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

Создание сокета. Системный вызов socket()

Для создания сокета в операционной системе служит системный вызов socket() . Для транспортных протоколов семейства TCP/IP существует два вида сокетов: UDP-сокет – сокет для работы с датаграммами, и TCP сокет – потоковый сокет. Однако понятие сокета (см. лекцию 14, раздел "Полные адреса. Понятие сокета (socket)") не ограничивается рамками только этого семейства протоколов. Рассматриваемый интерфейс сетевых системных вызовов ( socket() , bind() , recvfrom() , sendto() и т. д.) в операционной системе UNIX может применяться и для других стеков протоколов (и для протоколов, лежащих ниже транспортного уровня ).

При создании сокета необходимо точно специфицировать его тип. Эта спецификация производится с помощью трех параметров вызова socket() . Первый параметр указывает, к какому семейству протоколов относится создаваемый сокет, а второй и третий параметры определяют конкретный протокол внутри данного семейства.

Второй параметр служит для задания вида интерфейса работы с сокетом – будет это потоковый сокет, сокет для работы с датаграммами или какой-либо иной. Третий параметр указывает протокол для заданного типа интерфейса. В стеке протоколов TCP/IP существует только один протокол для потоковых сокетов – TCP и только один протокол для датаграммных сокетов – UDP, поэтому для транспортных протоколов TCP/IP третий параметр игнорируется.

В других стеках протоколов может быть несколько протоколов с одинаковым видом интерфейса, например, датаграммных, различающихся по степени надежности.

Для транспортных протоколов TCP/IP мы всегда в качестве первого параметра будем указывать предопределенную константу AF_INET (Address family – Internet) или ее синоним PF_INET (Protocol family – Internet).

Второй параметр будет принимать предопределенные значения SOCK_STREAM для потоковых сокетов и SOCK_DGRAM – для датаграммных.

Поскольку третий параметр в нашем случае не учитывается, в него мы будем подставлять значение 0.

Ссылка на информацию о созданном сокете помещается в таблицу открытых файлов процесса подобно тому, как это делалось для pip’ов и FIFO (см. семинар 5). Системный вызов возвращает пользователю файловый дескриптор, соответствующий заполненному элементу таблицы, который далее мы будем называть дескриптором сокета. Такой способ хранения информации о сокете позволяет, во-первых, процессам-детям наследовать ее от процессов-родителей, а, во-вторых, использовать для сокетов часть системных вызовов, которые уже знакомы нам по работе с pip’ами и FIFO: close(), read(), write().

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h> 
int socket(int domain, int type, 
           int protocol);

Адреса сокетов. Настройка адреса сокета. Системный вызов bind()

Когда сокет создан, необходимо настроить его адрес. Для этого используется системный вызов bind() . Первый параметр вызова должен содержать дескриптор сокета, для которого производится настройка адреса. Второй и третий параметры задают этот адрес.

Во втором параметре должен быть указатель на структуру struct sockaddr, содержащую удаленную и локальные части полного адреса.

Указатели типа struct sockaddr * встречаются во многих сетевых системных вызовах; они используются для передачи информации о том, к какому адресу привязан или должен быть привязан сокет. Рассмотрим этот тип данных подробнее. Структура struct sockaddr описана в файле <sys/socket.h> следующим образом:

struct sockaddr {
    short sa_family;
    char sa_data[14];
};

Такой состав структуры обусловлен тем, что сетевые системные вызовы могут применяться для различных семейств протоколов, которые по-разному определяют адресные пространства для удаленных и локальных адресов сокета. По сути дела, этот тип данных представляет собой лишь общий шаблон для передачи системным вызовам структур данных, специфических для каждого семейства протоколов. Общим элементом этих структур остается только поле short sa_family (которое в разных структурах, естественно, может иметь разные имена, важно лишь, чтобы все они были одного типа и были первыми элементами своих структур) для описания семейства протоколов. Содержимое этого поля системный вызов анализирует для точного определения состава поступившей информации.

Для работы с семейством протоколов TCP/IP мы будем использовать адрес сокета следующего вида, описанного в файле <netinet/in.h>:

struct sockaddr _in{
    short sin_family; 
    /* Избранное семейство протоколов 
       – всегда AF_INET */
    unsigned short sin_port; 
    /* 16-битовый номер порта в сетевом 
       порядке байт */
    struct in_addr sin_addr; 
    /* Адрес сетевого интерфейса */
    char sin_zero[8]; 
    /* Это поле не используется, но должно
       всегда быть заполнено нулями */
};

Первый элемент структуры – sin_family задает семейство протоколов. В него мы будем заносить уже известную нам предопределенную константу AF_INET (см. предыдущий раздел).

Удаленная часть полного адреса – IP-адрес – содержится в структуре типа struct in_addr, с которой мы встречались в разделе "Функции преобразования IP-адресов inet_ntoa() , inet_aton() " .

Для указания номера порта предназначен элемент структуры sin_port, в котором номер порта должен храниться в сетевом порядке байт. Существует два варианта задания номера порта: фиксированный порт по желанию пользователя и порт, который произвольно назначает операционная система. Первый вариант требует указания в качестве номера порта положительного заранее известного числа и для протокола UDP обычно используется при настройке адресов сокетов и при передаче информации с помощью системного вызова sendto() (см. следующий раздел). Второй вариант требует указания в качестве номера порта значения 0. В этом случае операционная система сама привязывает сокет к свободному номеру порта. Этот способ обычно используется при настройке сокетов программ клиентов, когда заранее точно знать номер порта программисту необязательно.

Какой номер порта может задействовать пользователь при фиксированной настройке? Номера портов с 1 по 1023 могут назначать сокетам только процессы, работающие с привилегиями системного администратора. Как правило, эти номера закреплены за системными сетевыми службами независимо от вида используемой операционной системы, для того чтобы пользовательские клиентские программы могли запрашивать обслуживание всегда по одним и тем же локальным адресам. Существует также ряд широко применяемых сетевых программ, которые запускают процессы с полномочиями обычных пользователей (например, X-Windows). Для таких программ корпорацией Internet по присвоению имен и номеров (ICANN) выделяется диапазон адресов с 1024 по 49151, который нежелательно использовать во избежание возможных конфликтов. Номера портов с 49152 по 65535 предназначены для процессов обычных пользователей. Во всех наших примерах при фиксированном задании номера порта у сервера мы будем использовать номер 51000.

IP–адрес при настройке также может быть определен двумя способами. Он может быть привязан к конкретному сетевому интерфейсу (т.е. сетевой плате), заставляя операционную систему принимать/передавать информацию только через этот сетевой интерфейс, а может быть привязан и ко всей вычислительной системе в целом (информация может быть получена/отослана через любой сетевой интерфейс). В первом случае в качестве значения поля структуры sin_addr.s_addr используется числовое значение IP-адреса конкретного сетевого интерфейса в сетевом порядке байт. Во втором случае это значение должно быть равно значению предопределенной константы INADDR_ANY, приведенному к сетевому порядку байт.

Третий параметр системного вызова bind() должен содержать фактическую длину структуры, адрес которой передается в качестве второго параметра. Эта длина меняется в зависимости от семейства протоколов и даже различается в пределах одного семейства протоколов. Размер структуры, содержащей адрес сокета, для семейства протоколов TCP/IP может быть определен как sizeof(struct sockaddr_in).

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockd, 
         struct sockaddr *my_addr, 
         int addrlen);