Текст книги "UNIX: разработка сетевых приложений"

Автор книги: Уильям Ричард Стивенс

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

Текущая страница: 21 (всего у книги 88 страниц) [доступный отрывок для чтения: 32 страниц]

Параметр сокета SO_OOBINLINE

Когда установлен этот параметр, внеполосные данные помещаются в очередь нормального ввода (то есть вместе с обычными данными (inline)). Когда это происходит, флаг MSG_OOBне может быть использован для чтения полученных внеполосных данных. Более подробно внеполосные данные мы рассмотрим в главе 24.

Параметры сокета SO_RCVBUF и SO_SNDBUF

У каждого сокета имеется буфер отправки и приемный буфер (буфер приема). Мы изобразили действие буферов отправки TCP, UDP и SCTP на рис. 2.15, 2.16 и 2.17.

Приемные буферы используются в TCP, UDP и SCTP для хранения полученных данных, пока они не будут считаны приложением. В случае TCP доступное пространство в приемном буфере сокета – это окно, размер которого TCP сообщает другому концу соединения. Приемный буфер сокета TCP не может переполниться, поскольку собеседнику не разрешается отправлять данные, размер которых превышает размер окна. Так действует управление передачей TCP, и если собеседник игнорирует объявленное окно и отправляет данные, превышающие его размер, принимающий TCP игнорирует эти данные. Однако в случае UDP дейтаграмма, не подходящая для приемного буфера сокета, игнорируется. Вспомните, что в UDP отсутствует управление потоком: более быстрый отправитель легко переполнит буфер медленного получателя, заставляя UDP получателя игнорировать дейтаграммы, как мы покажем в разделе 8.13. Более того, быстрый отправитель может переполнить даже собственный сетевой интерфейс, так что дейтаграммы будут сбрасываться еще до отправки их с исходного узла.

Указанные в заголовке раздела параметры позволяют нам изменять размеры буферов, заданные по умолчанию. Значения по умолчанию сильно отличаются в зависимости от реализации. Более ранние реализации, происходящие от Беркли, по умолчанию имели размеры буферов отправки и приема 4096 байт, а более новые системы используют буферы больших размеров, от 8192 до 61 440 байт. Размер буфера отправки UDP по умолчанию часто составляет около 9000 байт, а если узел поддерживает NFS, то размер приемного буфера UDP увеличивается до 40 000 байт.

При установке размера приемного буфера сокета TCP важен порядок вызова функций, поскольку в данном случае учитывается параметр масштабирования окна TCP (см. раздел 2.5). При установлении соединения обе стороны обмениваются сегментами SYN, в которых может содержаться этот параметр. Для клиента это означает, что параметр сокета SO_RCVBUFдолжен быть установлен перед вызовом функции connect. Для сервера это означает, что данный параметр должен быть установлен для прослушиваемого сокета перед вызовом функции listen. Установка этого параметра для присоединенного сокета никак не повлияет на параметр масштабирования окна, поскольку функция acceptне возвращает управление процессу, пока не завершится трехэтапное рукопожатие TCP. Поэтому данный параметр должен быть установлен для прослушиваемого сокета. (Размеры буферов сокета всегда наследуются от прослушиваемого сокета создаваемым присоединенным сокетом [128, с. 462-463]).

Размеры буферов сокета TCP должны быть как минимум вчетверо больше MSS (максимальный размер сегмента) для соединения. Если мы имеем дело с направленной передачей данных, такой как передача файла в одном направлении, то говоря «размеры буферов сокета», мы подразумеваем буфер отправки сокета на отправляющем узле или приемный буфер сокета на принимающем узле. В случае двусторонней передачи данных мы имеем в виду оба размера буферов на обоих узлах. С типичным размером буфера 8192 байт или больше и типичным MSS, равным 512 или 1460 байт, это требование обычно выполняется. Проблемы были замечены в сетях с большими MTU (максимальная единица передачи), которые предоставляют MSS больше обычного (например, в сетях ATM с MTU, равной 9188).

ПРИМЕЧАНИЕ

Значение минимального множителя (4) обусловлено принципом работы алгоритма быстрого восстановления TCP. Отправитель использует три двойных подтверждения, чтобы обнаружить утерянный пакет (RFC 2581 [4]). Получатель отправляет двойное подтверждение для каждого сегмента, принятого после того, который был пропущен. Если размер окна меньше четырех сегментов, трех двойных подтверждений не будет и алгоритм быстрого восстановления не сработает.

Размеры буфера сокета TCP должны быть также четное число раз кратны размеру MSS для соединения. Некоторые реализации выполняют это требование для приложения, округляя размеры в сторону большего размера буфера сокета после установления соединения [128, с. 902]. Это другая причина, по которой следует задавать эти два параметра сокета перед установлением соединения. Например, если использовать размеры, заданные по умолчанию в 4.4BSD (8192 байт), и считать, что используется Ethernet с размером MSS, равным 1460 байт, то при установлении соединения размеры обоих буферов сокета будут округляться до 8760 байт (6×1460). Это требование не жесткое, лишнее место в буфере просто не будет использоваться.

Другое соображение относительно установки размеров буфера сокета связано с производительностью. На рис. 7.6 показано соединение TCP между двумя конечными точками (которое мы называем каналом) с вместимостью, допускающей передачу восьми сегментов.

Рис. 7.6. Соединение TCP (канал), вмещающее восемь сегментов

Мы показываем четыре сегмента данных вверху и четыре сегмента ACK внизу. Даже если в канале только четыре сегмента данных, у клиента должен быть буфер отправки, вмещающий минимум восемь сегментов, потому что TCP клиента должен хранить копию каждого сегмента, пока не получен сегмент ACK от сервера.

ПРИМЕЧАНИЕ

Здесь мы игнорируем некоторые подробности. Прежде всего, алгоритм медленного запуска TCP ограничивает скорость, с которой сегменты начинают отправляться по соединению, которое до этого было неактивным. Далее, TCP часто подтверждает каждый второй сегмент, а не каждый сегмент, как мы это показываем. Все эти подробности описаны в главах 20 и 24 [111].

Нам необходимо понять принцип функционирования двустороннего канала и узнать, что такое его вместимость и как она влияет на размеры буферов сокетов на обоих концах соединения. Вместимость канала характеризуется произведением пропускной способности на задержку(bandwidth-delay product). Мы будем вычислять ее, умножая пропускную способность канала (в битах в секунду) на период обращения (RTT, round-trip time) (в секундах) и преобразуя результат из битов в байты. RTT легко измеряется с помощью утилиты ping. Пропускная способность – это значение, соответствующее наиболее медленной связи между двумя конечными точками; предполагается, что это значение каким-то образом определено. Например, линия T1 (1 536 000 бит/с) с RTT 60 мс дает произведение пропускной способности на задержку, равное 11 520 байт. Если размеры буфера сокета меньше указанного, канал не будет заполнен и производительность окажется ниже предполагаемой. Большие буферы сокетов требуются, когда повышается пропускная способность (например, для линии T3, где она равна 45 Мбит/с) или когда увеличивается RTT (например, спутниковые каналы связи с RTT около 500 мс). Когда произведение пропускной способности на задержку превосходит максимальный нормальный размер окна TCP (65 535 байт), обоим концам соединения требуются также параметры TCP для канала с повышенной пропускной способностью (long fat pipe), о которых мы упоминали в разделе 2.6.

ПРИМЕЧАНИЕ

В большинстве реализаций размеры буферов отправки и приема ограничиваются некоторым предельным значением. В более ранних реализациях, происходящих от Беркли, верхний предел был около 52 000 байт, но в новых реализациях предел по умолчанию равен 256 000 байт или больше, и обычно администратор имеет возможность увеличивать его. К сожалению, не существует простого способа, с помощью которого приложение могло бы узнать этот предел. POSIX определяет функцию fpathconf, поддерживаемую большинством реализаций, а в качестве второго аргумента этой функции должна использоваться константа _PC_SOCK_MAXBUF. Приложение может также попытаться установить желаемый размер буфера сокета, а если попытка окажется неудачной, сократить размер вдвое и вызвать функцию снова. Наконец, приложение должно убедиться, что оно не уменьшает размер буфера по умолчанию, задавая свое собственное значение. В первую очередь следует вызвать getsockopt для определения значения, установленного по умолчанию, которое вполне может оказаться достаточным.

Параметры сокета SO_RCVLOWAT и SO_SNDLOWAT

Каждый сокет характеризуется также минимальным количеством данных (low– water mark) для буферов приема и отправки. Эти значения используются функцией select, как мы показали в разделе 6.3. Указанные параметры сокета позволяют нам изменять эти два значения.

Минимальное количество данных – это количество данных, которые должны находиться в приемном буфере сокета, чтобы функция selectвозвратила ответ «Сокет готов для чтения». По умолчанию это значение равно 1 для сокетов TCP и UDP. Минимальный объем для буфера отправки – это количество свободного пространства, которое должно быть в буфере отправки сокета, чтобы функция select возвратила «Сокет готов для записи». Для сокетов TCP по умолчанию оно обычно равно 2048. С UDP это значение используется так, как мы показали в разделе 6.3, но поскольку число байтов доступного пространства в буфере отправки для сокета UDP никогда не изменяется (поскольку UDP не хранит копии дейтаграмм, отправленных приложением), сокет UDP всегда готов для записи, пока размер буфера отправки сокета UDP больше минимального объема. Вспомните рис. 2.16: UDP не имеет настоящего буфера отправки, у него есть только параметр размера буфера отправки.

Параметры сокета SO_RCVTIMEO и SO_SNDTIMEO

Эти два параметра сокета позволяют нам устанавливать тайм-аут при получении и отправке через сокет. Обратите внимание, что аргумент двух функций sockopt– это указатель на структуру timeval, ту же, которую использует функция select(раздел 6.3). Это позволяет использовать для задания тайм-аута секунды и миллисекунды. Отключение тайм-аута осуществляется установкой его значения в 0 секунд и 0 миллисекунд. Оба тайм-аута по умолчанию отключены.

Тайм-аут приема влияет на пять функций ввода: read, readv, recv, recvfromи recvmsg. Тайм-аут отправки влияет на пять функций вывода: write, writev, send, sendtoи sendmsg. Более подробно о тайм-аутах сокета мы поговорим в разделе 14.2.

ПРИМЕЧАНИЕ

Эти два параметра сокета и концепция тайм-аута сокетов вообще были добавлены в реализации 4.3BSD Reno.

В реализациях, происходящих от Беркли, указанные параметры инициализируют таймер отсутствия активности, а не абсолютный таймер системного вызова чтения или записи. На с. 496 и 516 [128] об этом рассказывается более подробно.

Параметры сокета SO_REUSEADDR и SO_REUSEPORT

Параметр сокета SO_REUSEADDRслужит для четырех целей.

1. Параметр SO_REUSEADDRпозволяет прослушивающему серверу запуститься и с помощью функции bindсвязаться со своим заранее известным портом, даже если существуют ранее установленные соединения, использующие этот порт в качестве своего локального порта. Эта ситуация обычно возникает следующим образом:

 1) запускается прослушивающий сервер;

 2) от клиента приходит запрос на соединение, и для обработки этого клиента генерируется дочерний процесс;

 3) прослушивающий сервер завершает работу, но дочерний процесс продолжает обслуживание клиента на существующем соединении;

 4) прослушивающий сервер перезапускается.

По умолчанию, когда прослушивающий сервер перезапускается при помощи вызова функций socket, bindи listen, вызов функции bindоказывается неудачным, потому что прослушивающий сервер пытается связаться с портом, который является частью существующего соединения (обрабатываемого ранее созданным дочерним процессом). Но если сервер устанавливает параметр сокета SO_REUSEADDRмежду вызовами функций socketи bind, последняя выполнится успешно. Все серверы TCP должны задавать этот параметр сокета, чтобы позволить перезапускать сервер в подобной ситуации.

ПРИМЕЧАНИЕ

Этот сценарий вызывает больше всего вопросов в Usenet.

2. Параметр SO_REUSEADDRпозволяет множеству экземпляров одного и того же сервера запускаться на одном и том же порте, если все экземпляры связываются с различными локальными IP-адресами. Это типичная ситуация для узла, на котором размещаются несколько серверов HTTP, использующих технологию альтернативных IP-адресов, или псевдонимов (IP alias technique) (см. раздел А.4). Допустим, первичный IP-адрес локального узла – 198.69.10.2, но он имеет два альтернативных адреса – 198.69.10.128 и 198.69.10.129. Запускаются три сервера HTTP. Первый сервер с помощью функции bind свяжется с локальным IP-адресом 198.69.10.128 и локальным портом 80 (заранее известный порт HTTP). Второй сервер с помощью функции bindсвяжется с локальным IP-адресом 198.69.10.129 и локальным портом 80. Но второй вызов функции bindне будет успешным, пока не будет установлен параметр SO_REUSEADDRперед обращением к ней. Третий сервер вызовет функцию bind с универсальным адресом в качестве локального IP-адреса и локальным портом 80. И снова требуется параметр SO_REUSEADDR, для того чтобы последний вызов оказался успешным. Если считать, что установлен параметр SO_REUSEADDRи запущены три сервера, то входящие запросы TCP на соединение с IP-адресом получателя 198.69.10.128 и портом получателя 80 доставляются на второй сервер, входящие запросы на соединение с IP-адресом получателя 198.69.10.129 и портом получателя 80 – на третий сервер, а все остальные входящие запросы TCP на соединение с портом получателя 80 доставляются на первый сервер. Этот сервер обрабатывает запросы, адресованные на 198.69.10.2, в дополнение к другим альтернативным IP-адресам, для которых этот узел может быть сконфигурирован. Символ подстановки означает в данном случае «все, для чего не нашлось более точного совпадения». Заметим, что этот сценарий, допускающий множество серверов для данной службы, обрабатывается автоматически, если сервер всегда устанавливает параметр сокета SO_REUSEADDR(как мы рекомендуем).

TCP не дает нам возможности запустить множество серверов, которые с помощью функции bindсвязываются с одним и тем же IP-адресом и одним и тем же портом: это случай полностью дублированного связывания( completely duplicate binding). То есть мы не можем запустить один сервер, связывающийся с адресом 198.69.10.2 и портом 80, и другой сервер, также связывающийся с адресом 198.69.10.2 и портом 80, даже если для второго сервера мы установим параметр SO_REUSEADDR.

По соображениям безопасности некоторые операционные системы запрещают связывать несколько серверов с адресом подстановки, то есть описанный выше сценарий не работает даже с использованием параметра SO_REUSEADDR. В такой системе сервер, связываемый с адресом подстановки, должен запускаться последним. Таким образом предотвращается привязка сервера злоумышленника к IP-адресу и порту, которые уже обрабатываются системной службой. Особенно это важно для службы NFS, которая обычно не использует выделенный порт.

3. Параметр SO_REUSEADDRпозволяет одиночному процессу связывать один и тот же порт с множеством сокетов, так как при каждом связывании задается уникальный IP-адрес. Это обычное явление для серверов UDP, так как им необходимо знать IP-адрес получателя запросов клиента в системах, не поддерживающих параметр сокета IP_RECVSTADDR. Эта технология обычно не применяется с серверами TCP, поскольку сервер TCP всегда может определить IP-адрес получателя при помощи вызова функции getsockname, после того как соединение установлено. Однако на многоинтерфейсном узле сервер TCP, работающий с частью адресов локального узла, мог бы воспользоваться этой функцией.

4. Параметр SO_REUSEADDRдопускает полностью дублированное связывание: связывание с помощью функции bindс IP-адресом и портом, когда тот же IP-адрес и тот же порт уже связаны с другим сокетом. Обычно это свойство доступно только в системах с поддержкой многоадресной передачи без поддержки параметра сокета SO_REUSEPORT (который мы опишем чуть ниже), и только для сокетов UDP (многоадресная передача не работает с TCP).

Это свойство применяется при многоадресной передаче для многократного выполнения одного и того же приложения на одном и том же узле. Когда приходит дейтаграмма UDP для одного из многократно связанных сокетов, действует следующее правило: если дейтаграмма предназначена либо для широковещательного адреса, либо для адреса многоадресной передачи, то одна копия дейтаграммы доставляется каждому сокету. Но если дейтаграмма предназначена для адреса направленной передачи, то дейтаграмма доставляется только на один сокет. Какой сокет получит дейтаграмму, если в случае направленной передачи существует множество сокетов, соответствующих дейтаграмме, – зависит от реализации. На с. 777-779 [128] об этом свойстве рассказывается более подробно. О широковещательной и многоадресной передаче мы поговорим соответственно в главах 20 и 21.

В упражнениях 7.5 и 7.6 показаны примеры использования этого параметра сокета.

Вместо того чтобы перегружать параметр SO_REUSEADDRсемантикой многоадресной передачи, допускающей полностью дублированное связывание, в 4.4BSD был введен новый параметр сокета SO_REUSEPORT, обладающий следующей семантикой:

1. Этот параметр допускает полностью дублированное связывание, но только если каждый сокет, который хочет связаться с тем же IP-адресом и портом, задает этот параметр сокета.

2. Параметр SO_REUSEADDRсчитается эквивалентным параметру SO_REUSEPORT, если связываемый IP-адрес является адресом многоадресной передачи [128, с. 731].

Проблема с этим параметром сокета заключается в том, что не все системы его поддерживают. В системах без поддержки этого параметра, но с поддержкой многоадресной передачи его функции выполняет параметр SO_REUSEADDR, допускающий полностью дублированное связывание, когда оно имеет смысл (то есть когда имеется сервер UDP, который может быть запущен много раз на одном и том же узле в одно и то же время, предполагающий получать либо широковещательные дейтаграммы, либо дейтаграммы многоадресной передачи).

Обобщить обсуждение этих параметров сокета можно с помощью следующих рекомендаций:

1. Устанавливайте параметр SO_ REUSEADDRперед вызовом функции bindна всех серверах TCP.

2. При создании приложения многоадресной передачи, которое может быть запущено несколько раз на одном и том же узле в одно и то же время, устанавливайте параметр SO_REUSEADDRи связывайтесь с адресом многоадресной передачи, используемым в качестве локального IP-адреса.

Более подробно об этих параметрах сокета рассказывается в главе 22 [128].

Существует потенциальная проблема безопасности, связанная с использованием параметра SO_REUSEADDR. Если существует сокет, связанный, скажем, с универсальным адресом и портом 5555, то, задав параметр SO_REUSEADDR, мы можем связать этот порт с другим IP-адресом, например с основным (primary) IP-адресом узла. Любые приходящие дейтаграммы, предназначенные для порта 5555 и IP– адреса, который мы связали с нашим сокетом, доставляются на наш сокет, а не на другой сокет, связанный с универсальным адресом. Это могут быть сегменты SYN TCP или дейтаграммы UDP. (В упражнении 11.9 показано это свойство для UDP.) Для большинства известных служб, таких как HTTP, FTP и Telnet, это не составляет проблемы, поскольку все эти серверы связываются с зарезервированным портом. Следовательно, любой процесс, запущенный позже и пытающийся связаться с конкретным экземпляром этого порта (то есть пытающийся завладеть портом), требует прав привилегированного пользователя. Однако NFS (Network File System – сетевая файловая система) может вызвать проблемы, поскольку ее стандартный порт (2049) не зарезервирован.

ПРИМЕЧАНИЕ

Одна из сопутствующих проблем API сокетов в том, что установка пары сокетов выполняется с помощью двух вызовов функций (bind и connect) вместо одного. В [122] предлагается одиночная функция, разрешающая эту проблему:

int bind_connect_listen(int sockfd,

 const struct sockaddr * laddr, int laddrlen,

 const struct sockaddr * faddr, int faddrlen,

 int listen);

Аргумент laddr задает локальный IP-адрес и локальный порт, аргумент faddr – удаленный IP-адрес и удаленный порт, аргумент listen задает клиент (0) или сервер (значение ненулевое; то же, что и аргумент backlog функции listen). В таком случае функция bind могла бы быть библиотечной функцией, вызывающей эту функцию с пустым указателем faddr и нулевым faddrlen, а функция connect – библиотечной функцией, вызывающей эту функцию с пустым указателем laddr и нулевым laddrlen. Существует несколько приложений, особенно FTP, которым необходимо задавать и локальную пару, и удаленную пару, которые могут вызывать bind_connect_listen непосредственно. При наличии подобной функции отпадает необходимость в параметре SO_REUSEADDR, в отличие от серверов UDP, которым явно необходимо допускать полностью дублированное связывание с одним и тем же IP-адресом и портом. Другое преимущество этой новой функции в том, что сервер TCP может ограничить себя обслуживанием запросов на соединения, приходящих от одного определенного IP-адреса и порта. Это определяется в RFC 793 [96], но невозможно с существующими API сокетов.