Уильям Стивенс - UNIX: разработка сетевых приложений

• Название: UNIX: разработка сетевых приложений
• Автор: Уильям Стивенс
• Жанр: Программное обеспечение
• Год: 2007
• ISBN: 5-94723-991-4

Новое издание книги, посвященной созданию веб-серверов, клиент-серверных приложений или любого другого сетевого программного обеспечения в операционной системе UNIX, — классическое руководство по сетевым программным интерфейсам, в частности сокетам. Оно основано на трудах Уильяма Стивенса и полностью переработано и обновлено двумя ведущими экспертами по сетевому программированию. В книгу включено описание ключевых современных стандартов, реализаций и методов, она содержит большое количество иллюстрирующих примеров и может использоваться как учебник по программированию в сетях, так и в качестве справочника для опытных программистов.

---

Отметим также, что первые две операции, устанавливающие сокет для неблокируемого ввода-вывода и для ввода-вывода, управляемого сигналом, традиционно применялись с использованием команд FNDELAY и FASYNC функции fcntl. POSIX определяет константы О_xxx.

Функция fcntl предоставляет следующие возможности, относящиеся к сетевому программированию:

■ Неблокируемый ввод-вывод. Мы можем установить флаг состояния файла O_NONBLOCK, используя команду F_SETFL для отключения блокировки сокета. Неблокируемый ввод-вывод мы описываем в главе 16.

■ Управляемый сигналом ввод-вывод. Мы можем установить флаг состояния файла O_ASYNC, используя команду F_SETFL, после чего при изменении состояния сокета будет генерироваться сигнал SIGIO. Мы рассмотрим это в главе 25.

■ Команда F_SETOWN позволяет нам установить владельца сокета (идентификатор процесса или идентификатор группы процессов), который будет получать сигналы SIGIO и SIGURG. Первый сигнал генерируется, если для сокета включен управляемый сигналом ввод-вывод (см. главу 25), второй — когда для сокета приходят новые внеполосные (out-of-band data) данные (см. главу 24). Команда F_GETOWN возвращает текущего владельца сокета.

ПРИМЕЧАНИЕ

Термин «владелец сокета» определяется POSIX. Исторически реализации, происходящие от Беркли, называли его «идентификатор группы процессов сокета», потому что переменная, хранящая этот идентификатор, — это элемент so_pgid структуры socket [128, с. 438].

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* int arg */);

Возвращает: в случае успешного выполнения результат зависит от аргумента cmd, -1 в случае ошибки

Каждый дескриптор (включая сокет) имеет набор флагов, которые можно получить с помощью команды F_GETFL и установить с помощью команды F_SETFL. На сокет влияют следующие два флага:

■ O_NONBLOCK — неблокируемый ввод-вывод;

■ O_ASYNC — ввод-вывод, управляемый сигналом.

Позже мы опишем оба эти флага подробнее. Отметим, что типичный код, который устанавливает неблокируемый ввод-вывод с использованием функции fcntl, выглядит следующим образом:

int flags;

/* Делаем сокет неблокируемым */

if ((flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)

 err_sys("F_GETFL error");

flags |= O_NONBLOCK;

if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)

 err_sys("F_SETFL error");

Учтите, что вам может встретиться код, который просто устанавливает желаемый флаг:

/* Неправильный способ сделать сокет неблокируемым */

if (fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0)

 err_sys("F_SETFL error");

Хотя при этом и устанавливается флаг отключения блокировки, также снимаются все остальные флаги состояния файла. Единственный корректный способ установить один из этих флагов состояния файла — получить текущие флаги, с помощью операции логического ИЛИ добавить новый флаг, а затем установить флаги.

Следующий код сбрасывает флаг отключения блокировки в предположении, что переменная flags была задана с помощью вызова функции fcntl, показанного ранее:

flags &= ~O_NONBLOCK;

if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)

 err_sys("F_SETFL error");

Сигналы SIGIO и SIGURG отличаются от других тем, что они генерируются для сокета, только если сокету был присвоен владелец с помощью команды F_SETOWN. Целое значение аргумента arg для команды F_SETOWN может быть либо положительным, задающим идентификатор процесса, получающего сигнал, либо отрицательным, абсолютное значение которого — это идентификатор группы процессов, получающей сигнал. Команда F_GETOWN возвращает владельца сокета, так как возвращаемое значение функции fcntl — либо идентификатор процесса (положительное возвращаемое значение), либо идентификатор группы процессов (отрицательное значение, отличное от -1). Разница между заданием процесса и группы процессов, получающих сигнал, в том, что в первом случае сигнал будет получен только одиночным процессом, тогда как во втором случае его получают все процессы в группе.

Когда создается новый сокет с помощью функции socket, у него нет владельца. Сокет, создаваемый из прослушиваемого сокета, наследует от него принадлежность владельцу (как и многие другие параметры сокетов [128, с. 462-463].

7.12. Резюме

Параметры сокетов лежат в широком диапазоне от очень общих (SO_ERROR) до очень специфических (параметры заголовка IP). Наиболее общеупотребительные параметры сокетов, которые нам могут встретиться, — это SO_KEEPALIVE, SO_RCVBUF, SO_SNDBUF и SO_REUSEADDR. Последний должен всегда задаваться для сервера TCP до того, как сервер вызовет функцию bind (см. листинг 11.6). Параметр SO_BROADCAST и десять параметров сокетов многоадресной передачи предназначены только для приложений, передающих соответственно широковещательные или многоадресные сообщения.

Параметр сокета SO_KEEPALIVE устанавливается многими серверами TCP и автоматически закрывает наполовину открытое соединение. Замечательное свойство этого параметра в том, что он обрабатывается на уровне TCP, не требуя на уровне приложения наличия таймера, измеряющего период отсутствия активности. Однако недостаток этого параметра в том, что он не видит разницы между выходом собеседника из строя и временной потерей соединения с ним. SCTP предоставляет 17 параметров сокетов, с помощью которых приложение может управлять транспортным уровнем. SCTP_NODELAY и SCTP_MAXSEG аналогичны TCP_NODELAY и TCP_MAXSEG, и выполняют схожие функции. Остальные 17 параметров позволяют приложению более точно контролировать поведение стека SCTP. Большинство этих параметров будет рассмотрено в главе 23.

Параметр сокета SO_LINGER расширяет наши возможности в отношении контроля над функцией close — мы можем отложить ее завершение на некоторое время. Кроме того, этот параметр позволяет нам отправить сегмент RST вместо обычной последовательности из четырех пакетов, завершающих соединение TCP. Следует соблюдать осторожность при отправке сегментов RST, поскольку в этом случае не наступает состояние TCP TIME_WAIT. Бывает, что этот параметр сокета не обеспечивает необходимой нам информации, и тогда требуется реализовать подтверждение на уровне приложения.

У каждого сокета TCP имеется буфер отправки и буфер приема, а у каждого сокета UDP есть буфер приема. Параметры сокета SO_SNDBUF и SO_RCVBUF позволяют нам изменять размеры этих буферов. Основное применение эти функции находят при передаче большого количества данных по каналам с повышенной пропускной способностью, которые представляют собой соединения TCP либо с широкой полосой пропускания, либо с большой задержкой, часто с использованием расширений из RFC 1323. Сокеты UDP, наоборот, могут стремиться увеличить размер приемного буфера, чтобы позволить ядру установить в очередь больше дейтаграмм, если приложение занято.

Упражнения

1. Напишите программу, которая выводит заданные по умолчанию размеры буферов отправки и приема TCP, UDP и SCTP, и запустите ее в системе, к которой у вас имеется доступ.

2. Измените листинг 1.1 следующим образом. Перед вызовом функции connect вызовите функцию getsockopt, чтобы получить размер приемного буфера сокета и MSS. Выведите оба значения. После успешного завершения функции извлеките значения тех же двух параметров сокета и выведите их. Изменились ли значения? Почему? Запустите программу, соединяющуюся с сервером в вашей локальной сети, и программу, соединяющуюся с сервером в удаленной сети. Изменяется ли MSS? Почему? Запустите также программу на разных узлах, к которым у вас есть доступ.

3. Запустите наш сервер TCP, приведенный в листингах 5.1 и 5.2, и наш клиент из листингов 5.3 и 5.4. Измените функцию main клиента, чтобы установить параметр сокета SO_LINGER перед вызовом функции exit, задав l_onoff равным 1, а l_linger — равным 0. Запустите сервер, а затем запустите клиент. Введите строку или две на стороне клиента для проверки работоспособности, а затем завершите работу клиента, введя символ конца файла. Что происходит? После завершения работы клиента запустите программу netstat на узле клиента и посмотрите, проходит ли сокет через состояние TIME_WAIT.

4. Будем считать, что два клиента TCP запускаются одновременно. Оба устанавливают параметр сокета SO_REUSEADDR и затем с помощью функции bind связываются с одним и тем же локальным IP-адресом и одним и тем же локальным портом (допустим, 1500). Но один из клиентов соединяется с помощью функции connect с адресом 198.69.10.2, порт 7000, а второй — с адресом 198.69.10.2 (тот же IP-адрес собеседника), порт 8000. Опишите возникающую ситуацию гонок.