Главная › Услуги › Программирование сокетов. Что такое сокет? Серверные функции сокета

Программирование сокетов. Что такое сокет? Серверные функции сокета

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

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.

Работа с сокетами в.NET

Поддержку сокетов в.NET обеспечивают классы в пространстве имен System.Net.Sockets - начнем с их краткого описания.

Классы для работы с сокетами

Класс	Описание
MulticastOption	Класс MulticastOption устанавливает значение IP-адреса для присоединения к IP-группе или для выхода из нее.
NetworkStream	Класс NetworkStream реализует базовый класс потока, из которого данные отправляются и в котором они получаются. Это абстракция высокого уровня, представляющая соединение с каналом связи TCP/IP.
TcpClient	Класс TcpClient строится на классе Socket, чтобы обеспечить TCP-обслуживание на более высоком уровне. TcpClient предоставляет несколько методов для отправки и получения данных через сеть.
TcpListener	Этот класс также построен на низкоуровневом классе Socket. Его основное назначение - серверные приложения. Он ожидает входящие запросы на соединения от клиентов и уведомляет приложение о любых соединениях.
UdpClient	UDP - это протокол, не организующий соединение, следовательно, для реализации UDP-обслуживания в.NET требуется другая функциональность.
SocketException	Это исключение порождается, когда в сокете возникает ошибка.
Socket	Последний класс в пространстве имен System.Net.Sockets - это сам класс Socket. Он обеспечивает базовую функциональность приложения сокета.

Класс Socket

Класс Socket играет важную роль в сетевом программировании, обеспечивая функционирование как клиента, так и сервера. Главным образом, вызовы методов этого класса выполняют необходимые проверки, связанные с безопасностью, в том числе проверяют разрешения системы безопасности, после чего они переправляются к аналогам этих методов в Windows Sockets API.

Прежде чем обращаться к примеру использования класса Socket, рассмотрим некоторые важные свойства и методы этого класса:

Свойства и методы класса Socket

Свойство или метод	Описание
AddressFamily	Дает семейство адресов сокета - значение из перечисления Socket.AddressFamily.
Available	Возвращает объем доступных для чтения данных.
Blocking	Дает или устанавливает значение, показывающее, находится ли сокет в блокирующем режиме.
Connected	Возвращает значение, информирующее, соединен ли сокет с удаленным хостом.
LocalEndPoint	Дает локальную конечную точку.
ProtocolType	Дает тип протокола сокета.
RemoteEndPoint	Дает удаленную конечную точку сокета.
SocketType	Дает тип сокета.
Accept()	Создает новый сокет для обработки входящего запроса на соединение.
Bind()	Связывает сокет с локальной конечной точкой для ожидания входящих запросов на соединение.
Close()	Заставляет сокет закрыться.
Connect()	Устанавливает соединение с удаленным хостом.
GetSocketOption()	Возвращает значение SocketOption.
IOControl()	Устанавливает для сокета низкоуровневые режимы работы. Этот метод обеспечивает низкоуровневый доступ к лежащему в основе классу Socket.
Listen()	Помещает сокет в режим прослушивания (ожидания). Этот метод предназначен только для серверных приложений.
Receive()	Получает данные от соединенного сокета.
Poll()	Определяет статус сокета.
Select()	Проверяет статус одного или нескольких сокетов.
Send()	Отправляет данные соединенному сокету.
SetSocketOption()	Устанавливает опцию сокета.
Shutdown()	Запрещает операции отправки и получения данных на сокете.

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

В табл. 15.1 приведены имена доменов.

Таблица 15.1

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

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

SOCK_STREAM - это упорядоченный, надежный, основанный на соединении, двунаправленный поток байтов. В случае домена сокетов AF_INET 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.

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

Системный вызов socket 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 read и write с дескриптором сокета. Системный вызов close используется для удаления сокетного соединения.

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.