Текст книги "UNIX: разработка сетевых приложений"

Автор книги: Уильям Ричард Стивенс

Соавторы: Эндрю М. Рудофф,Билл Феннер
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 88 страниц) [доступный отрывок для чтения: 32 страниц]

5.14. Сбой на узле сервера

В следующем примере мы проследим за тем, что происходит в случае сбоя на узле сервера. Чтобы мы могли имитировать эту ситуацию, клиент и сервер должны работать на разных узлах. Мы запускаем сервер, запускаем клиент, вводим строку на стороне клиента для проверки работоспособности соединения, отсоединяем узел сервера от сети и вводим еще одну строку на стороне клиента. Этот сценарий охватывает также ситуацию, в которой узел сервера становится недоступен во время отправки данных клиентом (например, после того как соединение установлено, выключается некий промежуточный маршрутизатор).

События развиваются следующим образом:

1. Когда происходит сбой на узле сервера, по существующим сетевым соединениям от сервера не отправляется никакой информации. Мы считаем, что на узле происходит именно сбой, а не завершение работы компьютера оператором (что мы рассмотрим в разделе 5.16).

2. Мы вводим строку на стороне клиента, она записывается с помощью функции writen(см. листинг 5.3) и отправляется протоколом TCP клиента как сегмент данных. Затем клиент блокируется в вызове функции readlineв ожидании отраженного ответа.

3. Если мы понаблюдаем за сетью с помощью программы tcpdump, то увидим, что TCP клиента последовательно осуществляет повторные передачи сегмента данных, пытаясь получить сегмент ACK от сервера. В разделе 25.11 [128] показан типичный образец повторных передач TCP: реализации, происходящие от Беркли, делают попытки передачи сегмента данных 12 раз, ожидая около 9 мин перед прекращением попыток. Когда TCP клиента наконец прекращает попытки ретрансляции (считая, что узел сервера за это время не перезагружался или что он все еще недоступен, если на узле сервера сбоя не было, но он был недоступен по сети), клиентскому процессу возвращается ошибка. Поскольку клиент блокирован в вызове функции readline, она и возвращает эту ошибку. Если на узле сервера произошел сбой, и на все сегменты данных клиента не было ответа, будет возвращена ошибка ETIMEDOUT. Но если некий промежуточный маршрутизатор определил, что узел сервера был недоступен, и ответил сообщением ICMP о недоступности получателя, клиент получит либо ошибку EHOSTUNREACH, либо ошибку ENETUNREACH.

Хотя наш клиент в конце концов обнаруживает, что собеседник выключен или недоступен, бывает, что нужно определить это раньше, чем пройдут условленные девять минут. В таком случае следует поместить тайм-аут в вызов функции readline, о чем рассказывается в разделе 14.2.

В описанном сценарии сбой на узле сервера можно обнаружить, только послав данные на этот узел. Если мы хотим обнаружить сбой на узле сервера, не посылая данные, требуется другая технология. Мы рассмотрим параметр сокета SO_KEEPALIVEв разделе 7.5.

5.15. Сбой и перезагрузка на узле сервера

В этом сценарии мы устанавливаем соединение между клиентом и сервером и затем считаем, что на узле сервера происходит сбой, после чего узел перезагружается. В предыдущем разделе узел сервера был выключен, когда мы отправляли ему данные. Здесь же перед отправкой данных серверу узел сервера перезагрузится. Простейший способ имитировать такую ситуацию – установить соединение, отсоединить сервер от сети, выключить узел сервера и перезагрузить его, а затем снова присоединить узел сервера к сети. Мы не хотим, чтобы клиент знал о завершении работы сервера (о такой ситуации речь пойдет в разделе 5.16).

Как было сказано в предыдущем разделе, если клиент не посылает данные серверу, то он не узнает о произошедшем на узле сервера сбое. (При этом считается, что мы не используем параметр сокета SO_KEEPALIVE.) События развиваются следующим образом:

1. Мы запускаем сервер, затем – клиент, и вводим строку для проверки установленного соединения. Получаем ответ сервера.

2. Узел сервера выходит из строя и перезагружается.

3. Мы вводим строку на стороне клиента, которая посылается как сегмент данных TCP на узел сервера.

4. Когда узел сервера перезагружается после сбоя, его TCP теряет информацию о существовавших до сбоя соединениях. Следовательно, TCP сервера отвечает на полученный от клиента сегмент данных, посылая RST.

5. Наш клиент блокирован в вызове функции readline, когда приходит сегмент RST, заставляющий функцию readlineвозвратить ошибку ECONNRESET.

Если для нашего клиента важно диагностировать выход из строя узла сервера, даже если клиент активно не посылает данные, то требуется другая технология (с использованием параметра сокета SO_KEEPALIVEили некоторых функций, проверяющих наличие связи в клиент-серверном соединении).

5.16. Выключение узла сервера

В двух предыдущих разделах рассматривался выход из строя узла сервера или недоступность узла сервера в сети. Теперь мы рассмотрим, что происходит, если узел сервера выключается оператором в то время, когда на этом узле выполняется наш серверный процесс.

Когда система Unix выключается, процесс initобычно посылает всем процессам сигнал SIGTERM(мы можем перехватить этот сигнал), ждет в течение некоторого фиксированного времени (часто от 5 до 20 с), а затем посылает сигнал SIGKILL(который мы перехватить не можем) всем еще выполняемым процессам. Это дает всем выполняемым процессам короткое время для завершения работы. Если мы не завершили выполнение процесса, это сделает сигнал SIGKILL. При завершении процесса закрываются все открытые дескрипторы, а затем мы проходим ту же последовательность шагов, что описывалась в разделе 5.12. Там же было отмечено, что в нашем клиенте следует использовать функцию selectили poll, чтобы клиент определил завершение процесса сервера, как только оно произойдет.

5.17. Итоговый пример TCP

Прежде чем клиент и сервер TCP смогут взаимодействовать друг с другом, каждый из них должен определить пару сокетов для соединения: локальный IP-адрес, локальный порт, удаленный IP-адрес, удаленный порт. На рис. 5.5 мы схематически изображаем эти значения черными кружками. На этом рисунке ситуация представлена с точки зрения клиента. Удаленный IP-адрес и удаленный порт должны быть заданы клиентом при вызове функции connect. Два локальных значения обычно выбираются ядром тоже при вызове функции connect. У клиента есть выбор: он может задать только одно из локальных значений или оба, вызвав функцию bindперед вызовом функции connect, однако второй подход используется редко.

Рис. 5.5. TCP-соединение клиент-сервер с точки зрения клиента

Как мы отмечали в разделе 4.10, клиент может получить два локальных значения, выбранных ядром, вызвав функцию getsocknameпосле установления соединения.

На рис. 5.6 показаны те же четыре значения, но с точки зрения сервера.

Рис. 5.6. TCP-соединение клиент-сервер с точки зрения сервера

Локальный порт (заранее известный порт сервера) задается функцией bind. Обычно сервер также задает в этом вызове универсальный IP-адрес, хотя может и ограничиться получением соединений, предназначенных для одного определенного локального интерфейса путем связывания с IP-адресом, записанным без символов подстановки (то есть не универсального). Если сервер связывается с универсальным IP-адресом на узле с несколькими сетевыми интерфейсами, он может определить локальный IP-адрес (указываемый как адрес отправителя в исходящих пакетах) при помощи вызова функции getsocknameпосле установления соединения (см. раздел 4.10). Два значения удаленного адреса возвращаются серверу при вызове функции accept. Как мы отмечали в разделе 4.10, если сервером, вызывающим функцию accept, выполняется с помощью функции exec другая программа, то эта программа может вызвать функцию getpeername, чтобы при необходимости определить IP-адрес и порт клиента.

5.18. Формат данных

В нашем примере сервер никогда не исследует запрос, который он получает от клиента. Сервер лишь читает все данные, включая символ перевода строки, и отправляет их обратно клиенту, отслеживая только разделитель строк. Это исключение, а не правило, так как обычно необходимо принимать во внимание формат данных, которыми обмениваются клиент и сервер.

Пример: передача текстовых строк между клиентом и сервером

Изменим наш сервер так, чтобы он, по-прежнему принимая текстовую строку от клиента, предполагал, что строка содержит два целых числа, разделенных пробелом, и возвращал сумму этих чисел. Функции mainнаших клиента и сервера остаются прежними, как и функция str_cli. Меняется только функция str_echo, что мы показываем в листинге 5.11.

Листинг 5.11. Функция str_echo, суммирующая два числа

//tcpcliserv/str_echo08.c

 1 #include "unp.h"

 2 void

 3 str_echo(int sockfd)

 4 {

 5  long arg1, arg2;

 6  ssize_t n;

 7  char line[MAXLINE];

 8  for (;;) {

 9   if ((n = Readline(sockfd, line, MAXLINE)) == 0)

10    return; /* соединение закрывается удаленным концом */

11   if (sscanf(line, "%ld%ld", &arg1, &arg2) == 2)

12    snprintf(line, sizeof(line), "%ldn", arg1 + arg2);

13   else

14    snprintf(line, sizeof(line), "input errorn");

15   n = strlen(line);

16   Writen(sockfd, line, n);

17  }

18 }

11-14 Мы вызываем функцию sscanf, чтобы преобразовать два аргумента из текстовых строк в целые числа типа long, а затем функцию snprintfдля преобразования результата в текстовую строку.

Эти клиент и сервер работают корректно вне зависимости от порядка байтов на их узлах.

Пример: передача двоичных структур между клиентом и сервером

Теперь мы изменим код клиента и сервера, чтобы передавать через сокет не текстовые строки, а двоичные значения. Мы увидим, что клиент и сервер работают некорректно, когда они запущены на узлах с различным порядком байтов или на узлах с разными размерами целого типа long(см. табл. 1.5).

Функции mainнаших клиента и сервера не изменяются. Мы определяем одну структуру для двух аргументов, другую структуру для результата и помещаем оба определения в наш заголовочный файл sum.h, представленный в листинге 5.12. В листинге 5.13 показана функция str_cli.

Листинг 5.12. Заголовочный файл sum.h

//tcpcliserv/sum.h

1 struct args {

2  long arg1;

3  long arg2;

4 };

5 struct result {

6  long sum;

7 };

Листинг 5.13. Функция str_cli, отправляющая два двоичных целых числа серверу

//tcpcliserv/str_cli09.c

 1 #include "unp.h"

 2 #include "sum.h"

 3 void

 4 str_cli(FILE *fp, int sockfd)

 5 {

 6  char sendline[MAXLINE];

 7  struct args args;

 8  struct result result;

 9  while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {

10   if (sscanf(sendline, "%ld%ld", &args.arg1, &args.arg2) != 2) {

11    printf("invalid input, %s", sendline);

12    continue;

13   }

14   Writen(sockfd, &args, sizeof(args));

15   if (Readn(sockfd, &result, sizeof(result)) == 0)

16    err_quit("str_cli: server terminated prematurely");

17   printf("%ldn", result.sum);

18  }

19 }

10-14 Функция sscanfпреобразует два аргумента из текстовых строк в двоичные. Мы вызываем функцию writenдля отправки структуры серверу.

15-17 Мы вызываем функцию readnдля чтения ответа и выводим результат с помощью функции printf.

В листинге 5.14 показана наша функция str_echo.

Листинг 5.14. Функция str_echo, складывающая два двоичных целых числа

//tcpcliserv/str_echo09.c

 1 #include "unp.h"

 2 #include "sum.h"

 3 void

 4 str_echo(int sockfd)

 5 {

 6  ssize_t n;

 7  struct args args;

 8  struct result result;

 9  for (;;) {

10   if ((n = Readn(sockfd, &args, sizeof(args))) == 0)

11    return; /* соединение закрыто удаленным концом */

12   result.sum = args.arg1 + args.arg2;

13   Writen(sockfd, &result, sizeof(result));

14  }

15 }

9-14 Мы считываем аргументы при помощи вызова функции readn, вычисляем и запоминаем сумму и вызываем функцию writenдля отправки результирующей структуры обратно.

Если мы запустим клиент и сервер на двух машинах с аналогичной архитектурой, например на двух компьютерах SPARC, все будет работать нормально:

solaris % tcpcli09 12.106.32.254

11 22  мы вводим эти числа

33    а это ответ сервера

-11 -44

-55

Но если клиент и сервер работают на машинах с разными архитектурами, например, сервер в системе FreeBSD на SPARC, в которой используется обратный порядок байтов (big-endian), а клиент – в системе Linux на Intel с прямым порядком байтов (little-endian), результат будет неверным:

linux % tcpcli09 206.168.112.96

1 2       мы вводим эти числа

3         и сервер дает правильный ответ

-22 -77   потом мы вводим эти числа

-16777314 и сервер дает неверный ответ

Проблема заключается в том, что два двоичных числа передаются клиентом через сокет в формате с прямым порядком байтов, а сервер интерпретирует их как целые числа, записанные с обратным порядком байтов. Мы видим, что это допустимо для положительных целых чисел, но для отрицательных такой подход не срабатывает (см. упражнение 5.8). Действительно, в подобной ситуации могут возникнуть три проблемы:

1. Различные реализации хранят двоичные числа в различных форматах. Наиболее характерный пример – прямой и обратный порядок байтов, описанный в разделе 3.4.

2. Различные реализации могут хранить один и тот же тип данных языка С по– разному. Например, большинство 32-разрядных систем Unix используют 32 бита для типа long, но 64-разрядные системы обычно используют 64 бита для того же типа данных (см. табл. 1.5). Нет никакой гарантии, что типы short, intили longимеют какой-либо определенный размер.

3. Различные реализации по-разному упаковывают структуры в зависимости от числа битов, используемых для различных типов данных, и ограничений по выравниванию для данного компьютера. Следовательно, неразумно передавать через сокет двоичные структуры.

Есть два общих решения проблемы, связанной с различными форматами данных:

1. Передавайте все численные данные как текстовые строки. Это то, что мы делали в листинге 5.11. При этом предполагается, что у обоих узлов один и тот же набор символов.

2. Явно определяйте двоичные форматы поддерживаемых типов данных (число битов и порядок байтов) и передавайте все данные между клиентом и сервером в этом формате. Пакеты удаленного вызова процедур (Remote Procedure Call, RPC) обычно используют именно эту технологию. В RFC 1832 [109] описывается стандарт представления внешних данных(External Data Representation, XDR), используемый с пакетом Sun RPC.

5.19. Резюме

Первая версия наших эхо-клиента и эхо-сервера содержала около 150 строк (включая функции readlineи writen), но многие ее детали пришлось модифицировать. Первой проблемой, с которой мы столкнулись, было превращение дочерних процессов в зомби, и для обработки этой ситуации мы перехватывали сигнал SIGCHLD. Затем наш обработчик сигнала вызывал функцию waitpid, и мы показали, что должны вызывать именно эту функцию вместо более старой функции wait, поскольку сигналы Unix не помещаются в очередь. В результате мы рассмотрели некоторые подробности обработки сигналов POSIX, аза дополнительной информацией по этой теме вы можете обратиться к [110, глава 10].

Следующая проблема, с которой мы столкнулись, состояла в том, что клиент не получал уведомления о завершении процесса сервера. Мы видели, что TCP нашего клиента получал уведомление, но оно не доходило до клиентского процесса, поскольку тот был блокирован в ожидании ввода пользователя. В главе 6 для обработки этого сценария мы будем использовать функции selectили poll, позволяющие ожидать готовности любого из множества дескрипторов вместо блокирования при обращении к одному дескриптору.

Мы также обнаружили, что если узел сервера выходит из строя, мы не можем определить это до тех пор, пока клиент не пошлет серверу какие-либо данные. Некоторые приложения должны узнавать об этом факте раньше, о чем мы поговорим далее, когда в разделе 7.5 будем рассматривать параметр сокета SO_KEEPALIVE.

В нашем простом примере происходил обмен текстовыми строками, и поскольку от сервера не требовалось просматривать отражаемые им строки, все работало нормально. Передача численных данных между клиентом и сервером может привести к ряду новых проблем, что и было продемонстрировано.

Упражнения

1. Создайте сервер TCP на основе листингов 5.1 и 5.2 и клиент TCP на основе листингов 5.3 и 5.4. Запустите сервер, затем запустите клиент. Введите несколько строк, чтобы проверить, что клиент и сервер работают. Завершите работу клиента, введя символ конца файла, и заметьте время. Используйте программу netstatна узле клиента для проверки того, что клиентский конец соединения проходит состояние TIME_WAIT. Запускайте netstatпримерно каждые 5 с, чтобы посмотреть, когда закончится состояние TIME_WAIT. Каково время MSL для вашей реализации?

2. Что происходит с нашим соединением клиент-сервер, если мы запускаем клиент и подключаем к стандартному потоку ввода двоичный файл?

3. В чем разница между нашим соединением клиент-сервер и использованием клиента Telnet для взаимодействия с нашим эхо-сервером?

4. В нашем примере в разделе 5.12 мы проверили, что первые два сегмента завершения соединения (сегмент FIN от сервера, на который затем клиент отвечает сегментом ACK) отправляются, при просмотре состояний сокета с помощью программы netstat. Происходит ли обмен двумя последними сегментами (FIN от клиента, на который затем сервер отвечает сегментом ACK)? Если да, то когда? Если нет, то почему?

5. Что произойдет с примером, рассмотренным в разделе 5.14, если между шагами 2 и 3 мы перезапустим сервер на узле сервера?

6. Чтобы проверить, что происходит с сигналом SIGPIPEв разделе 5.13, измените листинг 5.3 следующим образом. Напишите обработчик сигнала для SIGPIPE, который будет просто выводить сообщение и возвращать управление. Установите этот обработчик сигнала перед вызовом функции connect. Измените номер порта сервера на 13 (порт сервера времени и даты). Когда соединение установится, с помощью функции sleepвойдите в состояние ожидания на 2 с, с помощью функции writeзапишите несколько байтов в сокет, проведите в состоянии ожидания ( sleep) еще 2 с и с помощью функции writeзапишите еще несколько байтов. Запустите программу. Что происходит?

7. Что произойдет на рис. 5.5, если IP-адрес узла сервера, заданный клиентом при вызове функции connect, является IP-адресом, связанным с крайним правым канальным уровнем на стороне сервера, а не IP-адресом, связанным с крайним левым канальным уровнем?

8. В нашем примере эхо-сервера, осуществляющего сложение двух целых чисел (см. листинг 5.14), когда клиент и сервер принадлежат системам с различным порядком байтов, для небольших положительных чисел получается правильный ответ, но для небольших отрицательных чисел ответ неверен. Почему? ( Подсказка: нарисуйте схему обмена значениями через сокет, аналогичную рис. 3.4.)

9. В нашем примере в листинге 5.13 и 5.14 можем ли мы решить проблему, связанную с различным порядком байтов на стороне клиента и на стороне сервера, если клиент преобразует два аргумента в сетевой порядок байтов, используя функцию htonl, а сервер затем вызывает функцию ntohlдля каждого аргумента перед сложением и выполняет аналогичное преобразование результата?

10. Что произойдет в листинге 5.13 и 5.14, если в качестве узла клиента используется компьютер SPARC, где данные типа longзанимают 32 бита, а в качестве узла сервера – Digital Alpha, где данные типа longзанимают 64 бита? Изменится ли что-либо, если клиент и сервер поменяются местами?

11. На рис. 5.5 указано, что IP-адрес клиента выбирается IP на основе маршрутизации. Что это значит?

Глава 6
Мультиплексирование ввода-вывода: функции select и poll

6.1. Введение

В разделе 5.12 мы видели, что наш TCP-клиент обрабатывает два входных потока одновременно: стандартный поток ввода и сокет TCP. Проблема, с которой мы столкнулись, состояла в том, что пока клиент был блокирован в вызове функции fgets(чтение из стандартного потока ввода), процесс сервера мог быть уничтожен. TCP сервера корректно отправляет сегмент FIN протоколу TCP клиента, но поскольку процесс клиента блокирован при чтении из стандартного потока ввода, он не получит признак конца файла, пока не считает данные из сокета (возможно, значительно позже). Нам нужна возможность сообщить ядру, что мы хотим получить уведомления о том, что выполняется одно или несколько условий для ввода-вывода (например, присутствуют данные для считывания или дескриптор готов к записи новых данных). Эта возможность называется мультиплексированием(multiplexing) ввода-вывода и обеспечивается функциями selectи poll. Мы рассмотрим также более новый вариант функции select, входящей в стандарт POSIX, называемый pselect.

ПРИМЕЧАНИЕ

В некоторых системах предоставляются более мощные средства ожидания событий. Одним из механизмов является устройство опроса (poll device), которое по-разному реализуется разными производителями. Этот механизм описывается в главе 14.

Мультиплексирование ввода-вывода обычно используется сетевыми приложениями в следующих случаях:

■ Когда клиент обрабатывает множество дескрипторов (обычно интерактивный ввод и сетевой сокет), должно использоваться мультиплексирование ввода– вывода. Это сценарий, который мы только что рассмотрели.

■ Возможно, хотя это и редкий случай, что клиент одновременно обрабатывает множество сокетов. Такой пример мы приведем в разделе 16.5 при использовании функции selectв контексте веб-клиента.

■ Если сервер TCP обрабатывает и прослушиваемый сокет, и присоединенные сокеты, обычно используется мультиплексирование ввода-вывода, как это показано в разделе 6.8.

■ Если сервер работает и с TCP, и с UDP, обычно также используется мультиплексирование ввода-вывода. Такой пример мы приводим в разделе 8.15.

■ Если сервер обрабатывает несколько служб и, возможно, несколько протоколов (например, демон inetd, который описан в разделе 12.5), обычно используется мультиплексирование ввода-вывода.

Область применения мультиплексирования ввода-вывода не ограничивается только сетевым программированием. Любому нетривиальному приложению часто приходится использовать эту технологию.