, clientaddr, clientaddrlen);

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

Процесс установления связи показан на рисунке 1.

Рис. 1: Взаимодействие клиента и сервера

Передача данных

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

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

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

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

• MSG_OOB — Посылать/получать данные, характерные для сокетов типа stream.
• MSG_PEEK — Просматривать данные без чтения. когда указывается в recv, любые присутствующие данные возвращаются пользователю, но сами данные остаются как «непрочитанные». Следующий read или recv вызванный на данном сокете вернет прочитанные в прошлый раз данные.
• MSG_DONTROUTE — посылать данные без маршрутизации пакетов. (Используется только процессами, управляющими таблицами маршрутизации.)

Закрывание сокетов

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

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

где how имеет одно из следующих значений:

• 0 — если пользователь больше не желает читать данные
• 1 — если данные больше не будут посылаться
• 2 — если данные не будут ни посылаться ни получаться

Сетевое программирование с помощью сокетов Windows

Именованные каналы пригодны для организации межпроцессного взаимодействия как в случае процессов, выполняющихся на одной и той же системе, так и в случае процессов, выполняющихся на компьютерах, связанных друг с другом локальной или глобальной сетью. Эти возможности были продемонстрированы на примере клиент-серверной системы, разработанной в главе 11, начиная с программы 11.2.

Однако как именованные каналы, так и почтовые ящики (в отношении которых для простоты мы будем использовать далее общий термин — «именованные каналы», если различия между ними не будут играть существенной роли) обладают тем недостатком, что они не являются промышленным стандартом. Это обстоятельство усложняет перенос программ наподобие тех, которые рассматривались в главе 11, в системы, не принадлежащие семейству Windows, хотя именованные каналы не зависят от протоколов и могут выполняться поверх многих стандартных промышленных протоколов, например TCP/IP.

Возможность взаимодействия с другими системами обеспечивается в Windows поддержкой сокетов (sockets) Windows Sockets — совместимого и почти точного аналога сокетов Berkeley Sockets, де-факто играющих роль промышленного стандарта. В этой главе использование API Windows Sockets (или «Winsock») показано на примере модифицированной клиент-серверной системы из главы 11. Результирующая система способна функционировать в глобальных сетях, использующих протокол TCP/IP, что, например, позволяет серверу принимать запросы от клиентов UNIX или каких-либо других, отличных от Windows систем.

Читатели, знакомые с интерфейсом Berkeley Sockets, при желании могут сразу же перейти непосредственно к рассмотрению примеров, в которых не только используются сокеты, но также вводятся новые возможности сервера и демонстрируются дополнительные методы работы с библиотеками, обеспечивающими безопасную многопоточную поддержку.

Привлекая средства обеспечения взаимодействия между разнородными системами, ориентированные на стандарты, интерфейс Winsock открывает перед программистами возможность доступа к высокоуровневым протоколам и приложениям, таким как ftp, http, RPC и СОМ, которые в совокупности предоставляют богатый набор высокоуровневых моделей, обеспечивающих поддержку межпроцессного сетевого взаимодействия для систем с различной архитектурой.

В данной главе указанная клиент-серверная система используется в качестве механизма демонстрации интерфейса Winsock, и в процессе того, как сервер будет модифицироваться, в него будут добавляться новые интересные возможности. В частности, нами будут впервые использованы точки входа DLL (глава 5) и внутрипроцессные серверы DLL. (Эти новые средства можно было включить уже в первоначальную версию программы в главе 11, однако это отвлекло бы ваше внимание от разработки основной архитектуры системы.) Наконец, дополнительные примеры покажут вам, как создаются безопасные реентерабельные многопоточные библиотеки.

Поскольку интерфейс Winsock должен соответствовать промышленным стандартам, принятые в нем соглашения о правилах присвоения имен и стилях программирования несколько отличаются от тех, с которыми мы сталкивались в процессе работы с описанными ранее функциями Windows. Строго говоря, Winsock API не является частью Win32/64. Кроме того, Winsock предоставляет дополнительные функции, не подчиняющиеся стандартам; эти функции используются лишь в случае крайней необходимости. Среди других преимуществ, обеспечиваемых Winsock, следует отметить улучшенную переносимость результирующих программ на другие системы.

Сокеты Windows

Winsock API разрабатывался как расширение Berkley Sockets API для среды Windows и поэтому поддерживается всеми системами Windows. К преимуществам Winsock можно отнести следующее:

• Перенос уже имеющегося кода, написанного для Berkeley Sockets API, осуществляется непосредственно.

• Системы Windows легко встраиваются в сети, использующие как версию IPv4 протокола TCP/IP, так и постепенно распространяющуюся версию IPv6. Помимо всего остального, версия IPv6 допускает использование более длинных IP-адресов, преодолевая существующий 4-байтовый адресный барьер версии IPv4.

• Сокеты могут использоваться совместно с перекрывающимся вводом/выводом Windows (глава 14), что, помимо всего прочего, обеспечивает возможность масштабирования серверов при увеличении количества активных клиентов.

• Сокеты можно рассматривать как дескрипторы (типа HANDLE) файлов при использовании функций ReadFile и WriteFile и, с некоторыми ограничениями, при использовании других функций, точно так же, как в качестве дескрипторов файлов сокеты применяются в UNIX. Эта возможность оказывается удобной в тех случаях, когда требуется использование асинхронного ввода/вывода и портов завершения ввода/вывода.

• Существуют также дополнительные, непереносимые расширения.

Инициализация Winsock

Winsock API поддерживается библиотекой DLL (WS2_32.DLL), для получения доступа к которой следует подключить к программе библиотеку WS_232.LIB. Эту DLL следует инициализировать с помощью нестандартной, специфической для Winsock функции WSAStartup, которая должна быть первой из функций Winsock, вызываемых программой. Когда необходимость в использовании функциональных возможностей Winsock отпадает, следует вызывать функцию WSACleanup. Примечание. Префикс WSA означает «Windows Sockets asynchronous …» («Асинхронный Windows Sockets …»). Средства асинхронного режима Winsock нами здесь не используются, поскольку при возникновении необходимости в выполнении асинхронных операций мы можем и будем использовать потоки.

Хотя функции WSAStartup и WSACleanup необходимо вызывать в обязательном порядке, вполне возможно, что они будут единственными нестандартными функциями, с которыми вам придется иметь дело. Распространенной практикой является применение директив препроцессора #ifdef для проверки значения символической константы _WIN32 (обычно определяется Visual C++ на стадии компиляции), в результате чего функции WSA будут вызываться только тогда, когда вы работаете в Windows). Разумеется, такой подход предполагает, что остальная часть кода не зависит от платформы.

int WSAStartup(WORD wVersionRequired, LPWSADATA ipWSAData);

Параметры

wVersionRequired — указывает старший номер версии библиотеки DLL, который вам требуется и который вы можете использовать. Как правило, версии 1.1 вполне достаточно для того, чтобы обеспечить любое взаимодействие с другими системами, в котором у вас может возникнуть необходимость. Тем не менее, во всех системах Windows, включая Windows 9x, доступна версия Winsock 2.0, которая и используется в приведенных ниже примерах. Версия 1.1 считается устаревшей и постепенно выходит из употребления.

Функция возвращает ненулевое значение, если запрошенная вами версия данной DLL не поддерживается.

Младший байт параметра wVersionRequired указывает основной номер версии, а старший байт — дополнительный. Обычно используют макрос MAKEWORD; таким образом, выражение MAKEWORD (2,0) представляет версию 2.0.

ipWSAData — указатель на структуру WSADATA, которая возвращает информацию о конфигурации DLL, включая старший доступный номер версии. О том, как интерпретировать ее содержимое, вы можете прочитать в материалах оперативной справки Visual Studio.

Чтобы получить более подробную информацию об ошибках, можно воспользоваться функцией WSAGetLastError, но для этой цели подходит также функция GetLastError, а также функция ReportError, разработанная в главе 2.

По окончании работы программы, а также в тех случаях, когда необходимости в использовании сокетов больше нет, следует вызывать функцию WSACleanup, чтобы библиотека WS_32.DLL, обслуживающая сокеты, могла освободить ресурсы, распределенные для этого процесса.

Создание сокета

Инициализировав Winsock DLL, вы можете использовать стандартные (Berkeley Sockets) функции для создания сокетов и соединений, обеспечивающих взаимодействие серверов с клиентами или взаимодействие равноправных узлов сети между собой.

Используемый в Winsock тип данных SOCKET аналогичен типу данных HANDLE в Windows, и его даже можно применять совместно с функцией ReadFile и другими функциями Windows, требующими использования дескрипторов типа HANDLE. Для создания (или открытия) сокета служит функция socket.

SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

Параметры

Тип данных SOCKET фактически определяется как тип данных int, потому код UNIX остается переносимым, не требуя привлечения типов данных Windows.

af — обозначает семейство адресов, или протокол; для указания протокола IP (компонент протокола TCP/IP, отвечающий за протокол Internet) следует использовать значение PF_INET (или AF_INET, которое имеет то же самое числовое значение, но обычно используется при вызове функции bind).

type — указывает тип взаимодействия: ориентированное на установку соединения (connection-oriented communication), или потоковое (SOCK_STREAM), и дейтаграммное (datagram communication) (SOCK_DGRAM), что в определенной степени сопоставимо соответственно с именованными каналами и почтовыми ящиками.

protocol — является излишним, если параметр af установлен равным AF_INET; используйте значение 0.

В случае неудачного завершения функция socket возвращает значение INVALID_SOCKET.

Winsock можно использовать совместно с протоколами, отличными от TCP/IP, указывая различные значения параметра protocol; мы же будем использовать только протокол TCP/IP.

Как и в случае всех остальных стандартных функций, имя функции socket не должно содержать прописных букв. Это является отходом от соглашений, принятых в Windows, и продиктовано необходимостью соблюдения промышленных стандартов.

Программирование сокетов на C / C ++

Что такое сокет программирования?
Сокетное программирование — это способ соединения двух узлов в сети для связи друг с другом. Один сокет (узел) прослушивает определенный порт с IP-адреса, а другой сокет обращается к другому, чтобы сформировать соединение. Сервер формирует сокет слушателя, в то время как клиент обращается к серверу.

Диаграмма состояний для модели сервера и клиента

Этапы для сервера

Создание сокета:

sockfd: дескриптор сокета, целое число (как дескриптор файла)
домен: целое число, домен связи, например, AF_INET (протокол IPv4), AF_INET6 (протокол IPv6)
тип: тип связи
SOCK_STREAM: TCP (надежный, ориентированный на соединение)
SOCK_DGRAM: UDP (ненадежный, без установления соединения)
protocol: значение протокола для интернет-протокола (IP), равное 0. Это то же число, которое указывается в поле протокола в заголовке IP пакета.

Setsockopt:

Это помогает в манипулировании опциями для сокета, на который ссылается дескриптор файла sockfd. Это совершенно необязательно, но помогает в повторном использовании адреса и порта. Предотвращает ошибку, такую как: «адрес уже используется».

Bind:

После создания сокета функция bind связывает сокет с адресом и номером порта, указанными в addr (пользовательская структура данных). В примере кода мы привязываем сервер к локальному узлу, поэтому мы используем INADDR_ANY для указания IP-адреса.

Слушать:

Он переводит сокет сервера в пассивный режим, в котором он ждет, пока клиент подойдет к серверу, чтобы установить соединение. Журнал ожидания определяет максимальную длину, до которой может увеличиваться очередь ожидающих соединений для sockfd. Если запрос на подключение приходит, когда очередь заполнена, клиент может получить ошибку с указанием ECONNREFUSED.

Accept:

Он извлекает первый запрос на соединение в очереди ожидающих соединений для прослушивающего сокета, sockfd, создает новый подключенный сокет и возвращает новый дескриптор файла, ссылающийся на этот сокет. В этот момент устанавливается соединение между клиентом и сервером, и они готовы к передаче данных.

Этапы для клиента

• Сокетное соединение: точно так же, как и при создании сокета сервера
• Connect:

Системный вызов connect () соединяет сокет, указанный дескриптором файла sockfd, с адресом, указанным в addr. Адрес и порт сервера указаны в addr.

Реализация
Здесь мы обмениваемся одним приветственным сообщением между сервером и клиентом, чтобы продемонстрировать модель клиент / сервер.

// Серверная программа на C / C ++ для демонстрации программирования Socket
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PORT 8080

int main( int argc, char const *argv[])

int server_fd, new_socket, valread;

struct sockaddr_in address;

int addrlen = sizeof (address);

char *hello = «Hello from server» ;

// Создание дескриптора файла сокета

if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0)

perror ( «socket failed» );

// Принудительное подключение сокета к порту 8080

if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT,

address.sin_port = htons( PORT );

// Принудительное подключение сокета к порту 8080

if (bind(server_fd, ( struct sockaddr *)&address,

perror ( «bind failed» );

if (listen(server_fd, 3)

if ((new_socket = accept(server_fd, ( struct sockaddr *)&address,

valread = read( new_socket , buffer, 1024);

printf ( «%sn» ,buffer );

send(new_socket , hello , strlen (hello) , 0 );

printf ( «Hello message sentn» );

// Клиентская программа C / C ++ для демонстрации программирования Socket
#include
#include
#include
#include
#include
#define PORT 8080

int main( int argc, char const *argv[])

int sock = 0, valread;

struct sockaddr_in serv_addr;

char *hello = «Hello from client» ;

if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))

printf ( «n Socket creation error n» );

// Преобразование адресов IPv4 и IPv6 из текста в двоичную форму

if (inet_pton(AF_INET, «127.0.0.1» , &serv_addr.sin_addr)

printf ( «nInvalid address/ Address not supported n» );

if (connect(sock, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof (serv_addr))

printf ( «nConnection Failed n» );

send(sock , hello , strlen (hello) , 0 );

printf ( «Hello message sentn» );

valread = read( sock , buffer, 1024);

printf ( «%sn» ,buffer );

Компиляция:
gcc client.c -o клиент
gcc server.c -o сервер

Выход:

Next: Программирование на языке сокетов на C / C ++: обработка нескольких клиентов на сервере без многопоточности
Эта статья предоставлена Акшат Синха . Если вы как GeeksforGeeks и хотели бы внести свой вклад, вы также можете написать статью с помощью contribute.geeksforgeeks.org или по почте статьи contribute@geeksforgeeks.org. Смотрите свою статью, появляющуюся на главной странице GeeksforGeeks, и помогите другим вундеркиндам.

Пожалуйста, пишите комментарии, если вы обнаружите что-то неправильное или вы хотите поделиться дополнительной информацией по обсуждаемой выше теме.

Сокеты

Сокет — это один конец двустороннего канала связи между двумя программами, работающими в сети. Соединяя вместе два сокета, можно передавать данные между разными процессами (локальными или удаленными). Реализация сокетов обеспечивает инкапсуляцию протоколов сетевого и транспортного уровней.

Первоначально сокеты были разработаны для UNIX в Калифорнийском университете в Беркли. В UNIX обеспечивающий связь метод ввода-вывода следует алгоритму open/read/write/close. Прежде чем ресурс использовать, его нужно открыть, задав соответствующие разрешения и другие параметры. Как только ресурс открыт, из него можно считывать или в него записывать данные. После использования ресурса пользователь должен вызывать метод Close(), чтобы подать сигнал операционной системе о завершении его работы с этим ресурсом.

Когда в операционную систему UNIX были добавлены средства межпроцессного взаимодействия (Inter-Process Communication, IPC) и сетевого обмена, был заимствован привычный шаблон ввода-вывода. Все ресурсы, открытые для связи, в UNIX и Windows идентифицируются дескрипторами. Эти дескрипторы, или описатели (handles), могут указывать на файл, память или какой-либо другой канал связи, а фактически указывают на внутреннюю структуру данных, используемую операционной системой. Сокет, будучи таким же ресурсом, тоже представляется дескриптором. Следовательно, для сокетов жизнь дескриптора можно разделить на три фазы: открыть (создать) сокет, получить из сокета или отправить сокету и в конце концов закрыть сокет.

Интерфейс IPC для взаимодействия между разными процессами построен поверх методов ввода-вывода. Они облегчают для сокетов отправку и получение данных. Каждый целевой объект задается адресом сокета, следовательно, этот адрес можно указать в клиенте, чтобы установить соединение с целью.

Типы сокетов

Существуют два основных типа сокетов — потоковые сокеты и дейтаграммные.

Потоковые сокеты (stream socket)

Потоковый сокет — это сокет с установленным соединением, состоящий из потока байтов, который может быть двунаправленным, т, е. через эту конечную точку приложение может и передавать, и получать данные.

Потоковый сокет гарантирует исправление ошибок, обрабатывает доставку и сохраняет последовательность данных. На него можно положиться в доставке упорядоченных, сдублированных данных. Потоковый сокет также подходит для передачи больших объемов данных, поскольку накладные расходы, связанные с установлением отдельного соединения для каждого отправляемого сообщения, может оказаться неприемлемым для небольших объемов данных. Потоковые сокеты достигают этого уровня качества за счет использования протокола Transmission Control Protocol (TCP) . TCP обеспечивает поступление данных на другую сторону в нужной последовательности и без ошибок.

Для этого типа сокетов путь формируется до начала передачи сообщений. Тем самым гарантируется, что обе участвующие во взаимодействии стороны принимают и отвечают. Если приложение отправляет получателю два сообщения, то гарантируется, что эти сообщения будут получены в той же последовательности.

Однако, отдельные сообщения могут дробиться на пакеты, и способа определить границы записей не существует. При использовании TCP этот протокол берет на себя разбиение передаваемых данных на пакеты соответствующего размера, отправку их в сеть и сборку их на другой стороне. Приложение знает только, что оно отправляет на уровень TCP определенное число байтов и другая сторона получает эти байты. В свою очередь TCP эффективно разбивает эти данные на пакеты подходящего размера, получает эти пакеты на другой стороне, выделяет из них данные и объединяет их вместе.

Потоки базируются на явных соединениях: сокет А запрашивает соединение с сокетом В, а сокет В либо соглашается с запросом на установление соединения, либо отвергает его.

Если данные должны гарантированно доставляться другой стороне или размер их велик, потоковые сокеты предпочтительнее дейтаграммных. Следовательно, если надежность связи между двумя приложениями имеет первостепенное значение, выбирайте потоковые сокеты.

Сервер электронной почты представляет пример приложения, которое должно доставлять содержание в правильном порядке, без дублирования и пропусков. Потоковый сокет рассчитывает, что TCP обеспечит доставку сообщений по их назначениям.

Дейтаграммные сокеты (datagram socket)

Дейтаграммные сокеты иногда называют сокетами без организации соединений, т. е. никакого явного соединения между ними не устанавливается — сообщение отправляется указанному сокету и, соответственно, может получаться от указанного сокета.

Потоковые сокеты по сравнению с дейтаграммными действительно дают более надежный метод, но для некоторых приложений накладные расходы, связанные с установкой явного соединения, неприемлемы (например, сервер времени суток, обеспечивающий синхронизацию времени для своих клиентов). В конце концов на установление надежного соединения с сервером требуется время, которое просто вносит задержки в обслуживание, и задача серверного приложения не выполняется. Для сокращения накладных расходов нужно использовать дейтаграммные сокеты.

Использование дейтаграммных сокетов требует, чтобы передачей данных от клиента к серверу занимался User Datagram Protocol (UDP) . В этом протоколе на размер сообщений налагаются некоторые ограничения, и в отличие от потоковых сокетов, умеющих надежно отправлять сообщения серверу-адресату, дейтаграммные сокеты надежность не обеспечивают. Если данные затерялись где-то в сети, сервер не сообщит об ошибках.

Кроме двух рассмотренных типов существует также обобщенная форма сокетов, которую называют необрабатываемыми или сырыми.

Сырые сокеты (raw socket)

Главная цель использования сырых сокетов состоит в обходе механизма, с помощью которого компьютер обрабатывает TCP/IP. Это достигается обеспечением специальной реализации стека TCP/IP, замещающей механизм, предоставленный стеком TCP/IP в ядре — пакет непосредственно передается приложению и, следовательно, обрабатывается гораздо эффективнее, чем при проходе через главный стек протоколов клиента.

По определению, сырой сокет — это сокет, который принимает пакеты, обходит уровни TCP и UDP в стеке TCP/IP и отправляет их непосредственно приложению.

При использовании таких сокетов пакет не проходит через фильтр TCP/IP, т.е. никак не обрабатывается, и предстает в своей сырой форме. В таком случае обязанность правильно обработать все данные и выполнить такие действия, как удаление заголовков и разбор полей, ложится на получающее приложение — все равно, что включить в приложение небольшой стек TCP/IP.

Однако нечасто может потребоваться программа, работающая с сырыми сокетами. Если вы не пишете системное программное обеспечение или программу, аналогичную анализатору пакетов, вникать в такие детали не придется. Сырые сокеты главным образом используются при разработке специализированных низкоуровневых протокольных приложений. Например, такие разнообразные утилиты TCP/IP, как trace route, ping или arp, используют сырые сокеты.

Работа с сырыми сокетами требует солидного знания базовых протоколов TCP/UDP/IP.

Порты

Порт определен, чтобы разрешить задачу одновременного взаимодействия с несколькими приложениями. По существу с его помощью расширяется понятие IP-адреса. Компьютер, на котором в одно время выполняется несколько приложений, получая пакет из сети, может идентифицировать целевой процесс, пользуясь уникальным номером порта, определенным при установлении соединения.

Сокет состоит из IP-адреса машины и номера порта, используемого приложением TCP. Поскольку IP-адрес уникален в Интернете, а номера портов уникальны на отдельной машине, номера сокетов также уникальны во всем Интернете. Эта характеристика позволяет процессу общаться через сеть с другим процессом исключительно на основании номера сокета.

За определенными службами номера портов зарезервированы — это широко известные номера портов, например порт 21, использующийся в FTP. Ваше приложение может пользоваться любым номером порта, который не был зарезервирован и пока не занят. Агентство Internet Assigned Numbers Authority (IANA) ведет перечень широко известных номеров портов.

Обычно приложение клиент-сервер, использующее сокеты, состоит из двух разных приложений — клиента, инициирующего соединение с целью (сервером), и сервера, ожидающего соединения от клиента.

Например, на стороне клиента, приложение должно знать адрес цели и номер порта. Отправляя запрос на соединение, клиент пытается установить соединение с сервером:

Если события развиваются удачно, при условии что сервер запущен прежде, чем клиент попытался с ним соединиться, сервер соглашается на соединение. Дав согласие, серверное приложение создает новый сокет для взаимодействия именно с установившим соединение клиентом:

Теперь клиент и сервер могут взаимодействовать между собой, считывая сообщения каждый из своего сокета и, соответственно, записывая сообщения.

Программирование сетевых приложений (TCP/IP) на C/C++

Простейшие примеры

TCP/IP

Что следует иметь ввиду при разработке с TCP

1. TCP не выполняет опрос соединения (не поможет даже keep alive — он нужен для уборки мусора, а не контроля за состоянием соединения). Исправляется на прикладном уровне, например, реализацией пульсации. Причем на дополнительном соединении.
2. Задержки при падении хостов, разрыве связи.
3. Необходимо следить за порядком получения сообщений.
4. Заранее неизвестно сколько данных будет прочитано из сокета. Может быть прочитано несколько пакетов сразу!
5. Надо быть готовым ко всем внештатным ситуациям:
   • постоянный или временный сбой сети
   • отказ принимающего приложения
   • аварийный сбой самого хоста на принимающей стороне
   • неверное поведение хоста на принимающей стороне
   • учитывать особенности сети функционирования приложения (глобальная или локальная)

OSI и TCP/IP

Порты

Полный список зарегистрированных портов расположен по адресу: http://www.isi.edu/in-notes/iana/assignment/port-numbers. Подать заявку на получение хорошо известного или зарегистрированного номера порта можно по адресу http://www.isi.edu/cgi-bin/iana/port-numbers.pl.

Состояние TIME-WAIT

После активного закрытия для данного конкретного соединения стек входит в состояние TIME-WAIT на время 2MSL (максимальное время жизни пакета) для того, чтобы

1. заблудившийся пакет не попал в новое соединение с такими же параметрами.
2. если потерялся ACK, подтверждающий закрытие соединения, с активной стороны, пассивная снова пощлёт FIN, активная, игнорируя TIME-WAIT уже закрыла соединение, поэтому пассивная сторона получит RST.

Отключение состояния TIME-WAIT крайне не рекомендуется, так как это нарушает безопасность TCP соединения, тем не менее существует возможность сделать это — опция сокета SO_LINGER.

Штатная ситуация — перезагрузка сервера может пострадать из-за наличия TIME-WAIT. Эта проблема решается заданием опции SO_REUSEADDR.

Отложенное подтверждение и алгоритм Нейгла.

Алгоритм Нейгла используется для предотвращения забивания сети мелкими пакетами и имеет очень простую формулировку — запрещено посылать второй маленький пакет до тех пор, пока не придет подтверждение на первый. Тем не менее данные отправляются при выполнении хотя бы одного из следующих условий:

• можно послать полный сегмент размером MSS (максимальный размер сегмента)
• соединение простаивает, и можно опустошить буфер передачи
• алгоритм Нейгла отключен, и можно опустошить буфер передачи
• есть срочные данные для отправки
• есть маленьки сегмент, но его отправка уже задержана на достаточно длительное время (таймер терпения persist timer на тайм-аут ретрансмиссии RTO )
• окно приема, объявленное хостом на другом конце, открыто не менее чем на половину
• необходимо повторно передать сегмент
• требуется послать ACK на принятые данные
• нужно объявить об обновлении окна

Кроме того, существует отложенное подтверждение. При этом хост, получивший сегмент, старается задержать отправку ACK, чтобы послать её вместе с данными.

Алгоритм Нейгла в купе с отложенным подтверждением в резонансе дают нежелательные задержки. Поэтому часто его отключают. Отключение алгоритма Нейгла производится заданием опции TCP_NODELAY

Но более правильным было бы проектировать приложение таким образом, чтобы было как можно меньше маленьких блоков. Лучше писать большие. Для этого можно объединять данные самостоятельно, а можно пользоваться аналогом write, работающим с несколькими буферами: