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ACE Socket Allen Long ihuihoo@gmail.com http://www.huihoo.com huihoo - Enterprise Open Source

内容安排如何访问 OS 服务 TCP/IP Socket 编程接口使用 ACE 的 UDP 类进行网络编程单播广播多播

Socket Interface 3

Socket API 概述 (1/2) Sockets 是网络编程最普遍的接口 Socket API 最初是在 BSD Unix 中开发, 用来为 TCP/IP 协议族提供应用级程序接口 The Socket API 分五类有近 20 多个函数 Socket 通过 Socket API 创建通信端点, 并通过句柄 (handle) 访问每个 socket 都可以绑定一个本地地址和一个远程地址 In Unix, 对大多数应用来讲, socket 句柄和其他 I/O 句柄 ( 如 : 文件管道终端设备句柄 ) 可以互换使用. 而在 windows 中却不可以. 本地管理 :socket 接口为管理本地上下文信息提供以下函数 : socket: 分配最小的未用 socket 句柄 ; bind: 将 socket 句柄与本地或远地地址相关联 ; 本地上下文管理 (Local getsockname context 和 getpeername: 分别确定 socket 所连接的本地或远地地址 ; management) close: 释放 socket 句柄, 使它可用于后面的复用连接建立和连接终止 :socket 接口为建立和终止连接提供以下函数 : connect: 客户通常使用 connect 来主动地与服务器建立连接 ; 连接建立和终止 (Connection establishment & termination) listen: 服务器使用 listen 来指示它想要被动地侦听进入的客户连接请求 ; accept: 服务器使用 accept 来创建新的通信端点, 以为客户服务 ; shutdown: 有选择地终止一个双向连接的读端和 / 或写端流 4

5 Socket API 概述 (2/2) 数据传输机制 :socket 接口提供以下函数来发送和接收数据 : read/write: 通过特定句柄接收和传输数据缓冲区 ; send/recv: 与 read/write 类似, 但它们提供一个额外的参数来控制特定的 socket 特有操作 ( 比如交换紧急数据, 或偷看接收队列中的数据, 而又不把它从队列中移除 ); 数据传输机制 sendto/recvfrom: 交换无连接数据报 ; readv/writev: 分别支持分散读和集中写语义 ( 这些操作优化用户 / 内核模式切换并简化内存管理 ); sendmsg/recvmsg: 通用函数, 包含了所有其他数据传输函数的行为对于 UNIX 域的 socket,sendmsg 和 recvmsg 函数还提供在同一主机的任意进程间传递访问权限 ( 比如打开文件句柄 ) 的能力注意这些接口也可被用于其他类型的 I/O, 比如文件和终端选项 (option) 管理 :socket 接口定义以下函数, 允许用户改变 socket 行为的缺省语义 : setsockopt 和 getsockopt: 修改或查询在协议栈不同层次中的选项选项包括多点传送广播, 以及设置 / 获取发送和接收传输缓冲区的大小 ; 选项管理 fcntl 和 ioctl: 是 UNIX 系统调用, 使在 socket 上能够进行异步 I/O 非阻塞 I/O, 以及紧急消息递送除了上面描述的 socket 函数, 通信软件还可使用以下标准库函数和系统调用 : gethostbyname 和 gethostbyaddr: 处理网络寻址的多种情况, 比如映射主机名到 IP 地址 ; getservbyname: 通过服务的端口号或人类可读的名字来对它们进行标识 ; ntohl ntohs htonl htons: 执行网络字节序转换 ; 网络地址 select: 在成组的打开的句柄上执行基于 I/O 和基于定时器的事件多路分离

Linux Socket Server (1/2) #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #define MYPORT 8000 #define BACKLOG 10 int main() int sockfd, new_fd; struct sockaddr_in my_addr; struct sockaddr_in their_addr; int sin_size; sockfd = socket(af_inet, SOCK_STREAM, 0); if(sockfd == -1) perror("socket() error!"); exit(1); else printf("socket() is OK...\n"); my_addr.sin_family = AF_INET; my_addr.sin_port = htons(myport); my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; 6

7 Linux Socket Server (2/2) memset(&(my_addr.sin_zero), 0, 8); if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) perror("bind() error lol!"); exit(1); else printf("bind() is OK...\n"); if(listen(sockfd, BACKLOG) == -1) perror("listen() error lol!"); exit(1); else printf("listen() is OK...\n"); sin_size = sizeof(struct sockaddr_in); new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, &sin_size); if(new_fd == -1) perror("accept() error!"); else printf("accept() is OK...\n"); close(new_fd); close(sockfd); return 0;

8 Linux Socket Client #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #define DEST_IP "127.0.0.1" #define DEST_PORT 8000 int main(int argc, char *argv[ ]) int sockfd; struct sockaddr_in dest_addr; sockfd = socket(af_inet, SOCK_STREAM, 0); if(sockfd == -1) perror("client-socket() error!"); exit(1); else printf("client-socket() sockfd is OK...\n"); dest_addr.sin_family = AF_INET; dest_addr.sin_port = htons(dest_port); dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(dest_ip); memset(&(dest_addr.sin_zero), 0, 8); if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)...

9 Windows Socket Server #include <winsock2.h> #include <ws2tcpip.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> int cdecl main(void) WSADATA wsadata; SOCKET ListenSocket = INVALID_SOCKET, ClientSocket = INVALID_SOCKET; struct addrinfo *result = NULL, hints; char recvbuf[default_buflen]; int iresult, isendresult; int recvbuflen = DEFAULT_BUFLEN; // Initialize Winsock iresult = WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsadata); if (iresult!= 0) printf("wsastartup failed: %d\n", iresult); return 1;...

Windows Socket Client int cdecl main(int argc, char **argv) WSADATA wsadata; SOCKET ConnectSocket = INVALID_SOCKET; struct addrinfo *result = NULL, *ptr = NULL, hints; char *sendbuf = "this is a test"; char recvbuf[default_buflen]; int iresult; int recvbuflen = DEFAULT_BUFLEN; // Validate the parameters if (argc!= 2) printf("usage: %s server-name\n", argv[0]); return 1; // Initialize Winsock iresult = WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsadata); if (iresult!= 0) printf("wsastartup failed: %d\n", iresult); return 1;... 10

11 Windows Socket 例子 cl server.cpp /link "D:\Program Files\Microsoft SDKs\Windows\v6.0A\Lib\WS2_32.Lib" cl client.cpp /link "D:\Program Files\Microsoft SDKs\Windows\v6.0A\Lib\WS2_32.Lib" 运行 : server.exe client.exe localhost

IPC SAP: 进程间通信服务访问点包装 ACE_IPC_SAP ACE_SOCK ACE_TLI ACE_SPIPE ACE_FIFO ACE_SOCK 封装 socket 接口 ACE_TLI 系统 V 传输层接口 ACE_SPIPE SVR4 STREAM 管道 ACE_FIFO UNIX FIFO 除此之外,ACE 还提供对 ATM,DEV,FILE,SSL,UPIPE 的封装

ACE Socket 编程接口增强的类型安全确保可移植性简单通用的使用高层抽象的构件基础 ACE_SOCK_Connector ACE_SOCK_Acceptor ACE_SOCK_Stream ACE_INET_Addr

ACE Socket 编程接口 Dgram 类和 Stream 类 :Dgram 类基于 UDP 数据报协议, 提供不可靠的无连接消息传递功能. 另一方面,Stream 类基于 TCP 协议, 提供面向连接的消息传递 Acceptor Connector 类和 Stream 类 :Acceptor 和 Connector 类分别用于被动和主动地建立连接.Acceptor 类封装 BSD accept() 调用, 而 Connector 封装 BSD connect() 调用.Stream 类用于在连接建立之后提供双向的数据流, 并包含有发送和接收方法. 类名 ACE_SOCK_Acceptor 职责用于被动的连接建立, 基于 BSD accept() 和 listen() 调用 ACE_SOCK_Connector 用于主动的连接建立, 基于 BSD connect() 调用 ACE_SOCK_Dgram ACE_SOCK_IO ACE_SOCK_Stream ACE_SOCK_CODgram ACE_SOCK_Dgram_Mcast ACE_SOCK_Dgram_Bcast 用于提供基于 UDP( 用户数据报协议 ) 的无连接消息传递服务封装了 sendto() 和 receivefrom() 等调用, 并提供了简单的 send() 和 recv() 接口用于提供面向连接的消息传递服务封装了 send() recv() 和 write() 等调用该类是 ACE_SOCK_Stream 和 ACE_SOCK_CODgram 类的基类用于提供基于 TCP( 传输控制协议 ) 的面向连接的消息传递服务派生自 ACE_SOCK_IO, 并提供了更多的包装方法用于提供有连接数据报 (connected datagram) 抽象派生自 ACE_SOCK_IO; 它包含的 open() 方法使用 bind() 来绑定到指定的本地地址, 并使用 UDP 连接到远地地址用于提供基于数据报的多点传送 (multicast) 抽象包括预订多点传送组, 以及发送和接收消息的方法用于提供基于数据报的广播 (broadcast) 抽象包括在子网中向所有接口广播数据报消息的方法

TCP/IP Socket 中的角色 (Role) The active connection role (ACE_SOCK_Connector) is played by a peer application that initiates a connection to a remote peer The passive connection role (ACE_SOCK_Acceptor) is played by a peer application that accepts a connection from a remote peer & The communication role (ACE_SOCK_Stream) is played by both peer applications to exchange data after they are connected

SOCK SAP 设计原则 - 在编译时强制实现类型安全性 : SOCK SAP 类是强类型的, 非法操作在编译时而不是运行时被拒绝 ; - 允许受控的类型安全性违例 : 通过提供的 get_handle 和 set_handle 方法 ; - 为常见情况进行简化 : 为常用方法参数提供缺省值 ( 如 : ACE_SOCK_Connector 构造器有六个参数 ). 定义简洁的接口 ( 如 : 使用 ACE_LSOCK* 类来传递 socket 句柄是非常简洁的 ). 将多个操作组合进单一操作 ( 如 : ACE_SOCK_Acceptor 组合了 socket bind 和 listen); - 用层次类属替代一维的接口 : 基类表示类属组件间的相似性, 而派生类表示差异性 ; - 通过参数化类型增强可移植性 : 参数化类型使应用与对特定的网络编程接口的依赖去耦合, 模板提供的类型抽象改善了支持不同网络编程接口 ( 比如 Socket 或 TLI) 的平台间的可移植性 ; - 内联性能关键的方法 : C++ 内联函数的使用以消除运行时函数调用开销 ; - 定义辅助类隐藏易错细节 : Addr 层次消除了与直接使用基于 C 的 struct sockaddr 数据结构族相关联的常见编程错误. 如 : ACE_INET_Addr 的构造器自动将 sockaddr 寻址结构清零, 并将端口号转换为网络字节序. 16

SOCK SAP 通信过程 ACE_SOCK 的通信过程一般为如下步骤 : 1 服务器绑定端口, 等待客户端连接 ; 2 客户端通过服务器的 ip 和服务器绑定的端口连接服务器 ; 3 服务器和客户端通过网络建立一条数据通路, 通过这条数据通路进行数据交互. 1. ACE_INET_Addr 类是 ACE_Addr 的子类, 表示 TCP/IP 和 UDP/IP 的地址. 它通常包含机器的 IP 地址和端口号. 定义方法 : ACE_INET_Addr addr(3000,"192.168.1.100"); 2. ACE_SOCK_Acceptor 类服务期端使用, 用于绑定端口和被动地接受连接. 常用方法 : open() 绑定端口, accept() 建立和客户段的连接 3. ACE_SOCK_Connector 类客户端使用, 用于主动的建立和服务器的连接. 常用方法 : connect() 建立和服务器的连接 4. ACE_SOCK_Stream 类客户端和服务器都使用, 表示客户段和服务器之间的数据通路. 常用方法 : send () 发送数据, recv () 接收数据, close() 关闭连接 ( 实际上就是断开了 socket 连接 ) 17

ACE Socket Server #include <ace/inet_addr.h> #include <ace/sock_stream.h> #include <ace/sock_acceptor.h> ACE_INET_Addr port_to_listen(3000, "192.168.1.100"); ACE_SOCK_Acceptor acceptor; if (acceptor.open (port_to_listen, 1) == -1) // 绑定端口 cout<<endl<<"bind port fail"<<endl; return -1; // 要绑定的端口号 ACE_SOCK_Stream peer; // 和客户端的数据通路 ACE_Time_Value timeout (10, 0); // if (acceptor.accept (peer)!= -1) // 建立和客户端的连接 cout<<endl<<endl<<"client connect. "<<endl; char buffer[1024]; ssize_t bytes_received; ACE_INET_Addr raddr; peer.get_local_addr(raddr); cout<<endl<<"local port\t"<<raddr.get_host_name()<<"\t"<<raddr.get_port_number()<<endl; // raddr.get_ip_address()? while ((bytes_received = peer.recv (buffer, sizeof(buffer)))!= -1) // 读取客户端发送的数据 peer.send(buffer, bytes_received); // 对客户端发数据 peer.close (); 18

19 ACE Socket Client ACE_INET_Addr addr(3000,"192.168.1.100"); ACE_SOCK_Connector connector; ACE_Time_Value timeout(5,0); ACE_SOCK_Stream peer; if(connector.connect(peer,addr,&timeout)!= 0) cout<<"connection failed!"<<endl; return 1; cout<<"conneced!"<<endl; string s="hello world"; peer.send(s.c_str(),s.length()); // 发送数据 cout<<endl<<"send:\t"<<s<<endl; ssize_t bc=0; // 接收的字节数 char buf[1024]; bc=peer.recv(buf,1024,&timeout); // 接收数据 if(bc>=0) buf[bc]='\0'; cout<<endl<<"rev:\t"<<buf<<endl; // 显示数据 peer.close();

ACE Socket Addressing Classes Class Capabilities The ACE_Addr class is the root of the ACE network addressing hierarchy The ACE_INET_Addr class represents TCP/IP & UDP/IP addressing information This class eliminates many subtle sources of accidental complexity

使用 ACE_SOCK_Connector #include <ace/inet_addr.h> #include <ace/sock_stream.h> #include <ace/sock_connector.h> #include <ace/time_value.h> ACE_INET_Addr srvr (5000, ACE_LOCALHOST); ACE_SOCK_Connector connector; ACE_SOCK_Stream peer; if(connector.connect(peer,addr,&timeout)!= 0) cout<<"connection failed!"<<endl; return 1; cout<<"conneced!"<<endl;

使用 ACE_SOCK_Stream #include <ace/inet_addr.h> #include <ace/sock_stream.h> #include <ace/sock_acceptor.h> #include <ace/time_value.h> unsigned short portnumber = 5000; ACE_INET_Addr myaddress(portnumber); ACE_SOCK_Acceptor acceptor; ACE_SOCK_Stream peer; string s="hello world"; peer.send(s.c_str(),s.length()); // 发送数据 cout<<endl<<"send:\t"<<s<<endl; ssize_t bc=0; // 接收的字节数 char buf[1024]; bc=peer.recv(buf,1024,&timeout); // 接收数据

使用 ACE_SOCK_Acceptor #include <ace/inet_addr.h> #include <ace/sock_stream.h> #include <ace/sock_acceptor.h> #include <ace/time_value.h> if (acceptor.accept (peer)!= -1) // 成功建立和客户端的连接 cout<<endl<<endl<<"client connect. "<<endl; char buffer[1024]; ssize_t bytes_received; ACE_INET_Addr raddr; peer.get_local_addr(raddr); cout<<endl<<"local port\t"<<ace_uint32(raddr.get_ip_address()) <<"\t"<<raddr.get_port_number()<<endl; // raddr.get_host.address() while ((bytes_received = peer.recv (buffer, sizeof(buffer)))!= -1) // 读取客户端发送的数据 peer.send(buffer, bytes_received); // 对客户端发数据

使用 ACE 的 UDP 类进行网络编程 ACE_SOCK_CODgram ACE_Asynch_Read_Dgram ACE_Asynch_Write_Dgram ACE_SOCK_Dgram 和 TCP 编程相比, UDP 无需通过 acceptor, connector 来建立连接, 故代码相对 TCP 编程来说要简单许多. 另外, 由于 UDP 是一种无连接的通信方式, ACE_SOCK_Dgram 的实例对象中无法保存远端地址信息 ( 保存了本地地址信息 ), 故通信的时候需要加上远端地址信息. UDP 通信过程如下 : 1 服务器端绑定一固定 UDP 端口, 等待接收客户端的通信 ; 2 客户端通过服务器的 IP 和地址信息直接对服务器端发送消息 ; 3 服务器端收到客户端发送的消息后获取客户端的 IP 和端口号, 通过该地址信息和客户端通信.

#include <ace/sock_dgram.h> #include <ace/inet_addr.h> #include <ace/time_value.h> #include <string> #include <iostream> using namespace std; UDP Server 例子 int main(int argc, char *argv[]) ACE_INET_Addr port_to_listen(3000); // 要绑定的端口 ACE_SOCK_Dgram peer(port_to_listen); // 通信通道 char buf[100]; while(true) ACE_INET_Addr remoteaddr; // 所连接的远程地址 int bc = peer.recv(buf,100,remoteaddr); // 接收消息, 并获取远程地址信息 if( bc!= -1) string s(buf,bc); cout<<endl<<"rev:\t"<<s<<endl; peer.send(buf,bc,remoteaddr); // 和远程地址通信 return 0; 25

26 UDP Client 例子 #include <ace/sock_dgram.h> #include <ace/inet_addr.h> #include <ace/time_value.h> #include <string> #include <iostream> using namespace std; int main(int argc, char *argv[]) ACE_INET_Addr remoteaddr(3000,"127.0.0.1"); // 所连接的远程地址 ACE_INET_Addr localaddr; // 本地地址信息 ACE_SOCK_Dgram peer(localaddr); // 通信通道 peer.send("hello",5,remoteaddr); // 发送消息 char buf[100]; int bc = peer.recv(buf,100,remoteaddr); // 接收消息 if( bc!= -1) string s(buf,bc); cout<<endl<<"rev:\t"<<s<<endl; return 0;

27 单播 (Unicast) 单播与 TCP 类似, 是一种一对一操作. 与 TCP 通信两点主要的不同 : 你只需要打开使用 ACE_SOCK_Dgram. 不需要使用接受器和连接器. 在发送数据报时, 你需要显式地指定对端的地址.

#include "ace/os.h" #include "ace/log_msg.h" #include "ace/inet_addr.h" #include "ace/sock_dgram.h" 使用单播 (Unicast) int send_unicast (const ACE_INET_Addr &to) const char *message = "this is the message!\n"; ACE_INET_Addr my_addr (ACE_static_cast (u_short, 10101)); ACE_SOCK_Dgram udp (my_addr); ssize_t sent = udp.send (message, ACE_OS_String::strlen (message) + 1, to); udp.close (); if (sent == -1) ACE_ERROR_RETURN ((LM_ERROR, ACE_TEXT ("%p\n"), ACE_TEXT ("send")), -1); return 0;

29 广播 (Broadcast) 在广播模式中, 你必须为每个发送操作指定目的地址. ACE_SOCK_Dgram_Bcast 类负责为你提供正确的 IP 广播地址. 你只需要指定要用于广播的 UDP 端口号. 因为 ACE_SOCK_Dgram_Bcast 是 ACE_SOCK_Dgram 的子类, 所以全部数据报接收操作与单播的操作都是相似的.

使用广播 (Broadcast) #include "ace/os.h" #include "ace/log_msg.h" #include "ace/inet_addr.h" #include "ace/sock_dgram_bcast.h" int send_broadcast (u_short to_port) const char *message = "this is the message!\n"; ACE_INET_Addr my_addr (ACE_static_cast (u_short, 10101)); ACE_SOCK_Dgram_Bcast udp (my_addr); ssize_t sent = udp.send (message, ACE_OS_String::strlen (message) + 1, to_port); udp.close (); if (sent == -1) ACE_ERROR_RETURN ((LM_ERROR, ACE_TEXT ("%p\n"), ACE_TEXT ("send")), -1); return 0;

多播 (Multicast) 多播模式涉及到称为多播组的一组网络节点. OS 提供的底层协议软件会使用专门的协议管理多播组. OS 会根据应用是请求加入 ( 订阅 ) 还是离开 ( 取消订阅 ) 特定的多播组来指挥组的操作. 一旦应用加入了某个组, 在已加入的 socket 上发送的所有数据报都会发往该多播组, 而且不用指定每个发送操作的目的地址. 每个多播组都有一个单独的 IP 地址. 多播地址是 D 类 IP 地址. 如 : 224.2.2.2 D 类地址范围 :224.0.0.1 到 239.255.255.255 ACE_SOCK_Dgram_Mcast 也是 ACE_SOCK_Dgram 的子类, 因此 recv() 方法也是从 ACE_SOCK_Dgram 继承来的. 如 : ssize_t recv_cnt = udp.recv(buff, buflen, your_addr);

return 0; 使用多播 (Multicast) #include "ace/os.h" #include "ace/log_msg.h" #include "ace/inet_addr.h" #include "ace/sock_dgram_mcast.h" int send_multicast (const ACE_INET_Addr &mcast_addr) const char *message = "this is the message!\n"; ACE_SOCK_Dgram_Mcast udp; if (-1 == udp.join (mcast_addr)) ACE_ERROR_RETURN ((LM_ERROR, ACE_TEXT ("%p\n"), ACE_TEXT ("join")), -1); ssize_t sent = udp.send (message, ACE_OS_String::strlen (message) + 1); udp.close (); if (sent == -1) ACE_ERROR_RETURN ((LM_ERROR, ACE_TEXT ("%p\n"), ACE_TEXT ("send")), -1);

33 其他通信方式一 Files ACE_FILE_IO ACE_FILE_Connector ACE_FILE_Addr 二 Pipes and FIFOs ACE_FIFO_Recv, ACE_FIFO_Send, ACE_FIFO_Recv_Msg, ACE_FIFO_Send_Msg ACE_Pipe ACE_SPIPE_Acceptor, ACE_SPIPE_Connector, ACE_SPIPE_Stream, ACE_SPIPE_Addr 三 Shared Memory Stream ACE_MEM_Acceptor ACE_MEM_Connector ACE_MEM_Stream ACE_MEM_Addr

内容回顾如何访问 OS 服务 TCP/IP Socket 编程接口使用 ACE 的 UDP 类进行网络编程单播广播多播

参考资料 Patterns & frameworks for concurrent & networked objects www.posa.uci.edu ACE & TAO open-source middleware www.cs.wustl.edu/~schmidt/ace.html www.cs.wustl.edu/~schmidt/tao.html ACE research papers www.cs.wustl.edu/~schmidt/ace-papers.html Extended ACE & TAO tutorials UCLA extension, January 21-23, 2004 www.cs.wustl.edu/~schmidt/ucla.html ACE books www.cs.wustl.edu/~schmidt/ace/

结束谢谢大家! ihuihoo@gmail.com http://www.huihoo.com