(Microsoft Word - socket\312\265\321\351\262\316\277\274.doc)

Size: px

Start display at page:

Download "(Microsoft Word - socket\312\265\321\351\262\316\277\274.doc)"

沂必雷
7 years ago
Views:

1 UNIX 系统的 I/O 命令集, 是从 Maltics 和早期系统中的命令演变出来的, 其模式为打开一读 / 写一关闭 (open-write-read-close) 在一个用户进程进行 I/O 操作时, 它首先调用 " 打开 " 获得对指定文件或设备的使用权, 并返回称为文件描述符的整型数, 以描述用户在打开的文件或设备上进行 I/O 操作的进程然后这个用户进程多次调用 " 读 / 写 " 以传输数据当所有的传输操作完成后, 用户进程关闭调用, 通知操作系统已经完成了对某对象的使用 TCP/IP 协议被集成到 UNIX 内核中时, 相当于在 UNIX 系统引入了一种新型的 I/O 操作 UNIX 用户进程与网络协议的交互作用比用户进程与传统的 I/O 设备相互作用复杂得多首先, 进行网络操作的两个进程在不同机器上, 如何建立它们之间的联系? 其次, 网络协议存在多种, 如何建立一种通用机制以支持多种协议? 这些都是网络应用编程界面所要解决的问题在 UNIX 系统中, 网络应用编程界面有两类 :UNIX BSD 的套接字 (socket) 和 UNIX System V 的 TLI 由于 Sun 公司采用了支持 TCP/IP 的 UNIX BSD 操作系统, 使 TCP/IP 的应用有更大的发展, 其网络应用编程界面套接字 (socket) 在网络软件中被广泛应用, 至今已引进微机操作系统 DOS 和 Windows 系统中, 成为开发网络应用软件的强有力工具, 本章将要详细讨论这个问题 2.2 套接字编程基本概念在开始使用套接字编程之前, 首先必须建立以下概念网间进程通信进程通信的概念最初来源于单机系统由于每个进程都在自己的地址范围内运行, 为保证两个相互通信的进程之间既互不干扰又协调一致工作, 操作系统为进程通信提供了相应设施, 如 UNIX BSD 中的管道 (pipe) 命名管道 (named pipe) 和软中断信号 (signal),unix system V 的消息 (message) 共享存储区 (shared memory) 和信号量 (semaphore) 等, 但都仅限于用在本机进程之间通信网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题 ( 可把同机进程通信看作是其中的特例 ) 为此, 首先要解决的是网间进程标识问题同一主机上, 不同进程可用进程号 (process ID) 唯一标识但在网络环境下, 各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程例如, 主机 A 赋于某进程号 5, 在 B 机中也可以存在 5 号进程, 因此,"5 号进程 " 这句话就没有意义了其次, 操作系统支持的网络协议众多, 不同协议的工作方式不同, 地址格式也不同因此, 网间进程通信还要解决多重协议的识别问题端口为了解决上述问题,TCP/IP 协议引入了下列几个概念网络中可以被命名和寻址的通信端口, 是操作系统可分配的一种资源按照 OSI 七层协议的描述, 传输层与网络层在功能上的最大区别是传输层提供进程通信能力从这个意义上讲, 网络通信的最终地址就不仅仅是主机地址了, 还包括可以描述进程的某种标识符为此,TCP/IP 协议提出了协议端口 (protocol port, 简称端口 ) 的概念, 用于标识通信的进程端口是一种抽象的软件结构 ( 包括一些数据结构和 I/O 缓冲区 ) 应用程序 ( 即进程 ) 通过系统调用与某端口建立连接 (binding) 后, 传输层传给该端口的数据都被相应进程所接收, 相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出在 TCP/IP 协议的实现中, 端口操作类似于一般的 I/O 操作, 进程获取一个端口, 相当于获取本地唯一的 I/O 文件, 可以用一般的读写原语访问之类似于文件描述符, 每个端口都拥有一个叫端口号 (port number) 的整数型标识符, 用于区别不同端口由于 TCP/IP 传输层的两个协议 TCP 和 UDP 是完全独立的两个软件模块, 因此各自的端口号也相互独立, 如 TCP 有一个 255 号端口,UDP 也可以有一个 255 号端口,

2 二者并不冲突端口号的分配是一个重要问题有两种基本分配方式 : 第一种叫全局分配, 这是一种集中控制方式, 由一个公认的中央机构根据用户需要进行统一分配, 并将结果公布于众第二种是本地分配, 又称动态连接, 即进程需要访问传输层服务时, 向本地操作系统提出申请, 操作系统返回一个本地唯一的端口号, 进程再通过合适的系统调用将自己与该端口号联系起来 ( 绑扎 ) TCP/IP 端口号的分配中综合了上述两种方式 TCP/IP 将端口号分为两部分, 少量的作为保留端口, 以全局方式分配给服务进程因此, 每一个标准服务器都拥有一个全局公认的端口 ( 即周知口,well-known port), 即使在不同机器上, 其端口号也相同剩余的为自由端口, 以本地方式进行分配 TCP 和 UDP 均规定, 小于 256 的端口号才能作保留端口地址网络通信中通信的两个进程分别在不同的机器上在互连网络中, 两台机器可能位于不同的网络, 这些网络通过网络互连设备 ( 网关, 网桥, 路由器等 ) 连接因此需要三级寻址 : 1. 某一主机可与多个网络相连, 必须指定一特定网络地址 ; 2. 网络上每一台主机应有其唯一的地址 ; 3. 每一主机上的每一进程应有在该主机上的唯一标识符通常主机地址由网络 ID 和主机 ID 组成, 在 TCP/IP 协议中用 32 位整数值表示 ;TCP 和 UDP 均使用 16 位端口号标识用户进程网络字节顺序不同的计算机存放多字节值的顺序不同, 有的机器在起始地址存放低位字节 ( 低价先存 ), 有的存高位字节 ( 高价先存 ) 为保证数据的正确性, 在网络协议中须指定网络字节顺序 TCP/IP 协议使用 16 位整数和 32 位整数的高价先存格式, 它们均含在协议头文件中连接两个进程间的通信链路称为连接连接在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制, 在外部表现出比无连接高的可靠性半相关综上所述, 网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程 : ( 协议, 本地地址, 本地端口号 ) 这样一个三元组, 叫做一个半相关 (half-association), 它指定连接的每半部分全相关一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成, 并且只能使用同一种高层协议也就是说, 不可能通信的一端用 TCP 协议, 而另一端用 UDP 协议因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识 : nbsp; ( 协议, 本地地址, 本地端口号, 远地地址, 远地端口号 ) 这样一个五元组, 叫做一个相关 (association), 即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关, 或完全指定组成一连接服务方式在网络分层结构中, 各层之间是严格单向依赖的, 各层次的分工和协作集中体现在相邻层之间的界面上 " 服务 " 是描述相邻层之间关系的抽象概念, 即网络中各层向紧邻上层提供的一组操作下层是服务提供者, 上层是请求服务的用户服务的表现形式是原语 (primitive), 如系统调用或库函数系统调用是操作系统内核向网络应用程序或高层协议提供的服务原语网络中的 n 层总要向 n+1 层提供比 n-1 层更完备的服务, 否则 n 层就没有存在的价值在 OSI 的术语中, 网络层及其以下各层又称为通信子网, 只提供点到点通信, 没有程序

3 或进程的概念而传输层实现的是 " 端到端 " 通信, 引进网间进程通信概念, 同时也要解决差错控制, 流量控制, 数据排序 ( 报文排序 ), 连接管理等问题, 为此提供不同的服务方式 : 面向连接 ( 虚电路 ) 或无连接面向连接服务是电话系统服务模式的抽象, 即每一次完整的数据传输都要经过建立连接, 使用连接, 终止连接的过程在数据传输过程中, 各数据分组不携带目的地址, 而使用连接号 (connect ID) 本质上, 连接是一个管道, 收发数据不但顺序一致, 而且内容相同 TCP 协议提供面向连接的虚电路无连接服务是邮政系统服务的抽象, 每个分组都携带完整的目的地址, 各分组在系统中独立传送无连接服务不能保证分组的先后顺序, 不进行分组出错的恢复与重传, 不保证传输的可靠性 UDP 协议提供无连接的数据报服务下面给出这两种服务的类型及应用中的例子 : 服务类型服务例子面向连接可靠的报文流可靠的字节流不可靠的连接文件传输 (FTP) 远程登录 (Telnet) 数字话音无连接不可靠的数据报有确认的数据报请求 - 应答电子邮件 ( ) 电子邮件中的挂号信网络数据库查询顺序在网络传输中, 两个连续报文在端 - 端通信中可能经过不同路径, 这样到达目的地时的顺序可能会与发送时不同 " 顺序 " 是指接收数据顺序与发送数据顺序相同 TCP 协议提供这项服务差错控制保证应用程序接收的数据无差错的一种机制检查差错的方法一般是采用检验 " 检查和 (Checksum)" 的方法而保证传送无差错的方法是双方采用确认应答技术 TCP 协议提供这项服务流控制在数据传输过程中控制数据传输速率的一种机制, 以保证数据不被丢失 TCP 协议提供这项服务字节流字节流方式指的是仅把传输中的报文看作是一个字节序列, 不提供数据流的任何边界 TCP 协议提供字节流服务

4 报文接收方要保存发送方的报文边界 UDP 协议提供报文服务全双工 / 半双工端 - 端间数据同时以两个方向 / 一个方向传送缓存 / 带外数据在字节流服务中, 由于没有报文边界, 用户进程在某一时刻可以读或写任意数量的字节为保证传输正确或采用有流控制的协议时, 都要进行缓存但对某些特殊的需求, 如交互式应用程序, 又会要求取消这种缓存在数据传送过程中, 希望不通过常规传输方式传送给用户以便及时处理的某一类信息, 如 UNIX 系统的中断键 (Delete 或 Control-c) 终端流控制符 (Control-s 和 Control-q), 称为带外数据逻辑上看, 好象用户进程使用了一个独立的通道传输这些数据该通道与每对连接的流相联系由于 Berkeley Software Distribution 中对带外数据的实现与 RFC 1122 中规定的 Host Agreement 不一致, 为了将互操作中的问题减到最小, 应用程序编写者除非与现有服务互操作时要求带外数据外, 最好不使用它客户 / 服务器模式在 TCP/IP 网络应用中, 通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户 / 服务器模式 (Client/Server model), 即客户向服务器发出服务请求, 服务器接收到请求后, 提供相应的服务客户 / 服务器模式的建立基于以下两点 : 首先, 建立网络的起因是网络中软硬件资源运算能力和信息不均等, 需要共享, 从而造就拥有众多资源的主机提供服务, 资源较少的客户请求服务这一非对等作用其次, 网间进程通信完全是异步的, 相互通信的进程间既不存在父子关系, 又不共享内存缓冲区, 因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系, 为二者的数据交换提供同步, 这就是基于客户 / 服务器模式的 TCP/IP 客户 / 服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式 : 首先服务器方要先启动, 并根据请求提供相应服务 : 1. 打开一通信通道并告知本地主机, 它愿意在某一公认地址上 ( 周知口, 如 FTP 为 21) 接收客户请求 ; 2. 等待客户请求到达该端口 ; 3. 接收到重复服务请求, 处理该请求并发送应答信号接收到并发服务请求, 要激活一新进程来处理这个客户请求 ( 如 UNIX 系统中用 fork exec) 新进程处理此客户请求, 并不需要对其它请求作出应答服务完成后, 关闭此新进程与客户的通信链路, 并终止 4. 返回第二步, 等待另一客户请求 5. 关闭服务器客户方 : 1. 打开一通信通道, 并连接到服务器所在主机的特定端口 ; 2. 向服务器发服务请求报文, 等待并接收应答 ; 继续提出请求请求结束后关闭通信通道并终止从上面所描述过程可知 : 1. 客户与服务器进程的作用是非对称的, 因此编码不同 2. 服务进程一般是先于客户请求而启动的只要系统运行, 该服务进程一直存在, 直到正常或强迫终止套接字类型 TCP/IP 的 socket 提供下列三种类型套接字流式套接字 (SOCK_STREAM) 提供了一个面向连接可靠的数据传输服务, 数据无差错无重复地发送, 且按发送顺序接

5 收内设流量控制, 避免数据流超限 ; 数据被看作是字节流, 无长度限制文件传送协议 (FTP) 即使用流式套接字数据报式套接字 (SOCK_DGRAM) 提供了一个无连接服务数据包以独立包形式被发送, 不提供无错保证, 数据可能丢失或重复, 并且接收顺序混乱网络文件系统 (NFS) 使用数据报式套接字原始式套接字 (SOCK_RAW) 该接口允许对较低层协议, 如 IP ICMP 直接访问常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备下图为使用 socket 建立连接的过程一些接口函数的说明在理论课上已经介绍得非常清楚, 在这里就不重复下面设计一个简单的基于 socket 的主 / 从程序, 程序流程图如下 :

6 要求 : 分别编写 server 和 client 程序, 并实现主机和实验平台之间的 socket 通讯屏蔽掉的地方请大家独立完成 Skt_cli.c 的程序如下 : /*********************************************************************************/ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <netdb.h> #include <sys/types.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/socket.h> #define SERVPORT 3333 #define MAXDATASIZE 100 /* 每次最大数据传输量 */

7 int main(int argc, char *argv[]) int sockfd, recvbytes; char buf[maxdatasize]; struct hostent *host; struct sockaddr_in serv_addr; if (argc < 2) fprintf(stderr,"please enter the server's hostname!\n"); if ((host=gethostbyname(argv[1]))==null) perror("gethostbyname 出错!"); if ((sockfd = socket(af_inet, SOCK_STREAM, 0)) == -1) perror("socket 创建出错!"); serv_addr.sin_family=af_inet; serv_addr.sin_port=htons(servport); serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr); bzero(&(serv_addr.sin_zero),8); if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) perror("connect error!"); if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) perror("recv 出错!"); buf[recvbytes] = '\0'; printf("received: %s",buf); close(sockfd);

8 return 0; /*********************************************************************************/ 下面是 skt_ser.c 程序 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/wait.h> #define SERVPORT 3333 /* 服务器监听端口号 */ #define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */ int main() int sockfd,client_fd,sin_size; /*sock_fd: 监听 socket;client_fd: 数据传输 socket */ struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */ struct sockaddr_in remote_addr; /* 客户端地址信息 */ if ((sockfd = socket(af_inet, SOCK_STREAM, 0)) == -1) perror("socket"); my_addr.sin_family=af_inet; my_addr.sin_port=htons(servport); my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; bzero(&(my_addr.sin_zero),8); if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) perror("bind"); if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1)

9 perror("listen"); while(1) sin_size = sizeof(struct sockaddr_in); if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, &sin_size)) == -1) perror("accept"); continue; printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr)); if (!fork()) /* 子进程代码段 */ if (send(client_fd, "Hello, you are connected!\n", 26, 0) == -1) perror("send"); close(client_fd); exit(0); close(client_fd); return 0;

ebook35-21

ebook35-21 21 Linux L i n u x 211 U N I X U N I X I / O F I F O U N I X I n t e r n e t s o c k e t () s o c k e t () send() r e c v ( read() w r i t e () send() r e c v () I n t e r n e t 212 Internet Internet S