Сокет является фундаментальной единицей всего сетевого программирования в Linux (и большинстве других операционных систем). Так же, как функции файлового ввода-вывода определяют интерфейс взаимодействия с файловой системой, сокет соединяет программу с сетью. С его помощью она посылает и принимает сообщения.
Библиотека функций работы с сокетами - Socket API (Application Programming Interface) - является основным инструментом программиста при создании сетевых приложений. Socket API был впервые реализован в операционной системе Berkley UNIX. Сейчас этот программный интерфейс доступен практически в любой модификации Unix, в том числе в Linux. Хотя все реализации чем-то отличаются друг от друга, основной набор функций в них совпадает. Изначально сокеты использовались в программах на C/C++, но в настоящее время средства для работы с ними предоставляют многие языки (Perl, Java и др.).
Сокеты предоставляют весьма мощный и гибкий механизм межпроцессного взаимодействия (IPC, InterProcess Communication). Они могут использоваться для организации взаимодействия программ на одном компьютере, по локальной сети или через Internet, что позволяет создавать распределённые приложения различной сложности. Кроме того, с их помощью можно организовать взаимодействие с программами, работающими под управлением других операционных систем. Например, под Windows существует интерфейс Window Sockets, спроектированный на основе socket API.
Сокеты поддерживают многие стандартные сетевые протоколы (конкретный их список зависит от реализации) и предоставляют унифицированный интерфейс для работы с ними. Наиболее часто сокеты используются для работы в IP-сетях. В этом случае их можно использовать для взаимодействия приложений не только по специально разработанным, но и по стандартным протоколам - HTTP, FTP, Telnet и т. д. Например, имеется возможность написать собственный Web-браузер или Web-сервер, способный обслуживать одновременно множество клиентов.
Таким образом, сокеты - весьма мощное и удобное средство для сетевого программирования.
Сокет (socket) - это конечная точка сетевых коммуникаций. Он является чем-то вроде "портала", через которое можно отправлять байты во внешний мир. Приложение просто пишет данные в сокет; их дальнейшая буферизация, отправка и транспортировка осуществляется используемым стеком протоколов и сетевой аппаратурой. Чтение данных из сокета происходит аналогичным образом.
В программе сокет идентифицируется дескриптором - это просто переменная типа int. Программа получает дескриптор от операционной системы при создании сокета, а затем передаёт его сервисам socket API для указания сокета, над которым необходимо выполнить то или иное действие.
Подобно системному вызову open(), создающему дескриптор для доступа к файлам и системным устройствам, функция socket() создает дескриптор, позволяющий обращаться к компьютерам по сети.
С каждым сокетом связываются три атрибута: домен (domain), тип (type) и протокол (protocol). Эти атрибуты задаются при создании сокета и остаются неизменными на протяжении всего времени его существования. Для создания сокета используется функция socket, имеющая следующий прототип.
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
|
Домен определяет пространство адресов, в котором располагается сокет, и множество протоколов, которые используются для передачи данных. Чаще других используются домены Unix и Internet, задаваемые константами AF_UNIX и AF_INET соответственно (префикс AF означает "address family" - "семейство адресов"). При задании AF_UNIX для передачи данных используется файловая система ввода/вывода Unix. В этом случае сокеты используются для межпроцессного взаимодействия на одном компьютере и не годятся для работы по сети. Константа AF_INET соответствует Internet-домену. Сокеты, размещённые в этом домене, могут использоваться для работы в любой IP-сети. Существуют и другие домены (AF_IPX для протоколов Novell, AF_INET6 для новой модификации протокола IP - IPv6 и т. д.).
Иногда вместо префикса AF_ используется префикс PF_ ("protocol family").
Тип сокета определяет способ передачи данных по сети. Чаще других применяются:
Обратите внимание, что не все домены допускают задание произвольного типа сокета. Например, совместно с доменом Unix используется только тип SOCK_STREAM. С другой стороны, для Internet-домена можно задавать любой из перечисленных типов. В этом случае для реализации SOCK_STREAM используется протокол TCP, для реализации SOCK_DGRAM - протокол UDP, а тип SOCK_RAW используется для низкоуровневой работы с протоколами IP, ICMP и т. д.
Наконец, последний атрибут определяет протокол, используемый для передачи данных. Как мы только что видели, часто протокол однозначно определяется по домену и типу сокета. В этом случае в качестве третьего параметра функции socket можно передать 0, что соответствует протоколу по умолчанию. Тем не менее, иногда (например, при работе с низкоуровневыми сокетами) требуется задать протокол явно. Числовые идентификаторы протоколов зависят от выбранного домена; их можно найти в документации.
Прежде чем передавать данные через сокет, его необходимо связать с адресом в выбранном домене (эту процедуру называют именованием сокета). Иногда связывание осуществляется неявно (внутри функций connect и accept), но выполнять его необходимо во всех случаях. Вид адреса зависит от выбранного вами домена. В Unix-домене это текстовая строка - имя файла, через который происходит обмен данными. В Internet-домене адрес задаётся комбинацией IP-адреса и 16-битного номера порта. IP-адрес определяет хост в сети, а порт - конкретный сокет на этом хосте. Протоколы TCP и UDP используют различные пространства портов.
Для явного связывания сокета с некоторым адресом используется функция bind. Её прототип имеет вид:
#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, int addrlen); |
В качестве первого параметра передаётся дескриптор сокета, который мы хотим привязать к заданному адресу. Второй параметр, addr, содержит указатель на структуру с адресом, а третий - длину этой структуры. Посмотрим, что она собой представляет.
struct sockaddr { unsigned short sa_family; // Семейство адресов, AF_xxx char sa_data[14]; // 14 байтов для хранения адреса }; |
Поле sa_family содержит идентификатор домена, тот же, что и первый параметр функции socket. В зависимости от значения этого поля по-разному интерпретируется содержимое массива sa_data. Разумеется, работать с этим массивом напрямую не очень удобно, поэтому вы можете использовать вместо sockaddr одну из альтернативных структур вида sockaddr_XX (XX - суффикс, обозначающий домен: "un" - Unix, "in" - Internet и т. д.). При передаче в функцию bind указатель на эту структуру приводится к указателю на sockaddr. Рассмотрим для примера структуру sockaddr_in.
struct sockaddr_in { short int sin_family; // Семейство адресов unsigned short int sin_port; // Номер порта struct in_addr sin_addr; // IP-адрес unsigned char sin_zero[8]; // "Дополнение" до размера структуры sockaddr }; |
Здесь поле sin_family соответствует полю sa_family в sockaddr, в sin_port записывается номер порта, а в sin_addr - IP-адрес хоста. Поле sin_addr само является структурой, которая имеет вид:
struct in_addr { unsigned long s_addr; }; |
Зачем понадобилось заключать всего одно поле в структуру? Дело в том, что раньше in_addr представляла собой объединение (union), содержащее гораздо большее число полей. Сейчас, когда в ней осталось всего одно поле, она продолжает использоваться для обратной совместимости.
И ещё одно важное замечание. Существует два порядка хранения байтов в слове и двойном слове. Один из них называется порядком хоста (host byte order), другой - сетевым порядком (network byte order) хранения байтов. При указании IP-адреса и номера порта необходимо преобразовать число из порядка хоста в сетевой. Для этого используются функции htons (Host TO Network Short) и htonl (Host TO Network Long). Обратное преобразование выполняют функции ntohs и ntohl.
Установка соединения на стороне сервера состоит из четырёх этапов, ни один из которых не может быть опущен. Сначала сокет создаётся и привязывается к локальному адресу. Если компьютер имеет несколько сетевых интерфейсов с различными IP-адресами, вы можете принимать соединения только с одного из них, передав его адрес функции bind. Если же вы готовы соединяться с клиентами через любой интерфейс, задайте в качестве адреса константу INADDR_ANY. Что касается номера порта, вы можете задать конкретный номер или 0 (в этом случае система сама выберет произвольный неиспользуемый в данный момент номер порта).
На следующем шаге создаётся очередь запросов на соединение. При этом сокет переводится в режим ожидания запросов со стороны клиентов. Всё это выполняет функция listen.
int listen(int sockfd, int backlog); |
Первый параметр - дескриптор сокета, а второй задаёт размер очереди запросов. Каждый раз, когда очередной клиент пытается соединиться с сервером, его запрос ставится в очередь, так как сервер может быть занят обработкой других запросов. Если очередь заполнена, все последующие запросы будут игнорироваться. Когда сервер готов обслужить очередной запрос, он использует функцию accept.
#include <sys/socket.h> int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen); |
Функция accept создаёт для общения с клиентом новый сокет и возвращает его дескриптор. Параметр sockfd задаёт слушающий сокет. После вызова он остаётся в слушающем состоянии и может принимать другие соединения. В структуру, на которую ссылается addr, записывается адрес сокета клиента, который установил соединение с сервером. В переменную, адресуемую указателем addrlen, изначально записывается размер структуры; функция accept записывает туда длину, которая реально была использована. Если вас не интересует адрес клиента, вы можете просто передать NULL в качестве второго и третьего параметров.
Обратите внимание, что полученный от accept новый сокет связан с тем же самым адресом, что и слушающий сокет. Сначала это может показаться странным. Но дело в том, что адрес TCP-сокета не обязан быть уникальным в Internet-домене. Уникальными должны быть только соединения, для идентификации которых используются два адреса сокетов, между которыми происходит обмен данными.
На стороне клиента для установления соединения используется функция connect, которая имеет следующий прототип.
#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen); |
Здесь sockfd - сокет, который будет использоваться для обмена данными с сервером, serv_addr содержит указатель на структуру с адресом сервера, а addrlen - длину этой структуры. Обычно сокет не требуется предварительно привязывать к локальному адресу, так как функция connect сделает это за вас, подобрав подходящий свободный порт. Вы можете принудительно назначить клиентскому сокету некоторый номер порта, используя bind перед вызовом connect. Делать это следует в случае, когда сервер соединяется с только с клиентами, использующими определённый порт (примерами таких серверов являются rlogind и rshd). В остальных случаях проще и надёжнее предоставить системе выбрать порт за вас.
После того как соединение установлено, можно начинать обмен данными. Для этого используются функции send и recv. В Unix для работы с сокетами можно использовать также файловые функции read и write, но они обладают меньшими возможностями, а кроме того не будут работать на других платформах (например, под Windows), поэтому пользоваться ими не рекомендуется.
Функция send используется для отправки данных и имеет следующий прототип.
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags); |
Здесь sockfd - это, как всегда, дескриптор сокета, через который мы отправляем данные, msg - указатель на буфер с данными, len - длина буфера в байтах, а flags - набор битовых флагов, управляющих работой функции (если флаги не используются, передайте функции 0). Вот некоторые из них (полный список можно найти в документации):
Функция send возвращает число байтов, которое на самом деле было отправлено (или -1 в случае ошибки). Это число может быть меньше указанного размера буфера. Если вы хотите отправить весь буфер целиком, вам придётся написать свою функцию и вызывать в ней send, пока все данные не будут отправлены. Она может выглядеть примерно так.
int sendall(int s, char *buf, int len, int flags) { int total = 0; int n; while(total < len) { n = send(s, buf+total, len-total, flags); if(n == -1) { break; } total += n; } return (n==-1 ? -1 : total); } |
Использование sendall ничем не отличается от использования send, но она отправляет весь буфер с данными целиком.
Для чтения данных из сокета используется функция recv.
int recv(int sockfd, void *buf, int len, int flags); |
В целом её использование аналогично send. Она точно так же принимает дескриптор сокета, указатель на буфер и набор флагов. Флаг MSG_OOB используется для приёма срочных данных, а MSG_PEEK позволяет "подсмотреть" данные, полученные от удалённого хоста, не удаляя их из системного буфера (это означает, что при следующем обращении к recv вы получите те же самые данные). Полный список флагов можно найти в документации. По аналогии с send функция recv возвращает количество прочитанных байтов, которое может быть меньше размера буфера. Вы без труда сможете написать собственную функцию recvall, заполняющую буфер целиком. Существует ещё один особый случай, при котором recv возвращает 0. Это означает, что соединение было разорвано.
Закончив обмен данными, закройте сокет с помощью функции close. Это приведёт к разрыву соединения.
#include <unistd.h> int close(int fd); |
Вы также можете запретить передачу данных в каком-то одном направлении, используя shutdown.
int shutdown(int sockfd, int how); |
Параметр how может принимать одно из следующих значений:
Хотя после вызова shutdown с параметром how, равным 2, вы больше не сможете использовать сокет для обмена данными, вам всё равно потребуется вызвать close, чтобы освободить связанные с ним системные ресурсы.
В процессе работы с сокетами могут происходить ошибки. Все рассмотренные функции при возникновении ошибкивозвращают -1, записывая в глобальную переменную errno код ошибки. Соответственно, имеется возможность проанализировать значение этой переменной и предпринять действия по восстановлению нормальной работы программы, не прерывая её выполнения. А можно просто выдать диагностическое сообщение (для этого удобно использовать функцию perror), а затем завершить программу с помощью exit.
На начальном этапе работы с сетевыми приложениями достаточно запустить клиента и сервера на одной машине, используя для соединения адрес интерфейса внутренней петли (loopback interface). В программе ему соответствует константа INADDR_LOOPBACK (не забудьте применять к ней функцию htonl!). Пакеты, направляемые по этому адресу, в сеть не попадают. Вместо этого они передаются стеку протоколов TCP/IP как только что принятые. Таким образом моделируется наличие виртуальной сети, в которой вы можете отлаживать ваши сетевые приложения.