Работа в IP-сетях

Сетевое программирование

Сегодня большинство пользователей компьютеров воспринимают возможность обмена данными по компьютерной сети как нечто само собой разумеющееся. Это может быть небольшая офисная сеть из нескольких станций, корпоративная сеть, объединяющая многие сотни компьютеров, или подключение к глобальной сети Интернет. Легкость и удобство работы с многочисленными сетевыми сервисами стала возможной благодаря длительным усилиям многих выдающихся программистов, самых разных компаний и организаций из многих стран мира по созданию существующей инфраструктуры сетевых технологий. Эта инфраструктура основана на огромном числе стандартов, позволяющих согласованно использовать линии связи, аппаратуру передачи данных, компьютеры, операционные системы и прикладные программы для обмена информацией по сети.

Подавляющее большинство широко используемых сетей работает на основе протокола передачи данных IP (Internet Protocol), обеспечивающего надежное перемещение информации между компьютерами в разных сетях. Протокол - это система правил для согласованного взаимодействия при обмене информацией. При сетевом взаимодействии используется целый набор протоколов, обычно называемый стеком протоколов, который подразделяется на несколько уровней. На каждом из уровней выполняются определенные действия и преобразования данных. Протокол IP отвечает за сетевой уровень доставки информации, разделенной на специальные блоки данных, которые называются пакетами (packet).

Для идентификации объединенных в сети компьютеров или других сетевых устройств, обобщенно называемых хостами (host), используются последовательности из четырех чисел - IP-адреса: например, 192.168.82.83 или 172.16.2.73. Назначенный IP-адрес служит уникальным идентификатором хоста в конкретной сети. Кроме того, каждый хост, настроенный на работу с протоколом IP и даже не подключенный к сети, имеет собственный специальный адрес 127.0.0.1 - что-то вроде местоимения "я" на языке сетевых коммуникаций. Хост может иметь доменное имя, соответствующее его IP-адресу, например, имя хоста www.perl.com соответствует адресу 208.201.239.36. Собственному адресу 127.0.0.1 соответствует специальное имя localhost. Поскольку на каждом хосте может выполняться несколько сетевых программ, то для распределения между ними получаемых и отправляемых пакетов используются дополнительные числовые обозначения, так называемые номера портов. Поэтому программная точка отправления или доставки данных в IP-сетях определяется сочетанием адреса и порта, разделенных двоеточием. Многие номера портов по общепринятым соглашениям закреплены за определенными сетевыми службами. Например, обращение к web-серверу на текущей машине будет происходить по адресу и порту 127.0.0.1:80, а к почтовому серверу - по 127.0.0.1:25.

Для установления соединения между хостами и обмена данными в IP-сетях применяется механизм сокетов. Сокеты (socket) можно рассматривать как логические каналы двусторонней связи между сетевыми программами. Сокет определяется адресом хоста, номером порта и используемым протоколом обмена данными. Для организации пересылки данных между программами применяется один из двух протоколов транспортного уровня - UDP или TCP, выполняющихся поверх протокола IP. Протокол UDP (User Datagram Protocol) применяется для обмена независимыми блоками данных, называемыми дейтаграммами (datagram), без их гарантированной доставки адресату. Например, с использованием протокола UDP отправляются запросы управления устройствами или пересылается аудио- или видеотрансляция, когда потеря нескольких передаваемых пакетов не слишком существенна. Протокол TCP (Transmission Control Protocol) применяется для передачи по сети потока данных. При этом контролируется гарантированная доставка упорядоченной последовательности пакетов адресату. При помощи протокола TCP, например, отправляется электронная почта, передаются файлы и доставляются web-страницы.

Средства работы с сокетами

Даже если в большинстве случаев при сетевом программировании на Perl используются более высокоуровневые средства, полезно хотя бы очень бегло познакомиться с принципами обмена данными через сокеты. Особенностью Perl, отражающей его сетевую направленность, стало то, что многие примитивные сетевые операции встроены в ядро языка, например: socket, socketpair, getsockname, getpeername, setsockopt, bind, listen, accept, send, recv, shutdown. Но гораздо удобнее и надежнее пользоваться стандартными модулями, реализующими средства работы с сокетами. В стандартном модуле Socket определены вспомогательные функции для работы с сокетами. Например, функция inet_ntoa() преобразует в строку двоичное представление IP-адреса, которое возвращает встроенная функция gethostbyname. А функция inet_aton() преобразует строковое представление адреса в двоичный вид, требуемый для встроенной функции gethostbyaddr, определяющей доменное имя хоста по IP-адресу. Работу этих функций можно показать на таком примере:

use Socket; # используем модуль работы с сокетами
my $host_name = 'www.perl.com';            # по имени хоста
my $address = gethostbyname($host_name);   # узнаем адрес и
my $ip_address = inet_ntoa($address);      # преобразуем его
print "$ip_address $host_name\n";          # в строку
# результат: 208.201.239.36 www.perl.com 
$address = inet_aton($ip_address);         # и обратно
my $host_name = gethostbyaddr($address,AF_INET);# узнаем имя
print "$ip_address $host_name\n";          # по адресу
# результат: 208.201.239.36 www.perl.com

Класс IO::Socket предоставляет объектный интерфейс для встроенных функций и помогает справиться со многими трудностями и избежать некоторых ошибок при программировании передачи данных через сокеты. Максимально упрощенный пример демонстрирует написание сервера для приема сообщений по протоколу TCP:

use IO::Socket; # используем класс работы с сокетами 
my $server_port = 5555;          # порт для обмена
my $server = IO::Socket::INET->new( # создаем сокет
      LocalPort => $server_port, # на порту
      Type      => SOCK_STREAM,  # для потокового обмена 
      Proto     => 'tcp',        # по протоколу TCP
      Listen    => 10,           # с 10-ю соединениями
      Reuse     => 1)            #
   or die "Ошибка запуска TCP сервера на $server_port ($@)";

while (my $client = $server->accept()) { # создаем поток для
   $client->autoflush(1);        # клиента, очищаем буфер,
   my $message = <$client>;      # читаем сообщение из него
   print $client "OK\n";         # посылаем ответ клиенту 
   close $client;                # и закрываем поток
   print STDERR $message;        # выводим сообщение
   last if $message =~ /STOP/i;  # выходим из цикла, если
}                                # в сообщении есть STOP,
close $server;                   # и закрываем сокет

Сокеты могут использоваться не только для обмена данными по сети, но и для межпроцессного взаимодействия, когда сервер и клиент работают на одном и том же компьютере. Для доступа к приведенному серверу можно использовать, например, такую клиентскую программу:

use IO::Socket; # используем модуль работы с сокетами 
my $server_host = '127.0.0.1';   # адрес сервера
my $server_port = 5555;          # и порт на нем
my $socket = IO::Socket::INET->new( # создаем сокет
      Type     => SOCK_STREAM,   # для потокового обмена 
      Proto    => 'tcp',         # по протоколу TCP
      PeerAddr => $server_host,  # с удаленным адресом      
      PeerPort => $server_port)  # и портом
or die "Ошибка соединения с $server_host:$server_port ($@)";
                                 # сообщение задается
my $message = $ARGV[0] ||        # параметром программы
              "Проверка связи!"; # или умолчанием
print $socket "$message\n";      # отправляем его и
my $answer = <$socket>;          # принимаем ответ
print "$answer";                 # выводим ответ
close $socket;                   # и закрываем сокет

Из этого незатейливого примера можно сделать такой вывод: для согласованной работы клиент и сервер должны следовать установленным "правилам общения" во время сеанса обмена данными, так называемому протоколу прикладного уровня. В нашем случае правила сводятся к тому, что обмен идет по порту 5555, сервер ждет от клиента только одно сообщение, клиент ждет обязательного ответа от сервера, который завершает работу по получении сообщения, в котором содержится строка 'STOP'. Подробные соглашения описываются в конкретных протоколах сетевого обмена, например: HTTP (передача гипертекстовых документов), SMTP (отправка электронной почты), FTP (передача файлов). Описание подобных протоколов и других соглашений публикуются в виде предложений RFC (Request For Comment) - фактических международных стандартов, на которые ориентируются разработчики сетевого программного обеспечения.