Programování síťových operací, koncepce socketů a jejich využití, blokující a neblokující komunikační operace.
Síťovým programováním rozumíme proces vytváření programů, které jsou spolu schopné komunikovat přes síť. Nemusí se však jednat pouze o komunikaci dvou různých počítačů v síti, programy mohou pomocí síťového rozhraní (localhost) komunikovat mezi sebou i v rámci jednoho počítače. Aby programátor nemusel znát podrobně všechny komunikační vrsty a protokoly potřebné k navázaní spojení, poskytuje operační systém rozhraní zvané síťový socket. Síťové sockety jsou postaveny na protokolu TCP/IP a jejich podporu najdeme ve většině běžně používaných programovacích jazycích.
Socket je obecný model point to point (roura) komunikace. Socket je obecně nezávislý na TCP/IP protokolu a poprvé byl představen jako programátorské rozhraní zvané Berkley sockets v operačním systému BSD (Berkley Software Distribution). Tento model implementují například Unixové sockety, které slouží pro meziprocesovou komunikace. V dnešní době je však pod pojmem Socket myšlena spíše implementace Síťových socketů postavených na protokolu TCP/IP, právě těmi se budeme dále zabývat.
- Unix Domain Sockets - Sockety pužívané pro meziprocesovou komunikaci v prostředí Unixu.
- Internet Domain Sockets - Síťové sockety, podporované napříč platformami.
- TCP - streamovaná spojovaná komunikace (Nejdříve se musí navázat spojení mezi párem socketů, server socket naslouchá na portu, klientský navazuje spojení.)
- UDP - nespojovaná datagramová komunikace (S každým zaslaným datagramem se zasílá lokální socket descriptor a adresa příjemce.)
- RawIP - obvykle dostupné jen routerech a nízkoúrovňových službách jako je (ICMP) ping. (OS již většinou nepodporují, lze falšovat hlavičky a tak dále.)
Síťový socket je jeden koncový bod dvoubodového komunikačního spojení mezi dvěma programy na síti. Koncový bod tvoří dvojice jméno hostitele a číslo portu. Každé spojení je identifikováno dvěma koncovými body, takzvaný socketpair.
Níže jsou uvedeny základní funcke poskytované socketem:
- socket() vytváří nový socket daného typu, identifikovaný celým číslem, s alokovanými systémovými prostředky.
- bind() je obvykle používán na straně serveru a typicky spojuje lokální port s IP adresou.
- listen() se používá na straně serveru uvádí TCP socket do stavu listen.
- connect() se používá na straně klienta a přiřazuje volný lokální port k socketu. V případě TCP socketu vytvoří nové TCP spojení.
- accept() se používá na straně serveru. Potvrzuje příchozí požadavek na ustavení nového TCP spojení od vzdáleného klienta a vytváří nový socket.
- send() a recv(), nebo write() a read(), nebo sendto() a recvfrom(), se používají pro odesílání a přijímání dat z/na vzdálený socket.
- close() požádá systém o uvolnění prostředků, které měl socket alokované. V případě TCP je spojení přerušeno.
- gethostbyname() a gethostbyaddr() se používají pro vzájemný překlad jmen hostů a adres. Podporováno je pouze IPv4.
- select() je využíván k čekání, než bude socket nebo seznam socketů připraven.
- poll() se používá ke kontrole stavu socketu ze skupiny socketů. Skupina může být kontrolována, zda je možné do některého socketu zapsat, číst z něj, nebo zda nenastala nějaká chyba.
- getsockopt() umožňuje získat aktuální stav dané vlastnosti socketu.
- setsockopt() umožňuje nastavit hodnotu dané vlastnosti socketu.
Převzato z Berkley Sockets spíše pro orientaci, reálně se může lišit v závisloti na implementaci a programovacím jazyce.
Komunikace probíhá tak, jak je znázorněno na následujícím obrázku.
Model komunikace přes Socket
Uvedený příklad je v Javě, která má oddělené třídy pro Socket a ServerSocket.
Klient
import java.io.*;
import java.net.*;
class TCPClient {
public static void main(String argv[]) throws Exception {
String sentence;
String modifiedSentence;
BufferedReader inFromUser = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
Socket clientSocket = new Socket("localhost", 6789);
DataOutputStream outToServer = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream());
BufferedReader inFromServer = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
sentence = inFromUser.readLine();
outToServer.writeBytes(sentence + '\n');
modifiedSentence = inFromServer.readLine();
System.out.println("FROM SERVER: " + modifiedSentence);
clientSocket.close();
}
}Server
import java.io.*;
import java.net.*;
class TCPServer {
public static void main(String argv[]) throws Exception {
String clientSentence;
String capitalizedSentence;
ServerSocket welcomeSocket = new ServerSocket(6789);
while (true) {
Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept();
BufferedReader inFromClient = new BufferedReader(new InputStreamReader(connectionSocket.getInputStream()));
DataOutputStream outToClient = new DataOutputStream(connectionSocket.getOutputStream());
clientSentence = inFromClient.readLine();
System.out.println("Received: " + clientSentence);
capitalizedSentence = clientSentence.toUpperCase() + '\n';
outToClient.writeBytes(capitalizedSentence);
}
}
}Každý socket může být nastaven do dvou módů - blokujícího a neblokujícího. V blokujícím řežimu je celá aplikace během odesílání dat zastavena a čeká se na potvrzení o přijetí. To může trvat značnou dobu, po kterou je hlavní vlákno aplikace blokováno. Druhým způsobem je pak neblokující režim, v tomto režimu se požadovaná funkce ihned vrátí (obvykle impleměntováno jako podvlákno, které vykoná zbytek práce) bez ohledu na dokončení vnitřní logiky. Hlavní vlákno tedy v podstatě ihned pokračuje dál ve vykonávání programu, ale nemáme jistotu, že byla odesílaná data správně doručena. Defaultně jsou vlákna nastavena jako blokující.
- Blokující operace - zastaví běh hlavního vlákna, dokud se její běh nedokončí
- nevýhody můžeme řešit provaděním operace ve vlastním vlákně (thread)
- při častém vykonávání blokujících operací může aplikace využít vláken i více najednou (thread pool)
- případně lze použí pooling (cyklicky se ptáme neblokující operací typu ready() jestli jsou data v bufferu a v případě úspěchu zahájíme blokujícíc recv())
- můžeme implementovat přerušení na příjem
- Neblokující operace - dovolí hlavnímu vláknu ihned pokračovat v běhu, úspěšné dokončení se však špatně ověřuje
- ověření se v tomto případě musí provádět opětovným dotazováním později v programu
- v některých jazycích je možné využít takzvaný callback
Jako blokující operace jsou záměrně implementovány funkce různých synchronizačních primitiv, viz okruh 27. Paralelní systémy.
Rodina protokolů TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – „primární přenosový protokol/protokol síťové vrstvy“) obsahuje sadu protokolů pro komunikaci v počítačové síti a je hlavním protokolem celosvětové sítě Internet.
Architektura TCP/IP je členěna do čtyř vrstev (na rozdíl od referenčního modelu OSI se sedmi vrstvami):
- vrstva síťového rozhraní (network interface) - Nejnižší vrstva umožňuje přístup k fyzickému přenosovému médiu. Je specifická pro každou síť v závislosti na její implementaci. Příklady sítí: Ethernet, Token ring, FDDI, 100BaseVG, X.25, SMDS. Protokol ARP.
- síťová vrstva (internet layer) - Vrstva zajišťuje především síťovou adresaci, směrování a předávání datagramů. Protokoly: IP (IPv4, IPv6), ICMP, IGMP, IPSEC. Je implementována ve všech prvcích sítě - směrovačích i koncových zařízeních.
- transportní vrstva (transport layer) - Transportní vrstva je implementována až v koncových zařízeních (počítačích) a umožňuje proto přizpůsobit chování sítě potřebám aplikace. Poskytuje transportní služby kontrolovaným spojením spolehlivým protokolem TCP (transmission control protocol) nebo nekontrolovaným spojením nespolehlivým protokolem UDP (user datagram protocol).
- aplikační vrstva (application layer) - Vrstva aplikací. To jsou programy (procesy), které využívají přenosu dat po síti ke konkrétním službám pro uživatele. Příklady: Telnet, FTP, HTTP, DHCP, DNS.
TCP/IP