Komunikacja sieciowa
ŁF
LINUX - Komunikacja sieciowa.
1. Model komunikacji sieciowej
Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna ISO opracowała model warstwowy połączenia systemów otwartych zwany modelem OSI, który określa normę komunikacji sieciowej komputerów. Model OSI składa się z 7 warstw i definiuje funkcje każdej warstwy, protokół komunikacji z warstwą i interfejsy pomiędzy warstwami. W większości istniejących rodzin protokołów zastosowano jednak uproszczony czterowarstwowy model komunikacji sieciowej.
(1.1) Protokoły transmisji
Każda warstwa w modelu musi mieć zdefiniowany protokół transmisji danych. Powstają w ten sposób rodziny grupujące komplet protokołów dla wszystkich warstw. Najpowszechniej wykorzystywaną obecnie rodziną protokołów jest rodzina TCP/IP w sieci Internet. Szczegółowe omówienie najpopularniejszych rodzin protokołów można znaleźć w literaturze [ ].
Ważną cechą protokołół jest tryb komunikacji: połączeniowy lub bezpołączeniowy.
W trybie połączeniowym procesy muszą ustanowić logiczne połączenie, aby rozpocząć komunikację.
W trybie bezpołaczeniowym (datagramowym) nie nawiązują połączenia, tylko wysyłają do siebie niezależne komunikaty zwane datagramami.
(1.2) Asocjacje
Połączenie w sieci ustanawiane jest między dwoma procesami działającymi na dwóch różnych stacjach.
Każde połączenie może być opisane przez pięcioelementowy zbiór parametrów zwany asocjacją:
- protokół,
- adres lokalny,
- proces lokalny,
- adres zdalny,
- proces zdalny.
Wszystkie elementy asocjacji muszą zostać określone zanim procesy zaczną się komunikować.
(1.3) Model komunikacji procesów klient-serwer
Komunikacja procesów w sieci komputerowej oparta jest zwykle na modelu klient - serwer. Relacja między procesami klienta i serwera jest asymetryczna, co wynika z różnych zadań tych procesów.
Serwer uruchamiany jest zazwyczaj jako pierwszy i podejmuje nastepujące działania:
- otwiera kanał komunikacji,
- informuje system operacyjny o gotowości odbierania zleceń od klientów pod ustalonym, ogólnie znanym adresem,
- oczekuje na zlecenia klientów,
- odbiera i przetwarza zlecenie w sposób uzależniony od rodzaju serwera, a następnie wysyła odpowiedź do klienta,
- powraca do oczekiwania na kolejne zlecenia.
Klient postępuje w następujący sposób:
- otwiera kanał komunikacji,
- nawiązuje połączenie z serwerem pod ogólnie znanym adresem (tylko w protokole połączeniowym),
- wysyła zlecenie na ogólnie znany adres serwera,
- odbiera odpowiedź od serwera,
- powtarza dwie powyższe czynności,
- zamyka kanał komunikacyjny i kończy działanie.
Rozróżnia się dwa rodzaje serwerów:
- iteracyjny - bezpośrednio obsługuje nadchodzące zlecenia klientów,
- współbieżny - tworzy nowy proces potomny do obsługi każdego kolejnego zlecenia.
Serwery iteracyjne stosuje się najczęściej wtedy, gdy wiadomo z góry ile czasu zajmuje przetwarzanie każdego zlecenia. Jeśli czas obsługi pojedyńczego zlecenia klienta jest stosunkowo krótki, to serwer może obsługiwać je sekwencyjnie. Serwery iteracyjne wykorzystują zwykle protokoły bezpołączeniowe.
Serwer współbieżny znajduje zastosowanie w sytuacjach, gdy czasy obsługi nie są określone i mogą być długie. Proces serwera tworzy wtedy proces potomny i powierza mu obsługę bieżącego zlecenia, a sam oczekuje na kolejne połączenia.
(1.4) Interfejsy programu użytkowego w systemach UNIX i Linux
Zgodnie z modelem komunikacji sieciowej, procesy użytkowników działają w najwyżej położonej warstwie - warstwie procesu. Możliwość korzystania z protokołów komunikacyjnych niższych warstw zapewnia specjalny interfejs programowy pomiędzy warstwą transportową i warstwą procesu. Nosi on nazwę interfejsu programu użytkowego (ang. Application Program Interface - API) lub interfejsu programowego warstwy transportowej.
Powstały dwa takie interfejsy dla systemu Unix:
- interfejs gniazd BSD (ang. BSD sockets) stworzony dla systemu BSD Unix,
- interfejs warstwy transportowej Systemu V (ang. Transfer Layer Interface - TLI) stworzony dla systemu Unix SVR3.
Obecnie wiele systemów uniksowych wykorzystuje obydwa interfejsy. Większą popularność zdobył jednak interfejs gniazd BSD. W systemie Linux zaimplementowano wyłącznie ten interfejs.
2. Gniazda BSD
Gniazda BSD umożliwiają komunikację sieciową z wykorzystaniem różnych rodzin protokołów np. TCP/IP, IPX, AppleTalk, AX25 i wielu innych. Rodzinę protokołów komunikacyjnych określa się również jako dziedzinę komunikacji. Zdecydowanie najpopularniejsza jest obecnie komunikacja w dziedzinie Internetu, wykorzystująca protokoły TCP/IP. Gniazda dają również możliwość komunikacji międzyprocesowej w dziedzinie UNIX-a, czyli wewnątrz jednego systemu operacyjnego z wykorzystaniem jego wewnętrznych protokołów.
(2.1) Scenariusze transmisji
Funkcje systemowe interfejsu gniazd pozwalają zrealizować transmisję danych w protokole połączeniowym lub bezpołączeniowym. Na rys. 10.1 i 10.2 przedstawiono typowe scenariusze takich transmisji.
 |
| Rys. 10.1 Typowy scenariusz transmisji połączeniowej |
 |
| Rys. 10.2 Typowy scenariusz transmisji bezpołączeniowej |
(2.2) Asocjacje
Aby dwa procesy mogły się komunikować w sieci, muszą zostać określone wszystkie elementy asocjacji. Tablica 10.1 pokazuje określanie tych elementów przez funkcje interfejsu gniazd.
proces lokalny </td> Adres zdalny,
proces zdalny </td> </tr> Serwer połączeniowy </td> socket() </td> bind() </td> listen(), accept() </td> </tr> Klient połączeniowy </td> socket() </td> connect() </td> </tr> Serwer bezpołączeniowy </td> socket() </td> bind() </td> recvfrom() </td> </tr> Klient bezpołączeniowy </td> socket() </td> bind() </td> sendto() </td> </tr> </table>
(2.3) Adresy gniazd
</p>System definiuje ogólną postać adresu gniazda w następującysposób:
| `struct sockaddr {` | |||
| `u_short sa_family;` | - rodzina adresów: AF_xxx | ||
| `char sa_data[14];` | - adres | ||
| `}` |
Zestawienie stałych symbolicznych określających rodziny adresów i odpowiadające im rodziny protokołów zawiera tablica 10.2. Stałe z przedrostkami AF_ i PF_ można stosować zamiennie.
W dalszej części niniejszej lekcji będziemy rozważać tylko dwie rodziny protokołów: dziedzinę UNIX-a i dziedzinę Internetu. Każda z tych rodzin wymaga innego sposobu adresowania.
Adres w dziedzinie Internetu ma następującą postać:
| `struct sockaddr_in {` | |||
| `short sin_family;` | - rodzina: AF_INET | ||
| `u_short sin_port;` | - 16-bitowy numer portu | ||
| `struct in_addr sin_addr;` | - struktura zawierająca 32-bitowy adres internetowy | ||
| `char sin_zero[8];` | - nie używane | ||
| `}` |
| `struct in_addr {` | |||
| `u_long s_addr;` | - 32-bitowy adres internetowy | ||
| `}` |
32-bitowy adres internetowy identyfikuje sieć i stację (komputer) w sieci, zaś 16-bitowy numer portu identyfikuje proces w stacji, komunikujący się przez gniazdo.
Adresy internetowe są zwykle przedstawiane w notacji kropkowo-dziesiętnej, podczas gdy protokoły TCP/IP posługują się liczbami 32-bitowymi. System Linux dostarcza zestaw funkcji bibliotecznych dokonujących odpowiednich konwersji adresów.
Funkcje biblioteczne inet_aton() i inet_addr() przekształcają adresy internetowe podane w notacji kropkowo-dziesiętnej na liczby 32-bitowe.
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
unsigned long int inet_addr(const char *cp);
gdzie:| cp | - | adres internetowy w notacji kropkowo-dziesiętnej, |
| inp | - | wskaźnik do struktury in_addr przeznaczonej na 32-bitowy adres internetowy. |
Funkcja inet_aton() zapisuje przekształcony 32-bitowy adres w strukturze in_addr, podczas gdy funkcja inet_addr() zwraca tylko liczbę 32-bitową.
Funkcja inet_ntoa() przekształca 32-bitowy adres internetowy na ciąg znaków w notacji kropkowo-dziesiętnej.
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
Numery portów są 16-bitowymi liczbami z zakresu od 0 do 65535. Część portów jest zastrzeżona dla procesów działających z uprawnieniami administratora. Początkowe numery przeznaczone są dla typowych usług internetowych, takich jak echo, finger, telnet czy ftp i określane jako ogólnie znane numery portów.
Sposób przechowywania liczb wielobajtowych jest zależny od platformy sprzętowej. Stacje komunikujące się w sieci mogą stosować różną kolejność przechowywania bajtów liczb całkowitych. Protokoły sieciowe wymagają podawania liczb z zachowaniem sieciowej kolejności bajtów, w której starszy bajt przechowywany jest wczesniej (pod niższym adresem w pamięci). Dotyczy to zarówno adresów, jak i numerów portów. System dostarcza cztery funkcje biblioteczne do przekształcania kolejności bajtów:
unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);
Funkcje htonl() i htons() przekształcają liczby całkowite, odpowiednio 4-bajtowe i 2-bajtowe, z kolejności bajtów stacji na kolejność sieciową. Funkcje ntohl() i ntohs() dokonują przekształceń odwrotnych.
Adresy w dziedzinie Unix-a mają odmienną postać:
| `struct sockaddr_un {` | |||
| `u_short sun_family;` | - rodzina: AF_UNIX | ||
| `char sun_path[108];` | - nazwa ścieżkowa pliku | ||
| `}` |
Jako adres wykorzystywana jest tu nazwa ścieżkowa pliku, który jest tworzony podczas związywania adresu z gniazdem.
3. Funkcje systemowe interfejsu gniazd
(3.1) Tworzenie gniazda
</p>Funkcja socket() tworzy nowe gniazdo z ustalonym protokołem transmisji i zwraca jego deskryptor.
int socket(int domain, int type, int protocol);
gdzie:| domain | - | dziedzina komunikacji określana przez rodzinę adresów lub rodzinę protokołów, |
| type | - | typ gniazda, |
| protocol | - | protokół transmisji. |
Domenę komunikacji domain specyfikuje się przez podanie jednej ze stałych opisanych w tablicy 10.xx i określających rodzinę adresów lub rodzinę protokołów. Stałe z przedrostkami AF_ i PF_ mogą być tu używane zamiennie.
Typ gniazda type określa jedna ze stałych podanych poniżej:
| SOCK_STREAM | - | gniazdo strumieniowe wykorzystujące protokół połączeniowy (np. TCP), |
| SOCK_DGRAM | - | gniazdo datagramowe wykorzystujące protokół bezpołączeniowy (np. UDP), |
| SOCK_RAW | - | gniazdo surowe wykorzystujące bezpośrednio protokół warstwy sieciowej (np. IP), |
| SOCK_SEQPACKET | - | gniazdo pakietów uporządkowanych, |
| SOCK_RDM | - | gniazdo komunikatów niezawodnie doręczanych. |
Dla dziedziny UNIX-a dostępne są tylko typy SOCK_STREAM i SOCK_DGRAM.
Trzeci argument funkcji wybiera konkretny protokół z rodziny, przeznaczony dla podanego typu gniazda. W większości przypadków w grę wchodzi tylko jeden protokół, który jądro systemu jest w stanie jednoznacznie wyznaczyć na podstawie wartości pozostałych dwóch argumentów. Dlatego argument protocol przyjmuje zazwyczaj wartość 0.
Nie wszystkie kombinacje rodzin protokołów i typów gniazd są dozwolone, ponieważ niektóre typy nie są zaimplementowane dla niektórych rodzin.
Dla dziedziny UNIXa dostępna jest funkcja socketpair(), która tworzy dwa połączone ze sobą gniazda i zwraca ich deskryptory. Zaraz po utworzeniu jądro automatycznie przydziela adresy (nazwy) nowym gniazdom, przez co są od razu gotowe do użycia.
int socketpair(int d, int type, int protocol, int sv[2]);
gdzie:| d | - | dziedzina komunikacji, |
| type | - | typ gniazda, |
| protocol | - | protokół transmisji, |
| sv | - | tablica deskryptorów utworzonych gniazd. |
Otrzymuje się w ten sposób dwukierunkowy kanał komunikacyjny pomiędzy procesami, czyli łącze strumieniowe. Ponieważ gniazda nie są jawnie nazywane przez proces, więc mogą z nich korzystać tylko procesy spokrewnione, które odziedziczyły deskryptory po procesie tworzącym. Często stosuje się określenie: gniazda nienazwane dziedziny UNIXa. Widać tu wyraźną analogię do łączy nienazwanych tworzonych funkcją pipe(). Łącza nienazwane zapewniają tylko jednokierunkową komunikację, podczas gdy łącza strumieniowe dają możliwość komunikacji w obydwu kierunkach.
(3.2) Przydzielanie adresu
</p>Każde gniazdo musi mieć przydzielony lokalny adres zanim będzie mogło być użyte do komunikacji. Operację tę określa się również jako związywanie adresu z gniazdem lub nazywanie gniazda. Ostatnie określenie ma szczególne uzasadnienie w przypadku gniazd w dziedzinie UNIX-a, dla których adresami są nazwy ścieżkowe plików. Pliki te są tworzone przez jądro podczas nazywania gniazda. Adres może być przydzielony jawnie za pomocą funkcji bind() lub automatycznie przez jądro systemu.
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);
gdzie:| sockfd | - | deskryptor otwartego gniazda, |
| my_addr | - | wskaźnik do struktury zawierającej adres gniazda, |
| addrlen | - | długość adresu. |
W wyniku działania funkcji gniazdo zostaje nazwane
Jak pokazują typowe scenariusze transmisji z rys. 10.1 i 10.2, jawne nazwanie gniazda muszą zrealizować procesy:
- serwera i klienta transmisji bezpołączeniowej,
- serwera transmisji połączeniowej.
Klient bezpołączeniowy musi się upewnić, że wysyłane przez niego datagramy zostaną opatrzone właściwym adresem zwrotnym. aby serwer wiedział dokąd wysyłać odpowiedzi.
Również klient połączeniowy może użyć funkcji bind(), ale nie jest to konieczne. Adres lokalnego gniazda klienta połączeniowego zostaje przydzielony przez jądro systemu przy próbie nawiązania połączenia z serwerem.
(3.3) Ustanawianie połączenia
</p>Serwer protokołu połączeniowego wywołuje funkcję listen(), aby zgłosić w systemie gotowość przyjmowania połączeń i ustalić jednocześnie maksymalną liczbę połączeń oczekujących na obsłużenie.
int listen(int s, int backlog);
gdzie:| s | - | deskryptor gniazda, |
| backlog | - | limit długości kolejki oczekujących połączeń. |
W większości systemów maksymalna dopuszczalna długość kolejki wynosi 5. Próby połączenia przekraczające tę liczbę będą odrzucane przez system.
Serwer akceptuje oczekujące połączenia za pomocą funkcji accept().
int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
gdzie:| s | - | deskryptor gniazda, |
| addr | - | wskaźnik do struktury adresowej przeznaczonej na odczytany adres gniazda klienta, |
| addrlen | - | długość adresu. |
Funkcja pobiera pierwsze zgłoszenie z kolejki oczekujących połączeń i tworzy nowe gniazdo o tych samych własnościach, co stare gniazdo. Funkcja zwraca nowy deskryptor do utworzonego gniazdo, które jest przeznaczone do obsługi połączenia. Dzięki temu serwer może nadal przyjmować połączenia korzystając ze starego gniazda. Jeżeli kolejka połączeń jest pusta, to funkcja blokuje proces do momentu nawiązania nowego połączenia.
Funkcja systemowa connect() umożliwia klientom nawiązanie połączenia z serwerem.
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
gdzie:| sockfd | - | deskryptor gniazda, |
| serv_addr | - | wskaźnik do struktury zawierającej adres gniazda serwera, |
| addrlen | - | długość adresu. |
W protokole połączeniowym funkcja nawiązuje połączenie z gniazdem strumieniowym serwera. Proces klienta jest blokowany do momentu ustanowienia połączenia. Klient połączeniowy może zrealizować tylko jedno pomyślne połączenie.
Funkcja może być również użyta przez klienta protokołu bezpołączeniowego w celu zapamiętania adresu serwera. Połączenie między gniazdami nie zostaje ustanowione. Klient informuje tylko system operacyjny, że wszystkie datagramy wysyłane przez gniazdo mają być dostarczone pod ten adres i mogą być odbierane wyłącznie spod tego adresu. Dzięki temu proces klienta nie musi określać adresu docelowego dla każdego wysyłanego datagramu. Klient protokołu bezpołączeniowego może używać funkcji connect() wielokrotnie w celu zapamiętania kolejnych adresów.
(3.4) Przesyłanie danych
</p>Sposób przesyłania danych jest uzależniony od typu gniazd. Gniazda strumieniowe, wykorzystywane w transmisji połączeniowej, mogą być dostępne za pomocą typowych funkcji systemowych interfejsu plików. Po ustanowieniu połączenia, obydwa procesy uczestniczące w komunikacji znają już swoje adresy i mogą korzystać z funkcji read() i write() lub recv() i send() do odbierania i wysyłania danych przez gniazdo.
Klient protokołu bezpołączeniowego, który zapisał adres serwera funkcją connect(), może również używać wspomnianych funkcji do wysyłania i odbierania datagramów.
W pozostałych przypadkach, przesłanie datagramu wymaga podania adresu odbiorcy, co umożliwia funkcja sendto().
int send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);
int sendto(int s, const void *msg, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);
gdzie:| s | - | deskryptor gniazda, |
| msg | - | wskaźnik do bufora zawierającego wiadomość do wysłania do gniazda, |
| len | - | długość wiadomości, |
| flags | - | flagi, |
| to | - | wskaźnik do struktury zawierającej adres gniazda odbiorcy, |
| tolen | - | długość adresu. |
Odbieranie datagramów wraz z adresem nadawcy umożliwia funkcja systemowa recvfrom().
int recv(int s, void *buf, size_t len, int flags);
int recvfrom(int s, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);
gdzie:| s | - | deskryptor gniazda, |
| buf | - | wskaźnik do bufora przeznaczonego na odczytaną z gniazda wiadomość, |
| len | - | długość odczytanej wiadomości, |
| flags | - | flagi, |
| from | - | wskaźnik do struktury przeznaczonej na adres gniazda nadawcy, |
| fromlen | - | długość adresu. |
(3.5) Likwidacja połączenia i zamykanie gniazda
</p>Do likwidacji połączenia i zamykania gniazda służy typowa funkcja interfejsu plików close(). Jeżeli protokół związany z gniazdem zapewnia niezawodne doręczanie danych (np. protokół TCP), to jądro systemu próbuje jeszcze wysłać wszystkie dane znajdujące się w kolejce.
Większe możliwości daje funkcja shutdown(), która pozwala zlikwidować połączenie całkowicie lub częściowo.
int shutdown(int s, int how);
gdzie:| s | - | deskryptor gniazda, |
| how | - | sposób likwidacji połączenia. |
Argument how decyduje o sposobie likwidacji połączenia:
| how = 0 | - | zabrania dalszego przyjmowania danych, |
| how = 1 | - | zabrania dalszego wysyłania danych, |
| how = 2 | - | zabrania zarówno przyjmowania jak i wysyłania danych. |
(3.6) Pobieranie adresów
</p>Funkcja getsockname() umożliwia pobranie adresu związanego z lokalnym gniazdem.
int getsockname(int s, struct sockaddr *name, socklen_t *namelen);
gdzie:| s | - | deskryptor gniazda, |
| name | - | wskaźnik do struktury adresowej przeznaczonej na adres gniazda lokalnego, |
| namelen | - | długość adresu. |
Funkcja getpeername() pobiera adres związany ze zdalnym gniazdem połączonego partnera komunikacji.
int getpeername(int s, struct sockaddr *name, socklen_t *namelen);
gdzie:| s | - | deskryptor gniazda, |
| name | - | wskaźnik do struktury adresowej przeznaczonej na adres gniazda zdalnego, |
| namelen | - | długość adresu. |
W dziale źródła/C++ znajdują się przykładowe programy do tego i pozostałych artykułów z tego cyklu.
Wszelkie pytania proszę kierować na adres L.Fronczyk@elka.pw.edu.pl
brakuje tylko przykładowego programu
Genialne i przejrzyste, gratuluje, tego szukałem :)
Ostatnio cos sporo artow o linux :))