Сокеты. Программирование сокетов на Java
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.
| 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:
| 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. |
При создании сокета необходимо точно специфицировать его тип. Эта спецификация производится с помощью трех параметров вызова socket() . Первый параметр указывает, к какому семейству протоколов относится создаваемый сокет , а второй и третий параметры определяют конкретный протокол внутри данного семейства.
Второй параметр служит для задания вида интерфейса работы с сокетом – будет это потоковый сокет , сокет для работы с датаграммами или какой-либо иной. Третий параметр указывает протокол для заданного типа интерфейса. В стеке протоколов TCP/IP существует только один протокол для потоковых сокетов – TCP и только один протокол для датаграммных сокетов – UDP , поэтому для транспортных протоколов TCP/IP третий параметр игнорируется.
В других стеках протоколов может быть несколько протоколов с одинаковым видом интерфейса, например, датаграммных, различающихся по степени надежности.
Для транспортных протоколов TCP/IP мы всегда в качестве первого параметра будем указывать предопределенную константу AF_INET (Address family – Internet ) или ее синоним PF_INET ( Protocol family – Internet ).
Второй параметр будет принимать предопределенные значения SOCK_STREAM для потоковых сокетов и SOCK_DGRAM – для датаграммных.
Поскольку третий параметр в нашем случае не учитывается, в него мы будем подставлять значение 0 .
Ссылка на информацию о созданном сокете помещается в таблицу открытых файлов процесса подобно тому, как это делалось для pip ’ов и FIFO (см. семинар 5). Системный вызов возвращает пользователю файловый дескриптор , соответствующий заполненному элементу таблицы, который далее мы будем называть дескриптором сокета . Такой способ хранения информации о сокете позволяет, во-первых, процессам-детям наследовать ее от процессов-родителей, а, во-вторых, использовать для сокетов часть системных вызовов, которые уже знакомы нам по работе с pip ’ами и FIFO : close() , read() , write() .
|
Системный вызов для создания сокета Прототип системного вызова #include Описание системного вызова Системный вызов socket служит для создания виртуального коммуникационного узла в операционной системе. Данное описание не является полным описанием системного вызова, а предназначено только для использования в нашем курсе. За полной информацией обращайтесь к UNIX Manual. Параметр domain определяет семейство протоколов, в рамках которого будет осуществляться передача информации. Мы рассмотрим только два таких семейства из нескольких существующих. Для них имеются предопределенные значения параметра:
Параметр type определяет семантику обмена информацией: будет ли осуществляться связь через сообщения (datagrams), с помощью установления виртуального соединения или еще каким-либо способом. Мы будем пользоваться только двумя способами обмена информацией с предопределенными значениями для параметра type :
Параметр protocol специфицирует конкретный протокол для выбранного семейства протоколов и способа обмена информацией. Он имеет значение только в том случае, когда таких протоколов существует несколько. В нашем случае семейство протоколов и тип обмена информацией определяют протокол однозначно. Поэтому данный параметр мы будем полагать равным 0 . Возвращаемое значение В случае успешного завершения системный вызов возвращает файловый дескриптор (значение большее или равное 0 ), который будет использоваться как ссылка на созданный коммуникационный узел при всех дальнейших сетевых вызовах. При возникновении какой-либо ошибки возвращается отрицательное значение. |
Адреса сокетов. Настройка адреса сокета. Системный вызов bind()
Когда сокет создан, необходимо настроить его адрес . Для этого используется системный вызов bind() . Первый параметр вызова должен содержать дескриптор сокета , для которого производится настройка адреса. Второй и третий параметры задают этот адрес .
Во втором параметре должен быть указатель на структуру struct sockaddr , содержащую удаленную и локальные части полного адреса.
Указатели типа struct sockaddr
* встречаются во многих сетевых системных вызовах; они используются для передачи информации о том, к какому адресу привязан или должен быть привязан сокет
. Рассмотрим этот тип данных
подробнее. Структура struct sockaddr
описана в файле
struct sockaddr { short sa_family; char sa_data; };
Такой состав структуры обусловлен тем, что сетевые системные вызовы могут применяться для различных семейств протоколов, которые по -разному определяют адресные пространства для удаленных и локальных адресов сокета . По сути дела, этот тип данных представляет собой лишь общий шаблон для передачи системным вызовам структур данных, специфических для каждого семейства протоколов. Общим элементом этих структур остается только поле short sa_family (которое в разных структурах, естественно, может иметь разные имена, важно лишь, чтобы все они были одного типа и были первыми элементами своих структур) для описания семейства протоколов. Содержимое этого поля системный вызов анализирует для точного определения состава поступившей информации.
Для работы с семейством протоколов TCP/IP
мы будем использовать адрес сокета
следующего вида, описанного в файле
struct sockaddr _in{ short sin_family; /* Избранное семейство протоколов – всегда AF_INET */ unsigned short sin_port; /* 16-битовый номер порта в сетевом порядке байт */ struct in_addr sin_addr; /* Адрес сетевого интерфейса */ char sin_zero; /* Это поле не используется, но должно всегда быть заполнено нулями */ };
Первый элемент структуры – sin_family задает семейство протоколов . В него мы будем заносить уже известную нам предопределенную константу AF_INET (см. предыдущий раздел).
Удаленная часть полного адреса – IP-адрес – содержится в структуре типа struct in_addr , с которой мы встречались в разделе "Функции преобразования IP-адресов inet_ntoa() , inet_aton() " .
Для указания номера порта предназначен элемент структуры sin_port , в котором номер порта должен храниться в сетевом порядке байт . Существует два варианта задания номера порта : фиксированный порт по желанию пользователя и порт , который произвольно назначает операционная система . Первый вариант требует указания в качестве номера порта положительного заранее известного числа и для протокола UDP обычно используется при настройке адресов сокетов и при передаче информации с помощью системного вызова sendto() (см. следующий раздел). Второй вариант требует указания в качестве номера порта значения 0. В этом случае операционная система сама привязывает сокет к свободному номеру порта . Этот способ обычно используется при настройке сокетов программ клиентов, когда заранее точно знать номер порта программисту необязательно.
Какой номер порта может задействовать пользователь при фиксированной настройке? Номера портов с 1 по 1023 могут назначать сокетам только процессы, работающие с привилегиями системного администратора. Как правило, эти номера закреплены за системными сетевыми службами независимо от вида используемой операционной системы, для того чтобы пользовательские клиентские программы могли запрашивать обслуживание всегда по одним и тем же локальным адресам. Существует также ряд широко применяемых сетевых программ, которые запускают процессы с полномочиями обычных пользователей (например, X-Windows). Для таких программ корпорацией Internet по присвоению имен и номеров (
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
#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.
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.
Параметрыint WSAStartup(WORD wVersionRequired, LPWSADATA ipWSAData);
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.
ПараметрыSOCKET socket(int af, int type, int protocol);
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.
Серверные функции сокета
В нижеследующем обсуждении под сервером будет пониматься процесс, который принимает запросы на образование соединения через заданный порт. Несмотря на то что сокеты, подобно именованным каналам, могут использоваться для создания соединений между равноправными узлами сети, введение указанного различия между узлами является весьма удобным и отражает различия в способах, используемых обеими системами для соединения друг с другом.
Если не оговорено иное, типом сокетов в наших примерах всегда будет SOCK_STREAM. Сокеты типа SOCK_DGRAM рассматривается далее в этой главе.
Связывание сокета
Следующий шаг заключается в привязке сокета к его адресу и конечной точке (endpoint) (направление канала связи от приложения к службе). Вызов socket, за которым следует вызов bind, аналогичен созданию именованного канала. Однако не существует имен, используя которые можно было бы различать сокеты данного компьютера. Вместо этого в качестве конечной точки службы используется номер порта (port number). Любой заданный сервер может иметь несколько конечных точек. Прототип функции bind приводится ниже.
Параметрыint bind(SOCKET s, const struct sockaddr *saddr, int namelen);
s - несвязанный сокет, возвращенный функцией socket.
saddr - заполняется перед вызовом и задает протокол и специфическую для протокола информацию, как описано ниже. Кроме всего прочего, в этой структуре содержится номер порта.
namelen - присвойте значение sizeof (sockaddr).
В случае успешного выполнения функция возвращает значение 0, иначе SOCKET_ERROR. Структура sockaddr определяется следующим образом:
typedef struct sockaddr SOCKADDR, *PSOCKADDR;
Первый член этой структуры, sa_family, обозначает протокол. Второй член, sa_data, зависит от протокола. Internet-версией структуры sa_data является структура sockaddr_in:
short sin_family; /* AF_INET */struct in_addr sin_addr; /* 4-байтовый IP-адрес */typedef struct sockaddr_in SOCKADDR_IN, *PSOCKADDR IN;
Обратите внимание на использование типа данных short integer для номера порта. Кроме того, номер порта и иная информация должны храниться с соблюдением подходящего порядка следования байтов, при котором старший байт помещается в крайней позиции справа (big-endian), чтобы обеспечивалась двоичная совместимость с другими системами. В структуре sin_addr содержится подструктура s_addr, заполняемая уже знакомым нам 4-байтовым IP-адресом, например 127.0.0.1, указывающим систему, чей запрос на образование соединения должен быть принят. Обычно удовлетворяются запросы любых систем, в связи с чем следует использовать значение INADDR_ANY, хотя этот символический параметр должен быть преобразован к корректному формату, как показано в приведенном ниже фрагменте кода.
Для преобразования текстовой строки с IP-адресом к требуемому формату можно использовать функцию inet_addr, поэтому член sin_addr.s_addr переменной sockaddr_in инициализируется следующим образом:
sa.sin_addr.s_addr = inet_addr("192 .13.12.1");
О связанном сокете, для которого определены протокол, номер порта и IP-адрес, иногда говорят как об именованном сокете (named socket).
Перевод связанного сокета в состояние прослушивания
Функция listen делает сервер доступным для образования соединения с клиентом. Аналогичной функции для именованных каналов не существует.
int listen(SOCKET s, int nQueueSize);
Параметр nQueueSize указывает число запросов на соединение, которые вы намерены помещать в очередь сокета. В версии Winsock 2.0 значение этого параметра не имеет ограничения сверху, но в версии 1.1 оно ограничено предельным значением SOMAXCON (равным 5).
Прием клиентских запросов соединения
Наконец, сервер может ожидать соединения с клиентом, используя функцию accept, возвращающую новый подключенный сокет, который будет использоваться в операциях ввода/вывода. Заметьте, что исходный сокет, который теперь находится в состоянии прослушивания (listening state), используется исключительно в качестве параметра функции accept, а не для непосредственного участия в операциях ввода/вывода.
Функция accept блокируется до тех пор, пока от клиента не поступит запрос соединения, после чего она возвращает новый сокет ввода/вывода. Хотя рассмотрение этого и выходит за рамки данной книги, возможно создание неблокирующихся сокетов, а в сервере (программа 12.2) для приема запроса используется отдельный поток, что позволяет создавать также неблокирующиеся серверы.
ПараметрыSOCKET accept(SOCKET s, LPSOCKADDR lpAddr, LPINT lpAddrLen);
s - прослушивающий сокет. Чтобы перевести сокет в состояние прослушивания, необходимо предварительно вызвать функции socket, bind и listen.
lpAddr - указатель на структуру sockaddr_in, предоставляющую адрес клиентской системы.
lpAddrLen - указатель на переменную, которая будет содержать размер возвращенной структуры sockaddr_in. Перед вызовом функции accept эта переменная должна быть инициализирована значением sizeof(struct sockaddr_in).
Отключение и закрытие сокетов
Для отключения сокетов применяется функция shutdown(s, how). Аргумент how может принимать одно из двух значений: 1, указывающее на то, что соединение может быть разорвано только для посылки сообщений, и 2, соответствующее разрыву соединения как для посылки, так и для приема сообщений. Функция shutdown не освобождает ресурсы, связанные с сокетом, но гарантирует завершение посылки и приема всех данных до закрытия сокета. Тем не менее, после вызова функции shutdown приложение уже не должно использовать этот сокет.
Когда работа с сокетом закончена, его следует закрыть, вызвав функцию closesocket(SOCKET s). Сначала сервер закрывает сокет, созданный функцией accept, а не прослушивающий сокет, созданный с помощью функции socket. Сервер должен закрывать прослушивающий сокет только тогда, когда завершает работу или прекращает принимать клиентские запросы соединения. Даже если вы работаете с сокетом как с дескриптором типа HANDLE и используете функции ReadFile и WriteFile, уничтожить сокет одним только вызовом функции CloseHandle вам не удастся; для этого следует использовать функцию closesocket.
Пример: подготовка и получение клиентских запросов соединения
Ниже приводится фрагмент кода, показывающий, как создать сокет и организовать прием клиентских запросов соединения.
В этом примере используются две стандартные функции: htons ("host to network short" - "ближняя связь") и htonl ("host to network long" - "дальняя связь"), которые преобразуют целые числа к форме с обратным порядком байтов, требуемой протоколом IP.
Номером порта сервера может быть любое число из диапазона, допустимого для целых чисел типа short integer, но для определенных пользователем служб обычно используются числа в диапазоне 1025-5000. Порты с меньшими номерами зарезервированы для таких известных служб, как telnet или ftp, в то время как порты с большими номерами предполагаются для использования других стандартных служб.
struct sockaddr_in SrvSAddr; /* Адресная структура сервера. */
struct sockaddr_in ConnectAddr;
AddrLen = sizeof(ConnectAddr);
sockio = accept(SrvSock, (struct sockaddr *) &ConnectAddr, &AddrLen);
… Получение запросов и отправка ответов …
Клиентские функции сокета
Клиентская станция, которая желает установить соединение с сервером, также должна создать сокет, вызвав функцию socket. Следующий шаг заключается в установке соединения сервером, а, кроме того, необходимо указать номер порта, адрес хоста и другую информацию. Имеется только одна дополнительная функция – connect.
Установление клиентского соединения с сервером
Если имеется сервер с сокетом в режиме прослушивания, клиент может соединиться с ним при помощи функции connect.
Параметрыint connect(SOCKET s, LPSOCKADDR lpName, int nNameLen);
s - сокет, созданный с использованием функции socket.
lpName - указатель на структуру sockaddr_in, инициализированную значениями номера порта и IP-адреса системы с сокетом, связанным с указанным портом, который находится в состоянии прослушивания.
Инициализируйте nNameLen значением sizeof (struct sockaddr_in).
Возвращаемое значение 0 указывает на успешное завершение функции, тогда как значение SOCKET_ERROR указывает на ошибку, которая, в частности, может быть обусловлена отсутствием прослушивающего сокета по указанному адресу.
Сокет s не обязательно должен быть связанным с портом до вызова функции connect, хотя это и может иметь место. При необходимости система распределяет порт и определяет протокол.
Пример: подключение клиента к серверу
Показанный ниже фрагмент кода обеспечивает соединение клиента с сервером. Для этого нужны только два вызова функций, но адресная структура должна быть инициализирована до вызова функции connect. Проверка возможных ошибок здесь отсутствует, но в реальные программы она должна включаться. В примере предполагается, что IP-адрес (текстовая строка наподобие "192.76.33.4") задается в аргументе argv командной строки.
ClientSAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv);
ConVal = connect(ClientSock, (struct sockaddr *)&ClientSAddr, sizeof(ClientSAddr));
Отправка и получение данных
Программы, использующие сокеты, обмениваются данными с помощью функций send и recv, прототипы которых почти совпадают (перед указателем буфера функции send помещается модификатор const). Ниже представлен только прототип функции send.
int send(SOCKET s, const char * lpBuffer, int nBufferLen, int nFlags);
Возвращаемым значением является число фактически переданных байтов. Значение SOCKET_ERROR указывает на ошибку.
nFlags - может использоваться для обозначения степени срочности сообщений (например, экстренных сообщений), а значение MSG_PEEK позволяет просматривать получаемые данные без их считывания.
Самое главное, что вы должны запомнить - это то, что функции send и recv не являются атомарными (atomic), и поэтому нет никакой гарантии, что затребованные данные будут действительно отправлены или получены. Передача "коротких" сообщений ("short sends") встречается крайне редко, хотя и возможна, что справедливо и по отношению к приему "коротких" сообщений ("short receives"). Понятие сообщения в том смысле, который оно имело в случае именованных каналов, здесь отсутствует, и поэтому вы должны проверять возвращаемое значение и повторно отправлять или принимать данные до тех пор, пока все они не будут переданы.
С сокетами могут использоваться также функции ReadFile и WriteFile, только в этом случае при вызове функции необходимо привести сокет к типу HANDLE.
Сравнение именованных каналов и сокетов
Именованные каналы, описанные в главе 11, очень похожи на сокеты, но в способах их использования имеются значительные различия.
Именованные каналы могут быть ориентированными на работу с сообщениями, что значительно упрощает программы.
Именованные каналы требуют использования функций ReadFile и WriteFile, в то время как сокеты могут обращаться также к функциям send и recv.
В отличие от именованных каналов сокеты настолько гибки, что предоставляют пользователям возможность выбрать протокол для использования с сокетом, например, TCP или UDP. Кроме того, пользователь имеет возможность выбирать протокол на основании характера предоставляемой услуги или иных факторов.
Сокеты основаны на промышленном стандарте, что обеспечивает их совместимость с системами, отличными от Windows.
Имеются также различия в моделях программирования сервера и клиента.
Сравнение серверов именованных каналов и сокетов
Установка соединения с несколькими клиентами при использовании сокетов требует выполнения повторных вызовов функции accept. Каждый из вызовов возвращает очередной подключенный сокет. По сравнению с именованными каналами имеются следующие отличия:
В случае именованных каналов требуется, чтобы каждый экземпляр именованного канала и дескриптор типа HANDLE создавались с помощью функции CreateNamedPipe, тогда как для создания экземпляров сокетов применяется функция accept.
Допустимое количество клиентских сокетов ничем не ограничено (функция listen ограничивает лишь количество клиентов, помещаемых в очередь), в то время как количество экземпляров именованных каналов, в зависимости от того, что было указано при первом вызове функции CreateNamedPipe, может быть ограниченным.
Не существует вспомогательных функций для работы с сокетами, аналогичных функции TransactNamedPipe.
Именованные каналы не имеют портов с явно заданными номерами и различаются по именам.
В случае сервера именованных каналов получение пригодного для работы дескриптора типа HANDLE требует вызова двух функций (CreateNamedPipe и ConnectNamedPipe), тогда как сервер сокета требует вызова четырех функций (socket, bind, listen и accept).
Сравнение клиентов именованных каналов и сокетов
В случае именованных каналов необходимо последовательно вызывать функции WaitNamedPipe и CreateFile. Если же используются сокеты, этот порядок вызовов обращается, поскольку можно считать, что функция socket создает сокет, а функция connect - блокирует.
Дополнительное отличие состоит в том, что функция connect является функцией клиента сокета, в то время как функция ConnectNamedPipe используется сервером именованного канала.
Пример: функция приема сообщений в случае сокета
Часто оказывается удобным отправлять и получать сообщения в виде единых блоков. Как было показано в главе 11, каналы позволяют это сделать. Однако в случае сокетов требуется создание заголовка, содержащего размер сообщения, за которым следует само сообщение. Для приема таких сообщений предназначена функция ReceiveMessage, которая будет использоваться в примерах. То же самое можно сказать и о функции SendMessage, предназначенной для передачи сообщений.
Обратите внимание, что сообщение принимается в виде двух частей: заголовка и содержимого. Ниже мы предполагаем, что пользовательскому типу MESSAGE соответствует 4-байтовый заголовок. Но даже для 4-байтового заголовка требуются повторные вызовы функции recv, чтобы гарантировать его полное считывание, поскольку функция recv не является атомарной.
Примечание, относящееся к Win64
В качестве типа переменных, используемых для хранения размера сообщения, выбран тип данных фиксированной точности LONG32, которого будет вполне достаточно для размещения значений параметра размера, включаемого в сообщения при взаимодействии с системами, отличными от Windows, и который годится для возможной последующей перекомпиляции программы для ее использования на платформе Win64 (см. главу 16).
DWORD ReceiveMessage (MESSAGE *pMsg, SOCKET sd) {
/* Сообщение состоит из 4-байтового поля размера сообщения, за которым следует собственно содержимое. */
/* Считать сообщение. */
/* Сначала считывается заголовок, а затем содержимое. */
nRemainRecv = 4; /* Размер поля заголовка. */
pBuffer = (LPBYTE)pMsg; /* recv может не передать все запрошенные байты. */
while (nRemainRecv > 0 && !Disconnect) {
/* Считать содержимое сообщения. */
while (nRemainRecv > 0 && !Disconnect) {
nXfer = recv(sd, pBuffer, nRemainRecv, 0);
Пример: клиент на основе сокета
Программа 12.1 представляет собой переработанный вариант клиентской программы clientNP (программа 11.2), которая использовалась в случае именованных каналов. Преобразование программы осуществляется самым непосредственным образом и требует лишь некоторых пояснений.
Вместо обнаружения сервера с помощью почтовых ящиков пользователь вводит IP-адрес сервера в командной строке. Если IP-адрес не указан, используется заданный по умолчанию адрес 127.0.0.1, соответствующий локальной системе.
Для отправки и приема сообщений применяются функции, например, ReceiveMessage, которые здесь не представлены.
Номер порта, SERVER_PORT, определен в заголовочном файле ClntSrvr.h.
Хотя код написан для выполнения под управлением Windows, единственная зависимость от Windows связана с использованием вызовов функций, имеющих префикс WSA.
Программа 12.1. clientSK: клиент на основе сокетов/* Глава 12. clientSK.с */
/* Однопоточный клиент командной строки. */
/* ВЕРСИЯ НА ОСНОВЕ WINDOWS SOCKETS. */
/* Считывает последовательность команд для пересылки серверному процессу*/
/* через соединение с сокетом. Дожидается ответа и отображает его. */
#define _NOEXCLUSIONS /* Требуется для включения определений сокета. */
#include "ClntSrvr.h" /* Определяет структуры записей запроса и ответа. */
/* Функции сообщения для обслуживания запросов и ответов. */
/* Кроме того, ReceiveResponseMessage отображает полученные сообщения. */
static DWORD SendRequestMessage(REQUEST *, SOCKET);
static DWORD ReceiveResponseMessage(RESPONSE *, SOCKET);
struct sockaddr_in ClientSAddr; /* Адрес сокета клиента. */
int _tmain(DWORD argc, LPTSTR argv) {
SOCKET ClientSock = INVALID_SOCKET;
REQUEST Request; /* См. ClntSrvr.h. */
RESPONSE Response; /* См. ClntSrvr.h. */
TCHAR PromptMsg = _T("\nВведите команду> ");
TCHAR QuitMsg = _T("$Quit");
/* Запрос: завершить работу клиента. */
TCHAR ShutMsg = _T("$ShutDownServer"); /* Остановить все потоки. */
CHAR DefaultIPAddr = "127.0.0.1"; /* Локальная система. */
/* Подключиться к серверу. */
/* Следовать стандартной процедуре вызова последовательности функций socket/connect клиентом. */
ClientSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&ClientSAddr, 0, sizeof(ClientSAddr));
ClientSAddr.sin_family = AF_INET;
if (argc >= 2) ClientSAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv );
else ClientSAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DefaultIPAddr);
ClientSAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
/* Номер порта определен равным 1070. */
connect(ClientSock, (struct sockaddr *)&ClientSAddr, sizeof(ClientSAddr));
/* Основной цикл для вывода приглашения на ввод команд, посылки запроса и получения ответа. */
_tprintf(_T("%s"), PromptMsg);
/* Ввод в формате обобщенных строк, но команда серверу должна указываться в формате ASCII. */
_fgetts(Req, MAX_RQRS_LEN-1, stdin);
for (j = 0; j <= _tcslen(Req) Request.Record[j] = Req[j];
/* Избавиться от символа новой строки в конце строки. */
Request.Record = "\0";
if (strcmp(Request.Record, QuitMsg) == 0 || strcmp(Request.Record, ShutMsg) == 0) Quit = TRUE;
SendRequestMessage(&Request, ClientSock);
ReceiveResponseMessage(&Response, ClientSock);
shutdown(ClientSock, 2); /* Запретить посылку и прием сообщений. */
_tprintf(_T("\n****Выход из клиентской программы\n"));
Пример: усовершенствованный сервер на основе сокетов
Программа serverSK (программа 12.2) аналогична программе serverNP (программа 11.3), являясь ее видоизмененным и усовершенствованным вариантом.
В усовершенствованном варианте программы серверные потоки создаются по требованию (on demand), а не в виде пула потоков фиксированного размера. Каждый раз, когда сервер принимает запрос клиента на соединение, создается серверный рабочий поток, и когда клиент прекращает работу, выполнение потока завершается.
Сервер создает отдельный поток приема (accept thread), что позволяет основному потоку опрашивать глобальный флаг завершения работы, пока вызов accept остается блокированным. Хотя сокеты и могут определяться как неблокирующиеся, потоки обеспечивают удобное универсальное решение. Следует отметить, что значительная часть расширенных функциональных возможностей Winsock призвана поддерживать асинхронные операции, тогда как потоки Windows дают возможность воспользоваться более простой и близкой к стандартам функциональностью синхронного режима работы сокетов.
За счет некоторого усложнения программы усовершенствовано управление потоками, что позволило обеспечить поддержку состояний каждого потока.
Данный сервер поддерживает также внутрипроцессные серверы (in-process servers), что достигается путем загрузки библиотеки DLL во время инициализации. Имя библиотеки DLL задается в командной строке, и серверный поток сначала пытается определить точку входа этой DLL. В случае успеха серверный поток вызывает точку входа DLL; в противном случае сервер создает процесс аналогично тому, как это делалось в программе serverNP. Пример DLL приведен в программе 12.3. Поскольку генерация исключений библиотекой DLL будет приводить к уничтожению всего серверного процесса, вызов функции DLL защищен простым обработчиком исключений.
При желании можно включить внутрипроцессные серверы и в программу serverNP. Самым большим преимуществом внутрипроцессных серверов является то, что они не требуют никакого контекстного переключения на другие процессы, в результате чего производительность может заметно улучшиться.
Поскольку в коде сервера использованы специфические для Windows возможности, в частности, возможности управления потоками и некоторые другие, он, в отличие от кода клиента, оказывается привязанным к Windows.
Программа 12.2. serverSK: сервер на основе сокета с внутрипроцессными серверами/* Глава 12. Клиент-серверная система. ПРОГРАММА СЕРВЕРА. ВЕРСИЯ НА ОСНОВЕ СОКЕТА. */
/* Выполняет указанную в запросе команду и возвращает ответ. */
/* Если удается обнаружить точку входа разделяемой библиотеки, команды */
/* выполняются внутри процесса, в противном случае – вне процесса. */
/* ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ВОЗМОЖНОСТЬ: argv может содержать имя библиотеки */
/* DLL, поддерживающей внутрипроцессные серверы. */
#include "ClntSrvr.h" /* Определяет структуру записей запроса и ответа. */
/* Адресная структура сокета сервера. */
struct sockaddr_in ConnectSAddr; /* Подключенный сокет. */
WSADATA WSStartData; /* Структура данных библиотеки сокета. */
typedef struct SERVER_ARG_TAG { /* Аргументы серверного потока. */
/* Пояснения содержатся в комментариях к основному потоку. */
HINSTANCE dlhandle; /* Дескриптор разделяемой библиотеки. */
volatile static ShutFlag = FALSE;
static SOCKET SrvSock, ConnectSock;
int _tmain(DWORD argc, LPCTSTR argv) {
/* Прослушивающий и подключенный сокеты сервера. */
SERVER_ARG srv_arg;
/* Инициализировать библиотеку WSA; задана версия 2.0, но будет работать и версия 1.1. */
WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSStartData);
/* Открыть динамическую библиотеку команд, если ее имя указано в командной строке. */
if (argc > 1) hDll = LoadLibrary(argv);
/* Инициализировать массив arg потока. */
for (ith = 0; ith < MAXCLIENTS; ith++) {
srv_arg.dlhandle = hDll;
/* Следовать стандартной процедуре вызова последовательности функций socket/bind/listen/accept клиентом. */
SrvSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
SrvSAddr.sin_family = AF_INET;
SrvSAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
SrvSAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
bind(SrvSock, (struct sockaddr *)&SrvSAddr, sizeof SrvSAddr);
listen(SrvSock, MAX_CLIENTS);
/* Основной поток становится потоком прослушивания/соединения/контроля.*/
/* Найти пустую ячейку в массиве arg потока сервера. */
/* параметр состояния: 0 – ячейка свободна; 1 – поток остановлен; 2 - поток выполняется; 3 – остановлена вся система. */
for (ith = 0; ith < MAX_CLIENTS && !ShutFlag;) {
if (srv_arg.status==1 || srv_arg.status==3) { /* Выполнение потока завершено либо обычным способом, либо по запросу останова. */
WaitForSingleObject(srv_arg.srv_thd INFINITE);
CloseHandle(srv_arg.srv_tnd);
if (srv_arg.status == 3) ShutFlag = TRUE;
else srv_arg.status = 0;
/* Освободить ячейку данного потока. */
if (srv_arg.status == 0 || ShutFlag) break;
ith = (ith + 1) % MAXCLIENTS;
/* Прервать цикл опроса. */
/* Альтернативный вариант: использовать событие для генерации сигнала, указывающего на освобождение ячейки. */
/* Ожидать попытки соединения через данный сокет. */
/* Отдельный поток для опроса флага завершения ShutFlag. */
hAcceptTh = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, AcceptTh, &srv_arg, 0, &ThId);
tstatus = WaitForSingleObject(hAcceptTh, CS_TIMEOUT);
if (tstatus == WAIT_OBJECT_0) break; /* Соединение установлено. */
hAcceptTh = NULL; /* Подготовиться к следующему соединению. */
_tprintf(_T("Остановка сервера. Ожидание завершения всех потоков сервера\n"));
/* Завершить принимающий поток, если он все еще выполняется. */
/* Более подробная информация об используемой логике завершения */
/* работы приведена на Web-сайте книги. */
if (hDll != NULL) FreeLibrary(hDll);
if (hAcceptTh != NULL) TerminateThread(hAcceptTh, 0);
/* Ожидать завершения всех активных потоков сервера. */
for (ith = 0; ith < MAXCLIENTS; ith++) if (srv_arg .status != 0) {
WaitForSingleObject(srv_arg.srv_thd, INFINITE);
CloseHandle(srv_arg.srv_thd);
static DWORD WINAPI AcceptTh(SERVER_ARG * pThArg) {
/* Принимающий поток, который предоставляет основному потоку возможность опроса флага завершения. Кроме того, этот поток создает серверный поток. */
AddrLen = sizeof(ConnectSAddr);
pThArg->sock = accept(SrvSock, /* Это блокирующий вызов. */
(struct sockaddr *)&ConnectSAddr, &AddrLen);
/* Новое соединение. Создать серверный поток. */
pThArg->srv_thd = (HANDLE)_beginthreadex (NULL, 0, Server, pThArg, 0, &ThId);
return 0; /* Серверный поток продолжает выполняться. */
static DWORD WINAPI Server(SERVER_ARG * pThArg)
/* Функция серверного потока. Поток создается по требованию. */
/* Каждый поток поддерживает в стеке собственные структуры данных запроса, ответа и регистрационных записей. */
/* … Стандартные объявления из serverNP опущены … */
int (*dl_addr)(char *, char *);
char *ws = " \0\t\n"; /* Пробелы. */
GetStartupInfo(&StartInfoCh);
/* Создать имя временного файла. */
sprintf(TempFile, "%s%d%s", "ServerTemp", pThArg->number, ".tmp");
while (!Done && !ShutFlag) { /* Основной командный цикл. */
Disconnect = ReceiveRequestMessage(&Request, ConnectSock);
Done = Disconnect || (strcmp(Request.Record, "$Quit") == 0) || (strcmp(Request.Record, "$ShutDownServer") == 0);
/* Остановить этот поток по получении команды "$Quit" или "$ShutDownServer". */
hTrapFile = CreateFile(TempFile, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, &TempSA, CREATE_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
/* Проверка наличия этой команды в DLL. Для упрощения команды */
/* разделяемой библиотеки имеют более высокий приоритет по сравнению */
/* с командами процесса. Прежде всего, необходимо извлечь имя команды.*/
i = strcspn(Request.Record, ws); /* Размер лексемы. */
memcpy(sys_command, Request.Record, i) ;
dl_addr = NULL; /* Будет установлен в случае успешного выполнения функции GetProcAddress. */
if (pThArg->dlhandle != NULL) {/* Проверка поддержки "внутрипроцессного" сервера. */
dl_addr = (int (*)(char *, char *))GetProcAddress(pThArg->dlhandle, sys_command);
/* Защитить серверный процесс от исключений, возникающих в DLL*/
(*dl_addr)(Request.Record, TempFile);
} __except (EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) {
ReportError(_T("Исключение в DLL"), 0, FALSE);
if (dl_addr == NULL) { /* Поддержка внутрипроцессного сервера отсутствует. */
/* Создать процесс для выполнения команды. */
/* … То же, что в serverNP … */
} /* Конец основного командного цикла. Получить следующую команду. */
/* Конец командного цикла. Освободить ресурсы; выйти из потока. */
_tprintf(_T("Завершение работы сервера# %d\n"), pThArg->number);
if (strcmp(Request.Record, "$ShutDownServer") == 0) {
Замечания по поводу безопасности
В том виде, как она здесь представлена, данная клиент-серверная система не является безопасной. Если на вашей системе выполняется сервер и кому-то известен номер порта, через который вы работаете, и имя компьютера, то он может атаковать вашу систему. Другой пользователь, запустив клиентскую программу на своем компьютере, сможет выполнить на вашей системе команды, позволяющие, например, удалить или изменить файлы.
Полное обсуждение методов построения безопасных систем выходит за рамки данной книги. Тем не менее, в главе 15 показано, как обезопасить объекты Windows, а в упражнении 12.14 предлагается воспользоваться протоколом SSL.
Внутрипроцессные серверы
Как ранее уже отмечалось, основное усовершенствование программы serverSK связано с включением в нее внутрипроцессных серверов. В программе 12.3 показано, как написать библиотеку DLL, обеспечивающую услуги подобного рода. В программе представлены две уже известные вам функции - функция, осуществляющая подсчет слов, и функция toupper.
В соответствии с принятым соглашением первым параметром является командная строка, а вторым - имя выходного файла. Кроме того, следует всегда помнить о том, что функция будет выполняться в том же потоке, что и сервер, и это диктует необходимость соблюдения жестких требований относительно безопасности потоков, включая, но не ограничиваясь только этим, следующее:
Функции никоим образом не должны изменять окружение процесса. Например, если одна из функций изменит рабочий каталог, то это окажет воздействие на весь процесс.
Аналогично, функции не должны перенаправлять стандартный ввод и вывод.
Такие ошибки программирования, как выход индекса или указателя за пределы отведенного диапазона или переполнение стека, могут приводить к порче памяти, относящейся к другому потоку или самому процессу.
Утечка ресурсов, возникшая, например, в результате того, что системе не была своевременно возвращена освободившаяся память или не были закрыты дескрипторы, в конечном счете, окажет отрицательное воздействие на работу всей серверной системы.
Столь жесткие требования не предъявляются к процессам по той причине, что один процесс, как правило, не может нанести ущерб другим процессу, а после того, как процесс завершает свое выполнение, занимаемые им ресурсы автоматически освобождаются. В связи с этим служба, как правило, разрабатывается и отлаживается как поток, и лишь после того, как появится уверенность в надежности ее работы, она преобразуется в DLL.
В программе 12.3 представлена небольшая библиотека DLL, включающая две функции.
Программа 12.3. command: пример внутри процессных серверов/* Глава 12. commands.с. */
/* Команды внутрипроцессного сервера для использования в serverSK и так далее. */
/* Имеется несколько команд, реализованных в виде библиотек DLLs. */
/* Функция каждой команды принимает два параметра и обеспечивает */
/* безопасное выполнение в многопоточном режиме. Первым параметром */
/* является строка: команда arg1 arg2 … argn */
/* (то есть обычная командная строка), а вторым – имя выходного файла. … */
static void extract_token(int, char *, char *);
int wcip(char * command, char * output_file)
/* Счетчик слов; внутрипроцессный. */
/* ПРИМЕЧАНИЕ: упрощенная версия; результаты могут отличаться от тех, которые обеспечивает утилита wc. */
while ((c = fgetc(fin)) != EOF) {
/* … Стандартный код - для данного примера не является существенным … */
/* Записать результаты. */
fprintf(fout, " %9d %9d %9d %s\n", nl, nw, nc, input_file);
int toupperip(char * command, char * output_file)
/* Преобразует входные данные к верхнему регистру; выполняется внутри процесса. */
/* Вторая лексема задает входной файл (первая лексема – "toupperip"). */
extract_token(1, command, input_file);
fin = fopen(input_file, "r");
fout = fopen(output_file, "w");
while ((c = fgetc (fin)) != EOF) {
if (isalpha(c)) с = toupper(c);
static void extract_token(int it, char * command, char * token) {
/* Извлекает из "команды" лексему номер "it" (номером первой лексемы */
/* является "0"). Результат переходит в "лексему" (token) */
/* В качестве разделителей лексем используются пробелы. … */
Ориентированные на строки сообщения, точкив хода DLL и TLS
Программы serverSK и clientSK взаимодействуют между собой, обмениваясь сообщениями, каждое из которых состоит из 4-байтового заголовка, содержащего размер сообщения, и собственно содержимого. Обычной альтернативой такому подходу служат сообщения, отделяемые друг от друга символами конца строки (или перевода строки).
Трудность работы с такими сообщениями заключается в том, что длина сообщения заранее не известна, в связи с чем приходится проверять каждый поступающий символ. Однако получение по одному символу за один раз крайне неэффективно, и поэтому символы сохраняются в буфере, содержимое которого может включать один или несколько символов конца строки и составные части одного или нескольких сообщений. При этом в промежутках между вызовами функции получения сообщений необходимо поддерживать неизменным содержимое и состояние буфера. В однопоточной среде для этой цели могут быть использованы ячейки статической памяти, но совместное использование несколькими потоками одной и той же статической переменной невозможно.
В более общей формулировке, мы сталкиваемся здесь с проблемой сохранения долговременных состояний в многопоточной среде (multithreaded persistent state problem). Эта проблема возникает всякий раз, когда безопасная в отношении многопоточного выполнения функция должна поддерживать сохранение некоторой информации от одного вызова функции к другому. Такая же проблема возникает при работе с функцией strtook, входящей в стандартную библиотеку С, которая предназначена для просмотра строки для последовательного нахождения экземпляров определенной лексемы.
Решение проблемы долговременных состояний в многопоточной среде
В искомом решении сочетаются несколько компонентов:
Библиотека DLL, в которой содержатся функции, обеспечивающие отправку и прием сообщений.
Функция, представляющая точку входа в DLL.
Локальная область хранения потока (TLS, глава 7). Подключение процесса к библиотеке сопровождается созданием индекса DLL, а отключение - уничтожением. Значение индекса хранится в статическом хранилище, доступ к которому имеют все потоки.
Структура, в которой хранится буфер и его текущее состояние. Структура распределяется всякий раз, когда к библиотеке подключается новый поток, и его адрес сохраняется в записи TLS для данного потока. При отсоединении потока от библиотеки память, занимаемая его структурой, освобождается.
Таким образом, TLS играет роль статического хранилища, и у каждого потока имеется собственная уникальная копия этого хранилища.
Пример: безопасная многопоточная DLL для обмена сообщениями через сокет
Программа 12.4 представляет собой DLL, содержащую две функции для обработки символьных строк (в именах которых в данном случае присутствует "CS", от character string - строка символов), или потоковые функции сокета (socket streaming functions): SendCSMessage и ReceiveCSMessage, а также точку входа DllMain (см. главу 5). Указанные две функции играют ту же роль, что и функция ReceiveMessage, а также функции, использованные в программах 12.1 и 12.2, и фактически заменяют их.
Функция DllMain служит характерным примером решения проблемы долговременных состояний в многопоточной среде и объединяет TLS и библиотеки DLL.
Освобождать ресурсы при отсоединении потоков (случай DLL_THREAD_DETACH) особенно важно в случае серверной среды; если этого не делать, то ресурсы сервера, в конечном счете, исчерпаются, что может привести к сбоям в его работе или снижению производительности или к тому и другому одновременно.
Программа 12.4. SendReceiveSKST: безопасная многопоточная DLLПримечание
Некоторые из иллюстрируемых ниже концепций прямого отношения к сокетам не имеют, но, тем не менее, рассматриваются именно здесь, а не в предыдущих главах, поскольку данный пример предоставляет удобную возможность для иллюстрации методов создания безопасных многопоточных DLL в реалистических условиях.
Использующие эту DLL коды клиента и сервера, незначительно измененные по сравнению с программами 12.1 и 12.2, доступны на Web-сайте книги.
/* SendReceiveSKST.с - DLL многопоточного потокового сокета. */
/* В качестве разделителей сообщений используются символы конца */
/* строки ("\0"), так что размер сообщения заранее не известен. */
/* Поступающие данные буферизуются и сохраняются в промежутках между */
/* вызовами функций. */
/* Для этой цели используются локальные области хранения потоков */
/* (Thread Local Storage, TLS), обеспечивающие каждый из потоков */
/* собственным закрытым "статическим хранилищем". */
#include "ClntSrvr.h" /* Определяет записи запроса и ответа. */
/* "static_buf" содержит "static_buf_len" байтов остаточных данных. */
/* Символы конца строки (нулевые символы) могут присутствовать, а могут */
/* и не присутствовать. */
char static_buf ;
static DWORD TlsIx = 0; /* Индекс TLS – ДЛЯ КАЖДОГО ПРОЦЕССА СВОЙ ИНДЕКС.*/
/* Для однопоточной библиотеки использовались бы следующие определения:
static char static_buf ;
static LONG32 static_buf_len; */
/* Основная функция DLL. */
BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hinstDLL, DWORD fdwReason, LPVOID lpvReserved) {
/* Для основного потока подключение отсутствует, поэтому во время подключения процесса необходимо выполнить также операции по подключению потока. */
/* Указать, что память не была распределена. */
return TRUE; /* В действительности это значение игнорируется. */
/* Отсоединить также основной поток. */
BOOL ReceiveCSMessage(REQUEST *pRequest, SOCKET sd) {
/* Возвращаемое значение TRUE указывает на ошибку или отсоединение. */
LONG32 nRemainRecv = 0, nXfer, k; /* Должны быть целыми со знаком. */
CHAR TempBuf;
p = (STATIC_BUF *)TlsGetValue(TlsIx);
if (p == NULL) { /* Инициализация при первом вызове. */
/* Распределять это хранилище будут только те потоки, которым оно */
/* необходимо. Другие типы потоков могут использовать TLS для иных целей. */
р = malloc(sizeof(STATIC_BUF));
if (p == NULL) return TRUE; /* Ошибка. */
p->static_buf_len = 0; /* Инициализировать состояние. */
/* Считать до символа новой строки, оставляя остаточные данные в статическом буфере. */
for (k = 0; k < p->static_buf_len && p->static_buf[k] != "\0"; k++) {
message[k] = p->static_buf[k];
} /* k – количество переданных символов. */
if (k < p->static_buf_len) { /* В статическом буфере обнаружен нулевой символ. */
p->static_buf_len –= (k + 1); /* Скорректировать состояние статического буфера. */
memcpy(p->static_buf, &(p->static_buf), p->static_buf_len);
return FALSE; /* Входные данные сокета не требуются. */
/* Передан весь статический буфер. Признак конца строки не обнаружен.*/
nRemainRecv = sizeof(TempBuf) – 1 – p->static_buf_len;
pBuffer = message + p->static_buf_len;
while (nRemainRecv > 0 && !Disconnect) {
nXfer = recv(sd, TempBuf, nRemainRecv, 0);
/* Передать в целевое сообщение все символы вплоть до нулевого, если таковой имеется. */
for (k =0; k < nXfer && TempBuf[k] != "\0"; k++) {
if (k >= nXfer) { /*Признак конца строки не обнаружен, читать дальше*/
} else { /* Обнаружен признак конца строки. */
memcpy(p->static_buf, &TempBuf, nXfer – k – 1);
p->static_buf_len = nXfer – k – 1;
BOOL SendCSMessage(RESPONSE *pResponse, SOCKET sd) {
/* Послать запрос серверу в сокет sd. */
nRemainSend = strlen(pBuffer) + 1;
while (nRemainSend > 0 && !Disconnect) {
/* Отправка еще не гарантирует, что будет отослано все сообщение. */
nXfer = send(sd, pBuffer, nRemainSend, 0);
fprintf(stderr, "\nОтключение сервера до посылки запроса завершения");
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:
InterNetwork: адрес по протоколу IPv4
InterNetworkV6: адрес по протоколу IPv6
Ipx: адрес IPX или SPX
NetBios: адрес NetBios
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)
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
AddressFamily: возвращает все адреса, используемые сокетом. Данное свойство представляет одно из значений, определенных в одноименном перечислении AddressFamily . Перечисление содержит 18 различных значений, наиболее используемые:
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:
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 :
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.
Поиск
Мы можем оповещать вас о новых статьях,