Текст книги "UNIX: разработка сетевых приложений"

Автор книги: Уильям Ричард Стивенс

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

Текущая страница: 27 (всего у книги 88 страниц) [доступный отрывок для чтения: 32 страниц]

8.14. Определение исходящего интерфейса для UDP

С помощью присоединенного сокета UDP можно также задавать исходящий интерфейс, который будет использован для отправки дейтаграмм к определенному получателю. Это объясняется побочным эффектом функции connect, примененной к сокету UDP: ядро выбирает локальный IP-адрес (предполагается, что процесс еще не вызвал функцию bindдля явного его задания). Локальный адрес выбирается в процессе поиска адреса получателя в таблице маршрутизации, причем берется основной IP-адрес интерфейса, с которого, согласно таблице, будут отправляться дейтаграммы.

В листинге 8.13 показана простая программа UDP, которая с помощью функции connect соединяется с заданным IP-адресом и затем вызывает функцию getsockname, выводя локальный IP-адрес и порт.

Листинг 8.13. Программа UDP, использующая функцию connect для определения исходящего интерфейса

//udpcliserv/udpcli09.c

 1 #include "unp.h"

 2 int

 3 main(int argc, char **argv)

 4 {

 5  int sockfd;

 6  socklen_t len;

 7  struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

 8  if (argc != 2)

 9   err_quit("usage: udpcli ");

10  sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

11  bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

12  servaddr.sin_family = AF_INET;

13  servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

14  Inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

15  Connect(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

16  len = sizeof(cliaddr);

17  Getsockname(sockfd, (SA*)&cliaddr, &len);

18  printf("local address %sn", Sock_ntop((SA*)&cliaddr, len));

19  exit(0);

20 }

Если мы запустим программу на узле freebsdс несколькими сетевыми интерфейсами, то получим следующий вывод:

freebsd % udpcli09 206.168.112.96

local address 12.106.32.254:52329

freebsd % udpcli09 192.168.42.2

local address 192.168.42.1:52330

freebsd % udpcli09 127.0.0.1

local address 127.0.0.1:52331

По рис. 1.7 видно, что когда мы запускаем программу первые два раза, аргументом командной строки является IP-адрес в разных сетях Ethernet. Ядро присваивает локальный IP-адрес первичному адресу интерфейса в соответствующей сети Ethernet. При вызове функции connectна сокете UDP ничего не отправляется на этот узел – это полностью локальная операция, которая сохраняет IP-адрес и порт собеседника. Мы также видим, что вызов функции connect на неприсоединенном сокете UDP также присваивает сокету динамически назначаемый порт.

ПРИМЕЧАНИЕ

К сожалению, эта технология действует не во всех реализациях, что особенно касается ядер, происходящих от SVR4. Например, это не работает в Solaris 2.5, но работает в AIX, Digital Unix, Linux, MacOS X и Solaris 2.6.

8.15. Эхо-сервер TCP и UDP, использующий функцию select

Теперь мы объединим наш параллельный эхо-сервер TCP из главы 5 и наш последовательный эхо-сервер UDP из данной главы в один сервер, использующий функцию selectдля мультиплексирования сокетов TCP и UDP. В листинге 8.14 представлена первая часть этого сервера.

Листинг 8.14. Первая часть эхо-сервера, обрабатывающего сокеты TCP и UDP при помощи функции select

//udpcliserv/udpservselect01.c

 1 #include "unp.h"

 2 int

 3 main(int argc, char **argv)

 4 {

 5  int listenfd, connfd, udpfd, nready, maxfdp1;

 6  char mesg[MAXLINE];

 7  pid_t childpid;

 8  fd_set rset;

 9  ssize_t n;

10  socklen_t len;

11  const int on = 1;

12  struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

13  void sig_chld(int);

14  /* создание прослушиваемого сокета TCP */

15  listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

16  bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

17  servaddr.sin_family = AF_INET;

18  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

19  servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

20  Setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));

21  Bind(listenfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

22  Listen(listenfd, LISTENQ);

23  /* создание сокета UDP */

24  udpfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

25  bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

26  servaddr.sin_family = AF_INET;

27  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

28  servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

29  Bind(udpfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

Создание прослушиваемого сокета TCP

14-22 Создается прослушиваемый сокет TCP, который связывается с заранее известным портом сервера. Мы устанавливаем параметр сокета SO_REUSEADDRв случае, если на этом порте существуют соединения.

Создание сокета UDP

23-29 Также создается сокет UDP и связывается с тем же портом. Даже если один и тот же порт используется для сокетов TCP и UDP, нет необходимости устанавливать параметр сокета SO_REUSEADDRперед этим вызовом функции bind, поскольку порты TCP не зависят от портов UDP.

В листинге 8.15 показана вторая часть нашего сервера.

Листинг 8.15. Вторая половина эхо-сервера, обрабатывающего TCP и UDP при помощи функции select

udpcliserv/udpservselect01.c

30  Signal(SIGCHLD, sig_chld); /* требуется вызвать waitpid() */

31  FD_ZERO(&rset);

32  maxfdp1 = max(listenfd, udpfd) + 1;

33  for (;;) {

34   FD_SET(listenfd, &rset);

35   FD_SET(udpfd, &rset);

36   if ((nready = select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL)) < 0) {

37    if (errno == EINTR)

38     continue; /* назад в for() */

39    else

40     err_sys("select error");

41   }

42   if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {

43    len = sizeof(cliaddr);

44    connfd = Accept(listenfd, (SA*)&cliaddr, &len);

45    if ((childpid = Fork()) == 0) { /* дочерний процесс */

46     Close(listenfd); /* закрывается прослушиваемый сокет */

47     str_echo(connfd); /* обработка запроса */

48     exit(0);

49    }

50    Close(connfd); /* родитель закрывает присоединенный сокет */

51   }

52   if (FD_ISSET(udpfd, &rset)) {

53    len = sizeof(cliaddr);

54    n = Recvfrom(udpfd, mesg, MAXLINE, 0, (SA*)&cliaddr, &len);

55    Sendto(udpfd, mesg, n, 0, (SA*)&cliaddr, len);

56   }

57  }

58 }

Установка обработчика сигнала SIGCHLD

30 Для сигнала SIGCHLDустанавливается обработчик, поскольку соединения TCP будут обрабатываться дочерним процессом. Этот обработчик сигнала мы показали в листинге 5.8.

Подготовка к вызову функции select

31-32 Мы инициализируем набор дескрипторов для функции selectи вычисляем максимальный из двух дескрипторов, готовности которого будем ожидать.

Вызов функции select

34-41 Мы вызываем функцию select, ожидая только готовности к чтению прослушиваемого сокета TCP или сокета UDP. Поскольку наш обработчик сигнала sig_chldможет прервать вызов функции select, обрабатываем ошибку EINTR.

Обработка нового клиентского соединения

42-51 С помощью функции acceptмы принимаем новое клиентское соединение, а когда прослушиваемый сокет TCP готов для чтения, с помощью функции forkпорождаем дочерний процесс и вызываем нашу функцию str_echoв дочернем процессе. Это та же последовательность действий, которую мы выполняли в главе 5.

Обработка приходящей дейтаграммы

52-57 Если сокет UDP готов для чтения, дейтаграмма пришла. Мы читаем ее с помощью функции recvfromи отправляем обратно клиенту с помощью функции sendto.

8.16. Резюме

Преобразовать наши эхо-клиент и эхо-сервер так, чтобы использовать UDP вместо TCP, оказалось несложно. Но при этом мы лишились множества возможностей, предоставляемых протоколом TCP: определение потерянных пакетов и повторная передача, проверка, приходят ли пакеты от корректного собеседника, и т.д. Мы возвратимся к этой теме в разделе 22.5 и увидим, как можно улучшить надежность приложения UDP.

Сокеты UDP могут генерировать асинхронные ошибки, то есть ошибки, о которых сообщается спустя некоторое время после того, как пакет был отправлен. Сокеты TCP всегда сообщают приложению о них, но в случае UDP для получения этих ошибок сокет должен быть присоединенным.

В UDP отсутствует возможность управления потоком, что очень легко продемонстрировать. Обычно это не создает проблем, поскольку многие приложения UDP построены с использованием модели «запрос-ответ» и не предназначены для передачи большого количества данных.

Есть еще ряд моментов, которые нужно учитывать при написании приложений UDP, но мы рассмотрим их в главе 22 после описания функций интерфейсов, широковещательной и многоадресной передачи.

Упражнения

1. Допустим, у нас имеется два приложения, одно использует TCP, а другое – UDP. В приемном буфере сокета TCP находится 4096 байт данных, а в приемном буфере для сокета UDP – две дейтаграммы по 2048 байт. Приложение TCP вызывает функцию readс третьим аргументом 4096, а приложение UDP вызывает функцию recvfromс третьим аргументом 4096. Есть ли между этими вызовами какая-нибудь разница?

2. Что произойдет в листинге 8.2, если мы заменим последний аргумент функции sendto(который мы обозначили len) аргументом clilen?

3. Откомпилируйте и запустите сервер UDP из листингов 8.1 и 8.4, а затем – клиент из листингов 8.3 и 8.4. Убедитесь в том, что клиент и сервер работают вместе.

4. Запустите программу pingв одном окне, задав параметр -i 60(отправка одного пакета каждые 60 секунд; некоторые системы используют ключ Iвместо i), параметр -v(вывод всех полученных сообщений об ошибках ICMP) и задав адрес закольцовки на себя (обычно 127.0.0.1). Мы будем использовать эту программу, чтобы увидеть ошибку ICMP недоступности порта, возвращаемую узлом сервера. Затем запустите наш клиент из предыдущего упражнения в другом окне, задав IP-адрес некоторого узла, на котором не запущен сервер. Что происходит?

5. Рассматривая рис. 8.3, мы сказали, что каждый присоединенный сокет TCP имеет свой собственный буфер приема. Как вы думаете, есть ли у прослушиваемого сокета свой собственный буфер приема?

6. Используйте программу sock(см. раздел В.3) и такое средство, как, например, tcpdump(см. раздел В.5), чтобы проверить утверждение из раздела 8.10: если клиент с помощью функции bindсвязывает IP-адрес со своим сокетом, но отправляет дейтаграмму, исходящую от другого интерфейса, то результирующая дейтаграмма содержит IP-адрес, который был связан с сокетом, даже если он не соответствует исходящему интерфейсу.

7. Откомпилируйте программы из раздела 8.13 и запустите клиент и сервер на различных узлах. Помещайте printfв клиент каждый раз, когда дейтаграмма записывается в сокет. Изменяет ли это процент полученных пакетов? Почему? Вызывайте printfиз сервера каждый раз, когда дейтаграмма читается из сокета. Изменяет ли это процент полученных пакетов? Почему?

8. Какова наибольшая длина, которую мы можем передать функции sendtoдля сокета UDP/IPv4, то есть каково наибольшее количество данных, которые могут поместиться в дейтаграмму UDP/IPv4? Что изменяется в случае UDP/IPv6?

Измените листинг 8.4, с тем чтобы отправить одну дейтаграмму UDP максимального размера, считать ее обратно и вывести число байтов, возвращаемых функцией recvfrom.

9. Измените листинг 8.15 таким образом, чтобы он соответствовал RFC 1122: для сокета UDP следует использовать параметр IP_RECVDSTADDR.

Глава 9
Основы сокетов SCTP

9.1. Введение

SCTP – новый транспортный протокол, принятый IETF в качестве стандарта в 2000 году. (Для сравнения, протокол TCP был стандартизован в 1981 году.) Изначально SCTP проектировался с учетом потребностей растущего рынка IP-телефонии, и предназначался, в частности, для передачи телефонного сигнала через Интернет. Требования, которым должен был отвечать SCTP, описываются в RFC 2719 [84]. SCTP – надежный протокол, ориентированный на передачу сообщений, предоставляющий возможность работать с несколькими потоками каждой паре конечных точек, а также обеспечивающий поддержку концепции многоинтерфейсного узла на транспортном уровне. Поскольку это относительно новый протокол, он распространен не так широко, как TCP и UDP, однако он обладает особенностями, облегчающими проектирование некоторых видов приложений. Выбору между SCTP и TCP будет посвящен раздел 23.12.

Несмотря на принципиальную разницу между SCTP и TCP, с точки зрения приложения интерфейс SCTP типа «один-к-одному» почти ничем не отличается от интерфейса TCP. Это делает перенос приложений достаточно тривиальным, однако при таком переносе некоторые усовершенствованные функции SCTP остаются незадействованными. Интерфейс типа «один-ко-многим» задействует эти функции «на всю катушку», но переход к нему может потребовать значительной переделки существующих приложений. Новый интерфейс рекомендуется использовать большинству новых приложений, разрабатываемых в расчете на SCTP.

Эта глава описывает дополнительные элементарные функции сокетов, которые могут использоваться с SCTP. Сначала мы опишем две модели интерфейса, доступные разработчику приложения. В главе 10 мы разработаем новую версию эхо-сервера, использующую модель «один-ко-многим». Кроме того, мы опишем новые функции, которые предназначены только для SCTP. Особое внимание будет уделено функции shutdownи отличиям процедуры завершения ассоциации SCTP от процедуры завершения соединения TCP. В разделе 23.4 мы рассмотрим пример использования уведомлений для оповещения приложения о важных событиях, связанных с протоколом (помимо прибытия новых пользовательских данных).

Интерфейс функций SCTP еще не стабилизировался полностью, что объясняется молодостью этого протокола. На момент написания этой книги описываемые в ней интерфейсы считались стабилизировавшимися, однако они еще не были распространены так широко, как остальные части API сокетов. Те, кто работает с приложениями, ориентированными исключительно на SCTP, должны быть готовы устанавливать обновления для ядра или для операционной системы в целом, а приложения, рассчитанные на повсеместное использование, должны уметь работать с TCP, потому что протокол SCTP пока что доступен далеко не на всех системах.

9.2. Модели интерфейса

Сокеты SCTP бывают двух типов: «один-к-одному» и «один-ко-многим». Сокету типа «один-к-одному» всегда сопоставляется ровно одна ассоциация SCTP. Вспомните, что в разделе 2.5 мы отмечали, что ассоциация является соединением между двумя системами, которое может задействовать более двух IP-адресов, если хотя бы одна из систем имеет несколько интерфейсов. Связь между сокетом и ассоциацией SCTP такая же, как между сокетом и соединением TCP. Сокету типа «один-ко-многим» может сопоставляться одновременно несколько активных ассоциаций. То же самое имеет место и в UDP, где сокет, привязанный к конкретному порту, может получать дейтаграммы от нескольких конечных точек UDP, передающих данные одновременно.

Выбор интерфейса при разработке приложения должен осуществляться с учетом нескольких факторов:

■ тип сервера (последовательный или параллельный);

■ количество дескрипторов сокетов, с которыми должен работать сервер;

■ важно ли оптимизировать работу приложения, разрешив передачу данных в третьем (и, возможно, четвертом) пакете четырехэтапного рукопожатия;

■ для какого количества соединений существует необходимость хранить информацию о состоянии.

ПРИМЕЧАНИЕ

Когда API сокетов для протокола SCTP еще только разрабатывался, сокеты разных типов назывались по-разному. Читатели до сих пор могут столкнуться со старой терминологией в документации или исходном коде. Изначально сокет типа «один-к-одному» назывался сокетом типа TCP (TCP-style socket), а сокет типа «один-ко-многим» – сокетом типа UDP (UDP-style socket).

Впоследствии от этих терминов пришлось отказаться, так как они создавали впечатление, что SCTP будет вести себя, как TCP или UDP, при использовании сокетов соответствующих типов. На самом деле имелось в виду только одно различие между TCP и UDP: возможность одновременной работы с несколькими адресатами на транспортном уровне. Современные термины («один-к-одному» и «один-ко-многим») фокусируют наше внимание на главном отличии двух типов сокетов.

Наконец, обратите внимание, что некоторые авторы используют термин «несколько-к-одному» вместо «один-ко-многим». Эти термины взаимозаменяемы.

Сокет типа «один-к-одному»

Данный тип сокета был разработан специально для облегчения переноса существующих приложений с TCP на SCTP. Его модель практически идентична описанной в главе 4. Существуют, конечно, некоторые отличия, о которых следует помнить (в особенности, при переносе приложений):

1. Все параметры сокетов должны быть преобразованы к соответствующим эквивалентам SCTP. Чаще всего используются параметры TCP_NODELAYи TCP_MAXSEG, вместо которых следует задавать SCTP_NODELAYи SCTP_MAXSEG.

2. Протокол SCTP сохраняет границы сообщений, поэтому приложению не приходится кодировать их самостоятельно. Например, приложение, основанное на TCP, может отправлять записи, чередуя двухбайтовые поля длины с полями данных переменной длины (каждое поле записывается в буфер отправки отдельным вызовом write). Если так поступить с SCTP, адресат получит два отдельных сообщения, то есть функция readвозвратится дважды: один раз с двухбайтовым сообщением (поле длины), а второй – с сообщением неопределенной длины.

3. Некоторые TCP-приложения используют половинное закрытие для извещения собеседника о конце считываемых данных. Для переноса таких приложений на SCTP потребуется переписать их таким образом, чтобы сигнал о конце данных передавался в обычном потоке.

4. Функция sendможет использоваться обычным образом. Функции sendtoи sendmsgтрактуют информацию об адресе получателя как приоритетную перед основным адресом собеседника (см. раздел 2.8).

Типичное приложение, работающее в стиле «один-к-одному», будет вести себя так, как показано на временной диаграмме рис. 9.1. Запущенный сервер открывает сокет, привязывается к адресу, после чего ожидает подсоединения клиента в системном вызове accept. Через некоторое время запускается клиент, который открывает свой сокет и инициирует установление ассоциации с сервером. Предполагается, что клиент отправляет серверу запрос, сервер обрабатывает этот запрос и отправляет свой ответ обратно клиенту. Взаимодействие продолжается до тех пор, пока клиент не начнет процедуру завершения ассоциации. После закрытия ассоциации сервер либо завершает работу, либо ожидает установления новой ассоциации. Из сравнения с временной диаграммой TCP (см. рис. 4.1) становится ясно, что обмен пакетами через сокет SCTP типа «один-к-одному» осуществляется приблизительно так же.

Рис. 9.1. Временная диаграмма для сокета SCTP типа «один-к-одному»

Сокет SCTP типа «один-к-одному» является IP-сокетом (семейство AF_INETили AF_INET6) со значением типа SOCK_STREAMи значением протокола IPPROTO_SCTP.

Сокет типа «один-ко-многим»

Сокет типа «один-ко-многим» дает разработчику приложения возможность написать сервер, не использующий большого количества дескрипторов сокетов. Один дескриптор для такого сервера будет представлять несколько ассоциаций, подобно сокету UDP, способному принимать дейтаграммы от множества клиентов. Для обращения к конкретной ассоциации, установленной для сокета типа «один-ко-многим», используется идентификатор. Идентификатор ассоциации представляет собой значение типа sctp_assoc_t(обычно это целое число). Значение идентификатора скрывается от приложения, то есть оно не должно использовать идентификатор, если тот еще не был предоставлен приложению ядром.

При написании приложения, использующего сокеты данного типа, рекомендуется помнить о следующих важных моментах:

1. Когда клиент закрывает ассоциацию, она автоматически закрывается и на стороне сервера. При этом удаляются все сведения о состоянии ассоциации в ядре.

2. Только при использовании типа «один-ко-многим» возможна передача данных в третьем и четвертом пакетах четырехэтапного рукопожатия (см. упражнение 9.3).

3. Вызов sendto, sendmsgили sctp_sendmsgдля адресата, с которым еще не установлена ассоциация, приведет к попытке активного открытия, в результате чего будет создана новая ассоциация с указанным адресом. Это происходит даже в том случае, если приложение, вызвавшее send, перед этим вызвало для того же сокета функцию listen, запросив пассивное открытие.

4. Приложение должно использовать функции sendto, sendmsgи sctp_sendmsg, но не sendи write. (Если вы создали сокет типа «один-к-одному» вызовом sctp_peeloff, то sendи writeвызывать можно.)

5. При вызове одной из функций отправки данных используется основной адрес получателя, выбранный системой в момент установки ассоциации (раздел 2.8), если вызывающий процесс не установит флаг MSG_ADDR_OVERв структуре sctp_sndrcvinfo. Для этого необходимо вызвать функцию sendmsgс вспомогательными данными или воспользоваться функцией sctp_sendmsg.

6. Уведомление о событиях для ассоциации может быть включено по умолчанию, так что если приложению не требуется получать эти уведомления, оно должно явным образом отключить их при помощи параметра сокета SCTP_EVENTS. (Одно из множества уведомлений SCTP обсуждается в разделе 9.14.) По умолчанию единственным включенным событием является sctp_data_io_event. Уведомление о нем передается в виде вспомогательных данных при вызове recvmsgи sctp_recvmsg. Это относится к сокетам обоих типов.

ПРИМЕЧАНИЕ

Когда интерфейс API сокетов SCTP находился на стадии разработки, для сокетов типа «один-ко-многим» по умолчанию было включено еще и уведомление об установке ассоциации. В более поздних версиях документации API говорится о том, что по умолчанию для сокетов обоих типов отключены все уведомления, за исключением sctp_data_io_event. Однако не все реализации могут соответствовать этому утверждению. Хорошим тоном будет включать все нужные уведомления и отключать ненужные в явном виде. Благодаря этому разработчик получает гарантию того, что приложение будет вести себя так, как он этого хочет, в любой операционной системе.

Типичная временная диаграмма для сокета типа «один-ко-многим» приведена на рис. 9.2. Сначала запускается сервер, который создает сокет, привязывает его к адресу, вызывает функцию listenдля того, чтобы разрешить клиентам устанавливать ассоциации, после чего он вызывает sctp_recvmsgи приостанавливается в ожидании первого сообщения. В свою очередь, клиент открывает сокет и вызывает функцию sctp_sendto, которая неявно инициирует ассоциацию и вкладывает данные в третий пакет четырехэтапного рукопожатия. Сервер получает запрос, обрабатывает его и отсылает свой ответ. Клиент получает ответ сервера и закрывает сокет, тем самым закрывая и ассоциацию. Сервер переходит к ожиданию следующего сообщения.

Рис. 9.2. Временная диаграмма работы сокета типа «один-ко-многим»

В этом примере рассматривается последовательный сервер, один программный поток которого обрабатывает сообщения, полученные через несколько ассоциаций. SCTP позволяет использовать сокет типа «один-ко-многим» с функцией sctp_peeloff(см. раздел 9.12) для реализации комбинированной параллельно– последовательной модели сервера.

1. Функция sctp_peeloffпозволяет выделить конкретную ассоциацию (например, долговременный сеанс связи) из сокета типа «один-ко-многим» в отдельный сокет типа «один-к-одному».

2. Полученный таким образом сокет типа «один-к-одному» может быть передан новому потоку или порожденному процессу (как в модели параллельного сервера).

3. Основной поток обрабатывает сообщения от всех остальных ассоциаций в последовательном режиме.

Сокет SCTP типа «один-ко-многим» является IP-сокетом (семейство AF_INETили AF_INET6) со значением типа SOCK_SEQPACKETи значением протокола IPPROTO_SCTP.