Computer Networks and Internets

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希穆
4 years ago
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1 Part XV 网络应用软件第一讲 ( 客户 - 服务器概念, 协议端口的使用, 套接字 API)

2 应用层的功能 2 传输层及其以下层通讯基础可靠性应用层抽象文件各种服务数据库定义了标识网络上物理的和抽象的资源的符号名称

3 二重性网络传输位在应用程序请求下工作由应用程序的决定发送什么? 何时发送? 发送至何处? 每个位的含义 3

4 要点 Although an internet system provides a basic communication service, the protocol software cannot initiate contact with, or accept contact from, a remote computer. Instead, two application programs must participate in any communication: one application initiates communication and the other accepts it. 虽然因特网提供了基本的通讯服务, 但是协议软件并不能初始化连接, 或是接收来自远程计算机的连接请求而是在任何通信中, 必须要有两个应用程序共同参与 : 一个发出连接请求, 另外一个接受请求. 4 从这个角度看,internet 更象一个电话系统

5 两个应用程序如何联系一个应用程序首先开始执行在预先设定的位置等待另一个应用程序随后开始执行主动联系低一个程序称为 : client-server interaction 5

6 客户 - 服务器模式应用于所有的网络应用程序等待被访问的程序叫做服务器主动连接的程序叫做客户端 6

7 网络通讯 All network applications use a form of communication known as the client-server paradigm. A server application waits passively for contact, while a client application initiates communication actively. 网络应用所使用的通信形式称为客户 - 服务器模式服务器应用被动地等待连接, 而客户端软件则主动地初始化通讯. 7

8 客户端的特征任意应用程序临时成为客户也可进行其他的计算由用户直接触发在本地机运行动态连接到服务器端一次只能连接一个服务器端 8

9 服务器特征有一定功能和权限的程序专用于提供某种服务可同时处理多个远程客户端连接系统启动后自动运行永远运行需要高性能的计算机和操作系统支持. 被动等待客户连接接收任意客户端的请求 9

10 术语服务器接收网络客户端连接请求的程序服务器级计算机运行服务程序的硬件设备 10

11 数据流数据流的方向仅仅从客户端到服务器仅仅从服务器到客户端双向流动应用程序协议决定流向标准通信模型客户端发请求服务端响应 11

12 主要思想信息可以单向或双向地在客户和服务器之间流动虽然许多服务是由客户发送一个或更多请求, 然后服务器返回响应, 但是其它的交互也是可能的. 12

13 客户端, 服务端及通信协议客户端和服务端均为应用程序 13

14 服务端 CPU 的使用情况事实服务器的操作类似于其他应用程序用 CPU 处理使用 I/O 操作等待数据在网络间传输不需要 CPU 时间结果服务器程序只有在需要服务一个请求时才使用 CPU 14

15 多种服务在一台计算机上可以提供多种服务服务器仅在被请求时才会使用处理器同时提供多个服务需要功能强大的硬件 15

16 多种服务图例 16 每个服务器可提供一个服务一个服务器可处理多个客户端

17 标识服务使用协议端口号每个服务给定唯一的端口号, P 服务器通知 OS 它正在使用端口 P 等待请求客户端提出请求提交请求到服务器的端口 P 17

18 关于端口的要点 Transport protocols assign each service a unique port identifier. A server must specify the identifier when it begins execution. A client must specify the identifier when it requests transport protocol software to contact a server. Protocol software on the server computer uses the identifier to direct an incoming request to the correct server. 18 传输协议分配给每个服务一个唯一的端口标识符. 服务器开始执行的时候必须指明标识符. 客户请求时也要指明标识符. 服务器上的协议软件利用标识符将到来的请求定向到相应的服务器.

19 理论上端口号仅仅是数字任何一个服务器都可以使用任何一个端口号 19

20 实际上协议端口号用来做服务的唯一标识符需要统一的编号方式允许任意的客户端在任意机器上连接到服务器避免服务目录帮助的需要端口号整个因特网统一由标准规定 20

21 术语顺序程序绝大部分程序属于此类单路控制并发程序多路控制并行完成建立较困难 21

22 服务器和并发顺序服务器也被称为循环式服务每次只能处理一个请求并发服务器一次可以处理多个请求无需等待 22

23 服务器的延迟并发服务器服务器为每个请求建立新线程来处理客户端只需等待请求被处理顺序服务器客户端只能等待前面的请求被应答之后才能得到应答如果长请求阻塞了短请求, 用户将无法得到应答 23

24 服务器上的并发性并发执行是服务器的基础. 因为并发性允许多个客户同时得到特定的服务, 而不需要等待服务器完成前面的请求. 在并发服务器上, 主服务线程创建一个新的服务线程来处理每一个客户请求. 24

25 协议端口和并发服务器明显的问题一个端口号只能标记一个服务并发服务器同时有多个服务在运行客户端和服务器间可能交互传送到到同一服务器端口的信息必须进一步正确转交给相应的线程 25

26 协议端口和并发服务器 ( 续 ) 问题解决方案 : 同时利用客户端信息和服务器来标识数据包 TCP 用四项信息来确认连接服务器的 IP 地址服务器的协议端口号客户端的 IP 地址客户端的协议端口号 26

27 Demultiplexing in a Concurrent Server 传输协议给每个客户和服务器分配一个标识符. 服务器计算机上的协议软件通过使用客户服务器标识符的合并来选择正确的并发服务器的副本. 27

28 多协议均可到达的服务服务器可能使用无连接传输协议 (UDP) 有连接的传输协议 (TCP) 对某个服务同时使用两种通信形式同一种服务可以使用多种不同的传输协议增加了服务的灵活性服务器可以同时拥有多个端口号 28

29 复杂的服务服务器可以与客户端的交互持续几小时甚至几天发送短应答, 然后结束交互使用本地机的 I/O 作为客户端连接其他服务器 ( 潜在循环问题 ) 29

30 循环问题举例时间服务器返还该天当时的时间文件服务器允许客户端读写文件当文件需要时间标识时, 可访问时间服务器假设程序员修改时间服务器, 记录文件请求的日志, 会发生什么? 30

31 协议软件的交互客户端和服务器都使用传输协议传输协议在 OS 内部应用程序在 OS 外部两者之间需要连接称为应用程序接口 (API) 31

32 应用程序接口 (API) 操作系统的一部分允许应用程序使用协议定义允许的操作每次操作的参数 32

33 Socket API 初始设计为 BSD UNIX 设计与 TCP/IP 同时使用现况成为工业标准被许多操作系统支持 33

34 套接字和套接字库在没有提供本地套接字的计算机系统上, 套接字库能够为应用程序提供套接字 API 当应用调用某个套接字过程时, 控制转向库例程, 这些库例程调用一个或多个底层操作系统的功能来实现套接字功能. 34

35 Socket 一种 OS 抽象 ( 而非硬件的 ) 动态生成仅在应用程序运行时启用用描述符来标识一个套接字当应用调用底层过程通过网络传输数据时, 应用会把该描述字作为一个参数, 这样就无需知道远程目标的细节 35

36 描述符 Descriptor 小的整数每个激活的 socket 一个在所有的 socket 操作中运用当 socket 建立后由 OS 产生只对拥有该 socket 的应用程序有意义在 UNIX 下, 与文件描述符集成 36

37 创建一个 Socket 应用程序调用 socket 函数 desc = socket(protofamily,type,proto); 37 OS 返回 socket 的描述符描述符有效至应用程序关闭或退出 socket 一般 : protofamily = PF_INET, 表示 TCP/IP 协议族 type = SOCK_STREAM or 流 SOCK_DGRAM 报文

38 Socket 的功能 Socket 具有广泛的普遍性可以被以下对象使用客户端服务器 CO 传输协议 CL 传输协议用于发送 / 接收数据具有大量的操作 38

39 Socket 的操作关闭停止使用 socket 永久性的 close(socket); 39

40 Socket 的操作捆绑为 socket 指定端口为 socket 指定一个本地 IP 地址对任意 IP 地址可以使用 INADDR_ANY bind(socket,localaddr,addrlen); 40

41 通用地址格式 struct sockaddr { u_char sa_len; /*length of address*/ u_char sa_family; /*family of address*/ char sa_data[14]; /*address itself*/ } 41

42 TCP/IP 地址形式 struct sockaddr_in { u_char sin_len; /*length of address*/ u_char sin_family; /*family of address*/ u_short sin_port; /*protocol port number*/ struct in_addr sin_addr; /*IP address*/ char sin_zero[8]; /*not used(set to zero)*/ } 42

43 Socket 操作 ( 续 ) 监听供服务器使用准备 socket 来接收到来的连接接收 listen(socket,queuesize); 供服务器使用等待下一次连接并返回一新的 socket newsock = accept(socket,caddr,caddrlen); 43

44 Socket 操作 ( 续 ) 连接供客户端使用完成以下其中任一个完成一个 TCP 连接为 UDP 指明地址 connect(socket,saddr,saddrlen); 44

45 Connect 函数的两个用途 Connet 过程是由客户端调用的, 它有两个用途. 当使用面向连接传输, connect 复杂与指定的服务器建立一个传输连接. 当使用无连接传输时, connect 负责在套接字中记录服务器地址这样, 客户不需要为每条消息指定目的地址, 就可向同一服务器发送多个消息 45

46 SOCKET 操作 ( 续 ) Send, sendto, 和 sndmsg 从应用程序传出数据 send(socket,data,length,flags); sendto(socket,data,length,flags, destaddr,addrlen); sendmsg(socket,msgstruct,flags); 46

47 Msgstruct 的结构 struct msgstruct { struct sockaddr *m_saddr; /*dest address*/ struct datavec *m_dvec; /*message (vector)*/ int mdvlength; /*size of vector*/ struct access *m_rights; /*access rights*/ int m_alength; /*size of access rights*/ } 47

48 SOKET 操作 ( 续 ) Recv, recvfrom, 和 recvmsg 将接收数据转给应用程序 recv(socket,buffer,length,flags); recvfrom(socket,buffer,length,flags, senderaddr,saddrlen); recvmsg(socket,msgstruct,flags); 48

49 SOKET 操作 ( 续 ) 其它的许多附加功能提供支持和额外服务功能一些由库实现 49

50 Socket 支持功能举例 Gethostbyname 把域名镜像成 IP 地址举例 Getprotobyname 根据协议名得到主机代码参数常取 tcp or udp 50

51 服务举例目的记录访问它的客户的数目返回可打印的 ASCII 码信息面向连接协议顺序执行 ( 非并发 ) 51

52 客户端打开 TCP 连接到服务器重复直到文件结束 : 接收正文打印收到的字符关闭连接退出 52

53 服务器举例建立 socket 并进入被动模式无限重复 : 接收连接, 得到新的 socket 计数增加并送出文本信息关闭连接的 socket 注意主 socket 一直存在服务器永不退出 53

54 服务器和客户端的调用 54 客户端用后关闭 socket 服务器永不关闭初始的 socket

55 客户端代码 55 程序参数主机协议口以上均可选细节克服不同版本 Socket 的不同 Unix Microsoft Use C language #ifdef 客户端代码列表

56 客户端代码 56

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61 服务器代码程序参数协议口 C language #ifdefs for socket variants 服务器代码列表 61

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66 流接口发送方 Calls send repeatedly 指出每次调用的字节数 TCP 把流分割为 segments 接收方 Calls recv repeatedly 每次调用接收一个或多个字节零字节意味文件结束接收的长度与发送的长度无关 66

67 总结应用程序总是采用客户端 / 服务器模式交互客户端任意应用程序主动开始通信必需知道服务器的 IP 地址协议端口号 67

68 总结 ( 续 ) 服务器专用程序永远运行不停止一般提供一个服务消极等待客户端请求可以同时处理多个客户端 68

69 总结 ( 续 ) Socket API 标准化的介于应用程序和协议软件之间 Socket 操作系统抽象动态建立由客户端和服务器使用 69

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层