Сокеты¶

Принципы сокетов¶

Каждый процесс может создать слушающий сокет (серверный сокет) и привязать его к какому-нибудь порту операционной системы (в UNIX непривилегированные процессы не могут использовать порты меньше 1024). Слушающий процесс обычно находится в цикле ожидания, то есть просыпается при появлении нового соединения. При этом сохраняется возможность проверить наличие соединений на данный момент, установить тайм-аут для операции и т.д.

Каждый сокет имеет свой адрес. ОС семейства UNIX могут поддерживать много типов адресов, но обязательными являются INET-адрес и UNIX-адрес. Если привязать сокет к UNIX-адресу, то будет создан специальный файл (файл сокета) по заданному пути, через который смогут сообщаться любые локальные процессы путём чтения/записи из него (см. Доменный сокет Unix). Сокеты типа INET доступны из сети и требуют выделения номера порта.

Обычно клиент явно подсоединяется к слушателю, после чего любое чтение или запись через его файловый дескриптор будут передавать данные между ним и сервером.

Основные функции¶

socket()¶

Создаёт конечную точку соединения и возвращает файловый дескриптор. Принимает три аргумента:

1. domain указывающий семейство протоколов создаваемого сокета

   • AF_INET для сетевого протокола IPv4
   • AF_INET6 для IPv6
   • AF_UNIX для локальных сокетов (используя файл)

2. type

   • SOCK_STREAM (надёжная потокоориентированная служба (сервис) или потоковый сокет)
   • SOCK_DGRAM (служба датаграмм или датаграммный сокет)
   • SOCK_RAW (Сырой сокет — сырой протокол поверх сетевого уровня).

3. protocol

   Протоколы обозначаются символьными константами с префиксом IPPROTO_* (например, IPPROTO_TCP или IPPROTO_UDP). Допускается значение protocol=0 (протокол не указан), в этом случае используется значение по умолчанию для данного вида соединений.

Пример на Си

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>

void error(const char *msg)
{
    perror(msg);
    exit(0);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd, portno, n;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    struct hostent *server;

    char buffer[256];
    if (argc < 3) {
       fprintf(stderr,"usage %s hostname port\n", argv[0]);
       exit(0);
    }

    // Задаем номер порта
    portno = atoi(argv[2]);

    // Создаем сокет
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
        error("ERROR opening socket");

    // Конвертирует имя хоста в IP адрес
    server = gethostbyname(argv[1]);
    if (server == NULL) {
        fprintf(stderr,"ERROR, no such host\n");
        exit(0);
    }

    // Указываем тип сокета Интернет
    bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;

    // Указаваем адрес IP сокета
    bcopy((char *)server->h_addr,
         (char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr,
         server->h_length);

    // Указываем порт сокета
    serv_addr.sin_port = htons(portno);

    // Устанавливаем соединение
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
        error("ERROR connecting");

    // Вводим сообщение из консоли
    printf("Please enter the message: ");
    bzero(buffer, 256);
    fgets(buffer, 255, stdin);

    // Отправляем данные
    n = write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
    if (n < 0)
         error("ERROR writing to socket");

    // Сбрасываем буфер
    bzero(buffer, 256);

    // Читаем ответ
    n = read(sockfd, buffer, 255);
    if (n < 0)
         error("ERROR reading from socket");
    printf("%s\n", buffer);

    close(sockfd);
    return 0;
}

Пример на Python

import socket

# Создание объекта сокета.
sock_obj = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM, 0)

# AF_INET, SOCK_STREAM и 0 используются по умолчанию при создании сокета.
# Поэтому можно просто писать:
sock_obj = socket.socket()

bind()¶

Связывает сокет с конкретным адресом. Когда сокет создается при помощи socket(), он ассоциируется с некоторым семейством адресов, но не с конкретным адресом. До того как сокет сможет принять входящие соединения, он должен быть связан с адресом. bind() принимает три аргумента:

1. sockfd — дескриптор, представляющий сокет при привязке
2. serv_addr — указатель на структуру sockaddr, представляющую адрес, к которому привязываем.
3. addrlen — поле socklen_t, представляющее длину структуры sockaddr.

Пример на Си

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);

Пример на Python

server_address = ('localhost', 8080)
sock_obj.bind(server_address)  # Привязка адреса и порта к сокету.

Автоматическое получение имени хоста.

host = socket.gethostname()     # Получить имя локальной машины.
server_address = (host, 8080)
sock_obj.bind(server_address)   # Привязка адреса и порта к сокету.

listen()¶

Подготавливает привязываемый сокет к принятию входящих соединений. Данная функция применима только к типам сокетов SOCK_STREAM и SOCK_SEQPACKET. Принимает два аргумента:

1. sockfd — корректный дескриптор сокета.
2. backlog — целое число, означающее число установленных соединений, которые могут быть обработаны в любой момент времени. Операционная система обычно ставит его равным максимальному значению.

Пример на Си

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

Пример на Python

sock_obj.listen(5)  # Ждем соединение клиента.

accept()¶

Используется для принятия запроса на установление соединения от удаленного хоста. Принимает следующие аргументы:

1. sockfd — дескриптор слушающего сокета на принятие соединения.
2. cliaddr — указатель на структуру sockaddr, для принятия информации об адресе клиента.
3. addrlen — указатель на socklen_t, определяющее размер структуры, содержащей клиентский адрес и переданной в accept(). Когда accept() возвращает некоторое значение, socklen_t указывает сколько байт структуры cliaddr использовано в данный момент.

Пример на Си

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);

Пример на Python

conn, addr = sock_obj.accept()  # Установление соединения с клиентом.

connect()¶

Устанавливает соединение с сервером.

Некоторые типы сокетов работают без установления соединения, это в основном касается UDP-сокетов. Для них соединение приобретает особое значение: цель по умолчанию для посылки и получения данных присваивается переданному адресу, позволяя использовать такие функции как send() и recv() на сокетах без установления соединения.

Загруженный сервер может отвергнуть попытку соединения, поэтому в некоторых видах программ необходимо предусмотреть повторные попытки соединения.

Пример на Си

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

Пример на Python

server_address = ('192.168.1.100', 8080)
sock_obj.connect(server_address)

Передача данных¶

Для передачи данных можно пользоваться стандартными функциями чтения/записи файлов read и write, но есть специальные функции для передачи данных через сокеты:

• send
• recv
• sendto
• recvfrom
• sendmsg
• recvmsg

Нужно обратить внимание, что при использовании протокола TCP (сокеты типа SOCK_STREAM) есть вероятность получить меньше данных, чем было передано, так как ещё не все данные были переданы, поэтому нужно либо дождаться, когда функция recv возвратит 0 байт, либо выставить флаг MSG_WAITALL для функции recv, что заставит её дождаться окончания передачи. Для остальных типов сокетов флаг MSG_WAITALL ничего не меняет (например, в UDP весь пакет = целое сообщение).

send()¶

send, sendto - отправка данных.

Пример на Си

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int s, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int  s, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

Пример на Python

IP = '192.168.1.100'
PORT = 8080

sock_obj.send('Hello World!')
sock_obj.sendto('Hello World!', (IP, PORT))

resv()¶

recv, recvfrom - чтение данных из сокета.

Пример на Си

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int s, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int s, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);

Пример на Python

BUFFER_SIZE = 1024

data = conn.recv(BUFFER_SIZE)
data, sender_addr = conn.recvfrom(BUFFER_SIZE)

SOCK_STREAM vs SOCK_DGRAM¶

TCP гарантирует доставку пакетов, их очередность, автоматически разбивает данные на пакеты и контролирует их передачу, в отличии от UDP. Но при этом TCP работает медленнее за счет повторной передачи потерянных пакетов и большему количеству выполняемых операций над пакетами. Поэтому там где требуется гарантированная доставка (Веб-браузер, telnet, почтовый клиент) используется TCP, если же требуется передавать данные в реальном времени (многопользовательские игры, видео, звук) используют UDP.