Семейство протоколов TCP/IP. Сокеты (sockets) в UNIX и основы работы с ними

Использование модели клиент-сервер для взаимодействия удаленных процессов

В материалах семинара 9 при обсуждении мультиплексирования сообщений (раздел "Понятие мультиплексирования. Мультиплексирование сообщений. Модель взаимодействия процессов клиент-сервер. Неравноправность клиента и сервера") говорилось об использовании модели клиент-сервер для организации взаимодействия локальных процессов. Эта же модель, изначально предполагающая неравноправность взаимодействующих процессов, наиболее часто используется для организации сетевых приложений. Напомним основные отличия процессов клиента и сервера применительно к удаленному взаимодействию:

• Сервер, как правило, работает постоянно, на всем протяжении жизни приложения, а клиенты могут работать эпизодически.
• Сервер ждет запроса от клиентов, инициатором же взаимодействия выступает клиент.
• Как правило, клиент обращается к одному серверу за раз, в то время как к серверу могут одновременно поступить запросы от нескольких клиентов.
• Клиент должен знать полный адрес сервера (его локальную и удаленную части) перед началом организации запроса (до начала общения), в то время как сервер может получить информацию о полном адресе клиента из пришедшего запроса (после начала общения).
• И клиент, и сервер должны использовать один и тот же протокол транспортного уровня.

Неравноправность процессов в модели клиент-сервер, как мы увидим далее, накладывает свой отпечаток на программный интерфейс, используемый между уровнем приложений/процессов и транспортным уровнем.

Поступающие запросы сервер может обрабатывать последовательно – запрос за запросом – или параллельно, запуская для обработки каждого из них свой процесс или thread. Как правило, серверы, ориентированные на связь клиент-сервер с помощью установки логического соединения (TCP-протокол), ведут обработку запросов параллельно, а серверы, ориентированные на связь клиент-сервер без установления соединения (UDP-протокол), обрабатывают запросы последовательно.

Рассмотрим основные действия, которые нам необходимы в терминах абстракции socket для того, чтобы организовать взаимодействие между клиентом и сервером, используя транспортные протоколы стека TCP/IP.

Организация связи между удаленными процессами с помощью датаграмм

Как уже упоминалось в лекциях, более простой для взаимодействия удаленных процессов является схема организации общения клиента и сервера с помощью датаграмм, т. е. использование протокола UDP.

Рассмотрение этой схемы мы начнем с некоторой житейской аналогии, а затем убедимся, что каждому житейски обоснованному действию в операционной системе UNIX соответствует определенный системный вызов.

С точки зрения обычного человека общение процессов посредством датаграмм напоминает общение людей в письмах. Каждое письмо представляет собой законченное сообщение, содержащее адрес получателя, адрес отправителя и указания, кто написал письмо и кто должен его получить. Письма могут теряться, доставляться в неправильном порядке, быть поврежденными в дороге и т.д.

Что в первую очередь должен сделать человек, проживающий в отдаленной местности, для того чтобы принимать и отправлять письма? Он должен изготовить почтовый ящик, который одновременно будет служить и для приема корреспонденции, и для ее отправки. Пришедшие письма почтальон будет помещать в этот ящик и забирать из него письма, подготовленные к отправке.

Изготовленный почтовый ящик нужно где-то прикрепить. Это может быть парадная дверь дома или вход со двора, изгородь, столб, дерево и т.п. Потенциально может быть изготовлено несколько почтовых ящиков и размещено в разных местах с тем, чтобы письма от различных адресатов прибывали в различные ящики. Этим ящикам будут соответствовать разные адреса: "г. Иванову, почтовый ящик на конюшне", "г. Иванову, почтовый ящик, что на дубе".

После закрепления ящика мы готовы к обмену корреспонденцией. Человек-клиент пишет письмо с запросом по заранее известному ему адресу человека-сервера и ждет получения ответного письма. После получения ответа он читает его и перерабатывает полученную информацию.

Человек-сервер изначально находится в состоянии ожидания запроса. Получив письмо, он читает текст запроса и определяет адрес отправителя. После обработки запроса он пишет ответ и отправляет его по обратному адресу, после чего начинает ждать следующего запроса.

Все эти модельные действия имеют аналоги при общении удаленных процессов по протоколу UDP.

Процесс-сервер должен сначала совершить подготовительные действия: создать UDP-сокет (изготовить почтовый ящик) и связать его с определенным номером порта и IP-адресом сетевого интерфейса (прикрепить почтовый ящик в определенном месте) – настроить адрес сокета. При этом сокет может быть привязан к конкретному сетевому интерфейсу (к конюшне, к дубу) или к компьютеру в целом, то есть в полном адресе сокета может быть либо указан IP-адрес конкретного сетевого интерфейса, либо дано указание операционной системе, что информация может поступить через любой сетевой интерфейс, имеющийся в наличии. После настройки адреса сокета операционная система начинает принимать сообщения, пришедшие на этот адрес и складывать их в сокет. Сервер дожидается поступления сообщения, читает его, определяет, от кого оно поступило и через какой сетевой интерфейс, обрабатывает полученную информацию и отправляет результат по обратному адресу. После чего процесс готов к приему новой информации от того же или другого клиента.

Процесс-клиент должен сначала совершить те же самые подготовительные действия: создать сокет и настроить его адрес. Затем он передает сообщение, указав, кому оно предназначено ( IP-адрес сетевого интерфейса и номер порта сервера), ожидает от него ответа и продолжает свою деятельность.

Схематично эти действия выглядят так, как показано на рисунке 15–16.6. Каждому из них соответствует определенный системный вызов. Названия вызовов написаны справа от блоков соответствующих действий.

Создание сокета производится с помощью системного вызова socket() . Для привязки созданного сокета к IP-адресу и номеру порта (настройка адреса) служит системный вызов bind() . Ожиданию получения информации, ее чтению и, при необходимости, определению адреса отправителя соответствует системный вызов recvfrom() . За отправку датаграммы отвечает системный вызов sendto() .

Прежде чем приступить к подробному рассмотрению этих системных вызовов и примеров программ нам придется остановиться на нескольких вспомогательных функциях, которые мы должны будем использовать при программировании.