Межпроцессное взаимодействие

Размещено на http://www.allbest.ru/

Межпроцессное взаимодействие

порт сервер датаграмма encapsulation

Мы не будем вдаваться в детали реализации протоколов транспортного уровня, а лишь кратко рассмотрим их основные характеристики. К протоколам транспортного уровня относятся протоколы TCP и UDP.

Протокол TCP реализует потоковую модель передачи информации, хотя в его основе, как и в основе протокола UDP, лежит обмен информацией через пакеты данных. Он представляет собой ориентированный на установление логической связи (connection-oriented), надежный (обеспечивающий проверку контрольных сумм, передачу подтверждения в случае правильного приема сообщения, повторную передачу пакета данных в случае неполучения подтверждения в течение определенного промежутка времени, правильную последовательность получения информации, полный контроль скорости передачи данных) дуплексный способ связи между процессами в сети. Протокол UDP, наоборот, является способом связи ненадежным, ориентированным на передачу сообщений (датаграмм). От протокола IP он отличается двумя основными чертами: использованием для проверки правильности принятого сообщения контрольной суммы, насчитанной по всему сообщению, и передачей информации не от узла сети к другому узлу, а от отправителя к получателю.

Полный адрес удаленного процесса или промежуточного объекта для конкретного способа связи с точки зрения операционных систем определяется парой адресов: <числовой адрес компьютера в сети, локальный адрес>.

Такая пара получила название socket (гнездо, панель), так как по сути дела является виртуальным коммуникационным узлом (можно представить себе виртуальный разъем или ящик для приема / отправки писем), ведущим от объекта во внешний мир и наоборот. При непрямой адресации сами промежуточные объекты для организации взаимодействия процессов также именуются сокетами.

Поскольку уровень Internetсемейства протоколов TCP/IP умеет доставлять информацию только от компьютера к компьютеру, данные, полученные с его помощью, должны содержать тип использованного протокола транспортного уровня и локальные адреса отправителя и получателя. И протокол TCP, и протокол UDP используют непрямую адресацию.

Для того чтобы избежать путаницы, мы в дальнейшем термин «сокет» будем употреблять только для обозначения самих промежуточных объектов, а полные адреса таких объектов будем называть адресами сокетов.

Для каждого транспортного протокола в стеке TCP/IP существуют собственные сокеты: UDP сокеты и TCP сокеты, имеющие различные адресные пространства своих локальных адресов - портов. В семействе протоколов TCP/IP адресные пространства портов представляют собой положительные значения целого 16-битового числа. Поэтому, говоря о локальном адресе сокета, мы часто будем использовать термин «номер порта». Из различия адресных пространств портов следует, что порт 1111 TCP - это совсем не тот же самый локальный адрес, что и порт 1111 UDP. О том, как назначаются номера портов различным сокетам, мы поговорим позже.

Итак, мы описали иерархическую систему адресации, используемую в семействе протоколов TCP/IP, которая включает в себя несколько уровней:

· Физический пакет данных, передаваемый по сети, содержит физические адреса узлов сети (MAC-адреса) с указанием на то, какой протокол уровня Internet должен использоваться для обработки передаваемых данных (поскольку пользователя интересуют только данные, доставляемые затем на уровень приложений / процессов, то для него это всегда IP).

· IP-пакет данных содержит 32-битовые IP-адреса компьютера-отправителя и компьютера-получателя, и указание на то, какой вышележащий протокол (TCP, UDP или еще что-нибудь) должен использоваться для их дальнейшей обработки.

· Служебная информация транспортных протоколов (UDP-заголовок к данным и TCP-заголовок к данным) должна содержать 16-битовые номера портов для сокета отправителя и сокета получателя.

Добавление необходимой информации к данным при переходе от верхних уровней семейства протоколов к нижним принято называть английским словом encapsulation (дословно: герметизация). На рисунке 1. приведена схема encapsulation при использовании протокола UDP на сети Ethernet.

Рис. 1. Encapsulation для UDP-протокола на сети Ethernet

Поскольку между MAC-адресами и IP-адресами существует взаимно однозначное соответствие, известное семейству протоколов TCP/IP, то фактически для полного задания адреса доставки и адреса отправления, необходимых для установления двусторонней связи, нужно указать пять параметров: транспортный протокол, IP-адрес отправителя, порт отправителя, IP-адрес получателя, порт получателя.

Использование модели клиент-сервер для взаимодействия удаленных процессов

Модель клиент-сервер может использоваться для организации взаимодействия локальных процессов. Эта же модель, изначально предполагающая неравноправность взаимодействующих процессов, наиболее часто используется для организации сетевых приложений. Напомним основные отличия процессов клиента и сервера применительно к удаленному взаимодействию:

· Сервер, как правило, работает постоянно, на всем протяжении жизни приложения, а клиенты могут работать эпизодически.

· Сервер ждет запроса от клиентов, инициатором же взаимодействия выступает клиент.

· Как правило, клиент обращается к одному серверу за раз, в то время как к серверу могут одновременно поступить запросы от нескольких клиентов.

· Клиент должен знать полный адрес сервера (его локальную и удаленную части) перед началом организации запроса (до начала общения), в то время как сервер может получить информацию о полном адресе клиента из пришедшего запроса (после начала общения).

· И клиент, и сервер должны использовать один и тот же протокол транспортного уровня.

Неравноправность процессов в модели клиент-сервер, как мы увидим далее, накладывает свой отпечаток на программный интерфейс, используемый между уровнем приложений / процессов и транспортным уровнем.

Поступающие запросы сервер может обрабатывать последовательно - запрос за запросом - или параллельно, запуская для обработки каждого из них свой процесс или thread. Как правило, серверы, ориентированные на связь клиент-сервер с помощью установки логического соединения (TCP-протокол), ведут обработку запросов параллельно, а серверы, ориентированные на связь клиент-сервер без установления соединения (UDP-протокол), обрабатывают запросы последовательно.

Рассмотрим основные действия, которые нам необходимы в терминах абстракции socket для того, чтобы организовать взаимодействие между клиентом и сервером, используя транспортные протоколы стека TCP/IP.

Организация связи между удаленными процессами с помощью датаграмм

Более простой для взаимодействия удаленных процессов является схема организации общения клиента и сервера с помощью датаграмм, т.е. использование протокола UDP.

С точки зрения обычного человека общение процессов посредством датаграмм напоминает общение людей в письмах. Каждое письмо представляет собой законченное сообщение, содержащее адрес получателя, адрес отправителя и указания, кто написал письмо и кто должен его получить. Письма могут теряться, доставляться в неправильном порядке, быть поврежденными в дороге и т.д.

Все эти модельные действия имеют аналоги при общении удаленных процессов по протоколу UDP.

Процесс-сервер должен сначала совершить подготовительные действия: создать UDP-сокет (изготовить почтовый ящик) и связать его с определенным номером порта и IP-адресом сетевого интерфейса (прикрепить почтовый ящик в определенном месте) - настроить адрес сокета. При этом сокет может быть привязан к конкретному сетевому интерфейсу или к компьютеру в целом, то есть в полном адресе сокета может быть либо указан IP-адрес конкретного сетевого интерфейса, либо дано указание операционной системе, что информация может поступить через любой сетевой интерфейс, имеющийся в наличии. После настройки адреса сокета операционная система начинает принимать сообщения, пришедшие на этот адрес и складывать их в сокет. Сервер дожидается поступления сообщения, читает его, определяет, от кого оно поступило и через какой сетевой интерфейс, обрабатывает полученную информацию и отправляет результат по обратному адресу. После чего процесс готов к приему новой информации от того же или другого клиента.

Процесс-клиент должен сначала совершить те же самые подготовительные действия: создать сокет и настроить его адрес. Затем он передает сообщение, указав, кому оно предназначено (IP-адрес сетевого интерфейса и номер порта сервера), ожидает от него ответа и продолжает свою деятельность.

Схематично эти действия выглядят так, как показано на рисунке 2. Каждому из них соответствует определенный системный вызов. Названия вызовов написаны справа от блоков соответствующих действий.

Создание сокета производится с помощью системного вызова socket(). Для привязки созданного сокета к IP-адресу и номеру порта (настройка адреса) служит системный вызов bind(). Ожиданию получения информации, ее чтению и, при необходимости, определению адреса отправителя соответствует системный вызов recvfrom(). За отправку датаграммы отвечает системный вызов sendto().

Прежде чем приступить к подробному рассмотрению этих системных вызовов и примеров программ нам придется остановиться на нескольких вспомогательных функциях, которые мы должны будем использовать при программировании.

Сетевой порядок байт. Функции htons(), htonl(), ntohs(), ntohl()

Как известно, порядок байт в целых числах, представление которых занимает более одного байта, может быть для различных компьютеров неодинаковым. Есть вычислительные системы, в которых старший байт числа имеет меньший адрес, чем младший байт (big-endianbyteorder), а есть вычислительные системы, в которых старший байт числа имеет больший адрес, чем младший байт (little-endianbyteorder). При передаче целой числовой информации от машины, имеющей один порядок байт, к машине с другим порядком байт мы можем неправильно истолковать принятую информацию. Для того чтобы этого не произошло, было введено понятие сетевого порядка байт, т.е. порядка байт, в котором должна представляться целая числовая информация в процессе передачи ее по сети (на самом деле - это big-endianbyteorder). Целые числовые данные из представления, принятого на компьютере-отправителе, переводятся пользовательским процессом в сетевой порядок байт, в таком виде путешествуют по сети и переводятся в нужный порядок байт на машине-получателе процессом, которому они предназначены. Для перевода целых чисел из машинного представления в сетевое и обратно используется четыре функции: htons(), htonl(), ntohs(), ntohl().

Функции преобразования порядка байт

Прототипы функций

#include <netinet/in.h>

unsigned long inthtonl (

unsigned long inthostlong);

unsigned short inthtons (

unsigned short inthostshort);

unsigned long intntohl (

unsigned long intnetlong);

unsigned short intntohs (

unsigned short intnetshort);

Описание функций

Функция htonl осуществляет перевод целого длинного числа из порядка байт, принятого на компьютере, в сетевой порядок байт.

Функция htons осуществляет перевод целого короткого числа из порядка байт, принятого на компьютере, в сетевой порядок байт.

Функция ntohl осуществляет перевод целого длинного числа из сетевого порядка байт в порядок байт, принятый на компьютере.

Функция ntohs осуществляет перевод целого короткого числа из сетевого порядка байт в порядок байт, принятый на компьютере.

В архитектуре компьютеров i80x86 принят порядок байт, при котором младшие байты целого числа имеют младшие адреса. При сетевом порядке байт, принятом в Internet, младшие адреса имеют старшие байты числа.

Параметр у них - значение, которое мы собираемся конвертировать. Возвращаемое значение-то, что получается в результате конвертации. Направление конвертации определяется порядком букв h (host) и n (network) в названии функции, размер числа - последней буквой названия, то есть htons - это hosttonetworkshort, ntohl - networktohostlong.

Для чисел с плавающей точкой все обстоит гораздо хуже. На разных машинах могут различаться не только порядок байт, но и форма представления такого числа. Простых функций для их корректной передачи по сети не существует. Если требуется обмениваться действительными данными, то либо это нужно делать на гомогенной сети, состоящей из одинаковых компьютеров, либо использовать символьные и целые данные для передачи действительных значений.

Функции преобразования IP-адресов inet_ntoa(), inet_aton()

Нам также понадобятся функции, осуществляющие перевод IP-адресов из символьного представления (в виде четверки чисел, разделенных точками) в числовое представление и обратно. Функция inet_aton() переводит символьный IP-адрес в числовое представление в сетевом порядке байт.

Функция возвращает 1, если в символьном виде записан правильный IP-адрес, и 0 в противном случае - для большинства системных вызовов и функций это нетипичная ситуация. Обратите внимание на использование указателя на структуру structin_addr в качестве одного из параметров данной функции. Эта структура используется для хранения IP-адресов в сетевом порядке байт. То, что используется структура, состоящая из одной переменной, а не сама 32-битовая переменная, сложилось исторически, и авторы в этом не виноваты.

Для обратного преобразования применяется функция inet_ntoa().

Функции преобразования IP-адресов

Прототипы функций

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <netinet/in.h>

intinet_aton (const char *strptr,

structin_addr *addrptr);

char *inet_ntoa (structin_addr *addrptr);

Описание функций

Функция inet_aton переводит символьный IP-адрес, расположенный по указателю strptr, в числовое представление в сетевом порядке байт и заносит его в структуру, расположенную по адресу addrptr. Функция возвращает значение 1, если в строке записан правильный IP-адрес, и значение 0 в противном случае. Структура типа structin_addr используется для хранения IP-адресов в сетевом порядке байт и выглядит так:

structin_addr {

in_addr_ts_addr;

};

То, что используется адрес такой структуры, а не просто адрес переменной типа in_addr_t, сложилось исторически.

Функция inet_ntoa применяется для обратного преобразования. Числовое представление адреса в сетевом порядке байт должно быть занесено в структуру типа structin_addr, адрес которой addrptr передается функции как аргумент. Функция возвращает указатель на строку, содержащую символьное представление адреса. Эта строка располагается в статическом буфере, при последующих вызовах ее новое содержимое заменяет старое содержимое.

Функция bzero()

Функция bzero

Прототип функции

#include<string.h>

void bzero (void *addr, int n);

Описание функции

Функция bzero заполняет первые n байт, начиная с адреса addr, нулевыми значениями. Функция ничего не возвращает.

Теперь мы можем перейти к системным вызовам, образующим интерфейс между пользовательским уровнем стека протоколов TCP/IP и транспортным протоколом UDP.

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 - потоковыйсокет. Однако понятие сокета 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 (Addressfamily - Internet) или ее синоним PF_INET (Protocolfamily - Internet).

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

Размещено на Allbest.ru