Сетевые сокеты
Мы переходим к рассмотрению самого важного и универсального типа сокетов – сетевых сокетов. Думаю, что о значении, которое имеют сетевые сокеты в Unix-системах, распространяться не нужно. Даже если вы пишете систему приложений, предназначенных для работы на одном компьютере, рассмотрите возможность использования сетевых сокетов для обмена данными между этими приложениями. Возможно, в будущем ваш программный комплекс наберет мощь и возникнет необходимость распределить его компоненты на нескольких машинах.
Использование сетевых сокетов сделает процесс масштабирования проекта безболезненным. Впрочем, у сетевых сокетов есть и недостатки. Даже если сокеты используются для обмена данными на одной и той же машине, передаваемые данные должны пройти все уровни сетевого стека, что отрицательно сказывается на быстродействии и нагрузке на систему.
В качестве примера мы рассмотрим комплекс из двух приложений, клиента и сервера, использующих сетевые сокеты для обмена данными. Текст программы сервера вы найдете в файле netserver.c, ниже мы приводим некоторые фрагменты. Прежде всего, мы должны получить дескриптор сокета:
sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (socket < 0) { printf("socket() failed: %d\n", errno); return EXIT_FAILURE; }
В первом параметре функции socket() мы передаем константу AF_INET, указывающую на то, что открываемый сокет должен быть сетевым. Значение второго параметра требует, чтобы сокет был потоковым. Далее мы, как и в случае сокета в файловом пространстве имен, вызываем функцию bind():
serv_addr.sin_family = AF_INET; serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; serv_addr.sin_port = htons(port); if (bind(sock, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) { printf("bind() failed: %d\n", errno); return EXIT_FAILURE; }
Переменная serv_addr, - это структура типа sockaddr_in. Тип sockaddr_in специально предназначен для хранения адресов в формате Интернета. Самое главное отличие sockaddr_in от sockaddr_un – наличие параметра sin_port, предназначенного для хранения значения порта. Функция htons() переписывает двухбайтовое значение порта так, чтобы порядок байтов соответствовал принятому в Интернете (см. ). В качестве семейства адресов мы указываем AF_INET (семейство адресов Интернета), а в качестве самого адреса – специальную константу INADDR_ANY. Благодаря этой константе наша программа сервер зарегистрируется на всех адресах той машины, на которой она выполняется. Остроконечники и тупоконечники
Именно так переводятся на русский язык термины little-endian и big-endian. В компьютерной литературе эти термины обозначают порядок байтов, используемый процессором для представления простых многобайтовых типов (например, 32-битного целого). В оригинале же (то есть в сказочной повести Дж. Свифта «Гулливер в стране лилипутов») так именовались враждебные общественные течения, приверженцы которых придерживались противоположных взглядов на порядок очистки яйца от скорлупы. Разногласия между остроконечниками и тупоконечниками даже стали причинной войны между Лилипутией и враждебным государством Блефуску. Впрочем, в компьютерном мире проблемы порядка байтов могут достигать совсем не лилипутских размеров. На процессорах Intel порядок байтов остроконечный, а, например, в системах MacOS X – Power PC Sun SPARC - тупоконечный (если учесть, что Apple отказалась от PowerPC, а Sun заменяет RISC-архитектуры оптеронами, получится, что остроконечники побеждают). Однако протоколы Интернета используют «тупоконечный» порядок байтов. Для того чтобы избежать путаницы, во всех системах, включая «тупоконечников» рекомендуется использовать функцию htons(). Эта функция «знает» порядок байтов в системе и, если нужно, приводит его в соответствие с принятым в протоколах TCP/IP. В русскоязычном Интернете одно время кочевала статья, в которой утверждалась (впрочем, шутливо), что чуждый для Intel порядок байтов и вызванная этим необходимость в дополнительной операции перестановки являются результатом заговора со стороны гигантских софтверных компаний. В книге [] используются термины «прямой порядок байтов» для little-endian и «обратный порядок байтов» для big-endian.
Чтобы понять, что мы должны делать дальше, давайте вспомним, как работает сетевая подсистема Unix и, в данном случае, любой другой ОС. Сетевой сервер должен уметь выполнять запросы множества клиентов одновременно (наш сервер netserver.c фактически может обработать запрос только одного клиента, но речь сейчас идет об общем случае). При этом в соединениях «точка-точка», например, при использовании потоковых сокетов, для каждого клиента у сервера должен быть открыт отдельный сокет. Из этого следует, что мы не должны устанавливать соединение с клиентом через сам сокет sock, предназначенный для прослушивания входящих запросов (обычно, при использовании сетевых сокетов мы и не можем этого сделать), иначе все другие попытки соединиться с сервером по указанному адресу и порту будут заблокированы. Вместо этого мы вызываем функцию listen(2), которая переводит сервер в режим ожидания запроса на соединение:
listen(sock, 1);
Второй параметр listen() – максимальное число соединений, которые сервер может обрабатывать одновременно. Далее мы вызываем функцию accept(2), которая устанавливает соединение в ответ на запрос клиента:
newsock = accept(sock, (struct sockaddr *) &cli_addr, &clen); if (newsock < 0) { printf("accept() failed: %d\n", errno); return EXIT_FAILURE; }
Получив запрос на соединение, функция accept() возвращает новый сокет, открытый для обмена данными с клиентом, запросившим соединение. Сервер как бы перенаправляет запрошенное соединение на другой сокет, оставляя сокет sock свободным для прослушивания запросов на установку соединения. Второй параметр функции accept() содержит сведения об адресе клиента, запросившего соединение, а третий параметр указывает размер второго. Так же как и при вызове функции recvfom(), мы можем передать NULL в последнем и предпоследнем параметрах. Для чтения и записи данных сервер использует функции read() и write(), а для закрытия сокетов, естественно, close(). В программе-клиенте (netclient.c) нам, прежде всего, нужно решить задачу, с которой мы не сталкивались при написании сервера, а именно выполнить преобразование доменного имени сервера в его сетевой адрес. Разрешение доменных имен выполняет функция gethostbyname():
server = gethostbyname(argv[1]); if (server == NULL) { printf("Host not found\n"); return EXIT_FAILURE; }
Функция получает указатель на строку с Интернет-именем сервера (например, www.unix.com или 192.168.1.16) и возвращает указатель на структуру hostent (переменная server), которая содержит имя сервера в приемлемом для дальнейшего использования виде. При этом, если необходимо, выполняется разрешение доменного имени в сетевой адрес. Далее мы заполняем поля переменной serv_addr (структуры sockaddr_in) значениями адреса и порта:
serv_addr.sin_family = AF_INET; strncpy((char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr, (char *)server->h_addr, server->h_length); serv_addr.sin_port = htons(port);
Программа-клиент открывает новый сокет с помощью вызова функции socket() аналогично тому, как это делает сервер (дескриптор сокета, который возвращает socket() мы сохраним в переменной sock), и вызывает функцию connect(2) для установки соединения:
if (connect(sock, &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) { printf("connect() failed: %d", errno); return EXIT_FAILURE; }
Теперь сокет готов к передаче и приему данных. Программа-клиент считывает символы, вводимые пользователем в окне терминала. Когда пользователь нажимает <Ввод>, программа передает данные серверу, ждет ответного сообщения сервера и распечатывает его.
На протяжении этой статьи мы несколько раз упоминали не-блокирующие сокеты. Остановимся на них немного подробнее. О не-блокирующих сокетах вам нужно знать, прежде всего, то, что ими можно не пользоваться. Благодаря многопоточному (многопрограммному) программированию мы можем использовать блокирующие сокеты во всех ситуациях (и тогда, когда нам нужно обрабатывать несколько сокетов одновременно, и тогда, когда нам требуется возможность прервать операцию, выполняемую над сокетом). Рассмотрим, тем не менее, две функции, необходимые для работы с не-блокирующими сокетами. По умолчанию функция socket() создает блокирующий сокет. Чтобы сделать его не- блокирующим, мы используем функцию fcntl(2):
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); fcntl(sock, F_SETFL, O_NONBLOCK);
Теперь любой вызов функции read() для сокета sock будет возвращать управление сразу же. Если на входе сокета нет данных для чтения, функция read() вернет значение EAGAIN. Для поверки состояния не-блокирующих сокетов можно воспользоваться функцией select(2). Функция select() способна проверять состояние нескольких дескрипторов сокетов (или файлов) сразу. Первый параметр функции – количество проверяемых дескрипторов. Второй, третий и четвертый параметры функции представляют собой наборы дескрипторов, которые следует проверять, соответственно, на готовность к чтению, записи и на наличие исключительных ситуаций. Сама функция select() – блокирующая, она возвращает управление, если хотя бы один из проверяемых сокетов готов к выполнению соответствующей операции. В качестве последнего параметра функции select() можно указать интервал времени, по прошествии которого она вернет управление в любом случае. Вызов select() для проверки наличия входящих данных на сокете sock может выглядеть так:
fd_set set; struct timeval interval; FD_SET(sock, &set); tv.tv_sec = 1; tv.tv_usec = 500000; ... select(1, &set, NULL, NULL, &tv); if (FD_ISSET(sock, &set) { // Есть данные для чтения }
Все, что касается функции select() теперь объявляется в заголовочном файле <sys/select.h> (раньше объявления элементов функции select() были разбросаны по файлам <sys/types.h>, <sys/time.h> и <stdlib.h>). В приведенном фрагменте кода FD_SET и FD_ISSET – макросы, предназначенные для работы с набором дескрипторов fd_set.
На этом мы закончим знакомство с увлекательным миром межпроцессного взаимодействия Linux. Следующая статья будет посвящена управлению процессами, сигналам и потокам.
