21.2 Службы socket
Программный интерфейс socket обеспечивает работу трех служб TCP/IP: потокового обмена, обмена датаграммами в UDP и пересылки необработанных данных непосредственно на уровень IP. Все эти службы показаны на рис. 21.1.
Рис. 21.1. Программный интерфейс socket
Вспомним, что API интерфейса socket разрабатывался не только для TCP/IP. Исходная цель заключалась в создании единого интерфейса для различных коммуникационных протоколов, в том числе и для XNS (Xerox Network Systems).
Результат получился несколько странным. Например, некоторые вызовы socket содержат необязательные параметры, не имеющие никакого отношения к TCP/IP — они необходимы в других протоколах. Кроме того, иногда программист обязан указывать длину для параметров фиксированного размера, например для адресов IP версии 4. Смысл этого в том, что, хотя длина адреса в IP версии 4 всегда равна 4 байт, в программных интерфейсах для других протоколов могут использоваться адреса другой длины.
21.3 Блокированные и неблокированные вызовы
Когда программа читает данные из сетевого соединения, трудно предсказать заранее, как долго будет продолжаться эта операция. Программист может только дождаться полного завершения чтения или перейти на другое место в программе и периодически проверять значение переменной статуса соединения, либо разрешить программное прерывание по окончании операции.
■ Вызов с последующим ожиданием называется блокированным (blocking) или синхронным (synchronous).
■ Вызов с переходом на выполнение других операций называется неблокированным (nonblocking) или асинхронным (asynchronous).
В программном интерфейсе socket вызовы могут быть блокированными или неблокированными, а программист способен управлять поведением вызова.
21.4 Вызовы socket
Вызовы socket подготавливают сетевое взаимодействие путем создания блоков управления пересылкой (Transmission Control Block — TCB). В некоторых изданиях процесс создания TCB называется созданием socket. Вызов socket возвращает небольшое целое число, называемое дескриптором и используемое для идентификации соединения во всех последующих запросах.
В TCB используется множество параметров. Перечисленные ниже параметры предоставляют информацию, необходимую для создания сеанса TCP:
■ Локальный IP-адрес
■ Локальный порт
■ Протокол (например, TCP или UDP)
■ Удаленный IP-адрес
■ Удаленный порт
■ Размер выходного буфера
■ Размер приемного буфера
■ Текущее состояние TCP
■ Усредненное время цикла пересылка-получение
■ Отклонение от усредненного времени цикла пересылка-получение
■ Текущее время тайм-аута повторной пересылки
■ Количество выполняемых повторных пересылок
■ Текущий размер окна отправки
■ Максимальный размер отправляемого сегмента
■ Порядковый номер последнего подтвержденного по ACK байта
■ Максимальный размер получаемого сегмента
■ Порядковый номер следующего отправляемого байта
■ Разрешение/запрещение отслеживания
21.5 Программирование работы TCP socket
Рассмотрим вызовы из программ к socket, используемые при взаимодействии с TCP. Для упрощения не будем указывать в вызовах параметры ввода/вывода и сконцентрируемся на более важных функциях и их взаимоотношениях. Детали формирования параметров описаны ниже.
21.5.1 Модель сервера TCP
Типичный сценарий для взаимодействия с сервером TCP предполагает наличие главного процесса, который большую часть времени отслеживает запросы от клиентов. Когда клиент соединяется с сервером, сервер обычно создает новый дочерний процесс, который будет реально выполнять всю работу для клиента. Сервер передает клиента этому дочернему процессу и снова возвращается к отслеживанию запросов от других клиентов.
Иногда клиенты появляются быстрее, чем их может обслужить главный процесс. Как поступить в этом случае? Стандартный механизм заключается в том, что при запуске главного процесса в TCP создается очередь, которая способна хранить несколько запросов на соединение. Запросы клиентов, которые нельзя обслужить сразу, помешаются в очередь и обрабатываются в порядке этой очереди. Предположим, что очередь заполнена до конца и поступает запрос от очередного клиента. В этом случае соединение с новым клиентом не будет создано.
21.5.2 Пассивное открытие сервера TCP
Сервер готовится к принятию запроса на соединение и пассивно ожидает обращения клиентов. При подготовке он выполняет ряд запросов:
socket() Сервер идентифицирует тип связи (в данном случае TCP). Локальная система создает соответствующую структуру данных TCB для взаимодействия с сервером и возвращает
дескриптор socket.
bind() Сервер устанавливает локальный IP-адрес и порт, которыми он будет пользоваться. Вспомним, что хост может иметь несколько IP-адресов. Сервер может применять один IP-адрес или указать, что желает принимать соединения от любого локального IP-адреса. Он может запросить определенный порт или разрешить связывание запроса с одним из доступных свободных портов.
listen() Сервер устанавливает длину очереди для клиентов.
accept() Сервер готов принимать соединения от клиентов. Если очередь не пуста, принимается первый полученный клиентский запрос. Запрос
accept() создает
новый TCB, который будет использоваться для соединения этого клиента и возвращать
новый дескриптор соединения серверу.
Обычно применяется синхронная форма приема запросов, чтобы при пустой очереди accept() ожидал появления следующего клиента до ответа на полученный запрос.
21.5.3 Активное открытие клиента TCP
Открытый клиент активно запрашивает соединение через два запроса:
socket() Клиент идентифицирует тип связи (в данном случае TCP). Локальная система создает соответствующую структуру данных TCB для соединения и возвращает локальный дескриптор socket.
connect() Клиент указывает IP-адрес и порт сервера. TCP попытается установить соединение с сервером.
Если клиент желает явно определить применяемый далее локальный порт, он должен вызвать bind() перед выдачей запроса connect(). Если порт доступен, он присваивается клиенту.
Если клиент запросил порт не через bind(), ему присваивается один из неиспользованных портов. Номер порта вводится в TCB.
21.5.4 Другие запросы
Оставшиеся запросы используются клиентом и сервером аналогичным способом. Данные могут быть переданы и получены через обычные запросы записи и чтения. Соединение может быть закрыто по запросу close. Существуют также специальные запросы send и recv, поддерживающие отправку и получение как срочных, так и обычных данных:
send() Запись буфера данных в socket. Как альтернативу можно применить
write().
sendv() Пересылка в socket последовательности буферов. Как альтернативу можно применить
writev().
recu() Получение буфера данных из socket либо из
read().
recvmsg() Получение последовательности буферов из socket либо из
readv().
Иногда программе нужна информация, хранящаяся в TCB:
getsockopt() Чтение выбранной информации из TCB. Иногда система обеспечивает необязательные системные запросы ввода/вывода, которые позволяют читать различные части TCB.
Проверка входных параметров запросов на открытие, отправку или получение показывает, что этих параметров очень мало. Причина в том, что обычно для большинства параметров TCB используются значения по умолчанию, содержащие важную информацию об окружении, например о размере приемного буфера, разрешении регистрации событий либо об использовании блокированной или неблокированной обработки в запросах, подобных recv. Некоторые значения по умолчанию можно изменить с помощью функций:
