UNIX: разработка сетевых приложений

 if ((pid = Fork() == 0) {

  Close(listenfd); /* дочерний процесс закрывает

                      прослушиваемый сокет */

  doit(connfd);    /* обработка запроса */

  Close(connfd);   /* с этим клиентом закончено */

  exit(0);         /* дочерний процесс завершен */

 }

 Close(connfd);    /* родительский процесс закрывает

                      присоединенный сокет */

}

Когда соединение установлено, функция accept возвращает управление, сервер вызывает функцию fork и затем дочерний процесс занимается обслуживанием клиента (по присоединенному сокету connfd), а родительский процесс ждет другого соединения (на прослушиваемом сокете listenfd). Родительский процесс закрывает присоединенный сокет, поскольку новый клиент обрабатывается дочерним процессом.

Мы предполагаем, что функция doit в листинге 4.3 выполняет все, что требуется для обслуживания клиента. Когда эта функция возвращает управление, мы явно закрываем присоединенный сокет с помощью функции close в дочернем процессе. Делать это не обязательно, так как в следующей строке вызывается exit, а прекращение процесса подразумевает, в частности, закрытие ядром всех открытых дескрипторов. Включать явный вызов функции close или нет — дело вкуса программиста.

В разделе 2.6 мы сказали, что вызов функции close на сокете TCP вызывает отправку сегмента FIN, за которой следует обычная последовательность прекращения соединения TCP. Почему же функция close(connfd) из листинга 4.3, вызванная родительским процессом, не завершает соединение с клиентом? Чтобы понять происходящее, мы должны учитывать, что у каждого файла и сокета есть счетчик ссылок (reference count). Для счетчика ссылок поддерживается своя запись в таблице файла [110, с. 57–60]. Эта запись содержит значения счетчика дескрипторов, открытых в настоящий момент, которые соответствуют этому файлу или сокету. В листинге 4.3 после завершения функции socket запись в таблице файлов, связанная с listenfd, содержит значение счетчика ссылок, равное 1. Но после завершения функции fork дескрипторы дублируются (для совместного использования и родительским, и дочерним процессом), поэтому записи в таблице файла, ассоциированные с этими сокетами, теперь содержат значение 2. Следовательно, когда родительский процесс закрывает connfd, счетчик ссылок уменьшается с 2 до 1. Но фактического закрытия дескриптора не произойдет, пока счетчик ссылок не станет равен 0. Это случится несколько позже, когда дочерний процесс закроет connfd.

Рассмотрим пример, иллюстрирующий листинг 4.3. Прежде всего, на рис. 4.5 показано состояние клиента и сервера в тот момент, когда сервер блокируется при вызове функции accept и от клиента приходит запрос на соединение.

Рис. 4.5. Состояние соединения клиент-сервер перед завершением вызванной функции accept

Сразу же после завершения функции accept мы получаем сценарий, изображенный на рис. 4.6. Соединение принимается ядром и создается новый сокет — connfd. Это присоединенный сокет, и теперь данные могут считываться и записываться по этому соединению.

Рис. 4.6. Состояние соединения клиент-сервер после завершения функции accept

Следующим действием параллельного сервера является вызов функции fork. На рис. 4.7 показано состояние соединения после вызова функции fork.

Рис. 4.7. Состояние соединения клиент-сервер после вызова функции fork

Обратите внимание, что оба дескриптора listenfd и connfd совместно используются родительским и дочерним процессами.

Далее родительский процесс закрывает присоединенный сокет, а дочерний процесс закрывает прослушиваемый сокет. Это показано на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Состояние соединения клиент-сервер после закрытия родительским и дочерним процессами соответствующих сокетов

Это и есть требуемое конечное состояние сокетов. Дочерний процесс управляет соединением с клиентом, а родительский процесс может снова вызвать функцию accept на прослушиваемом сокете, чтобы обрабатывать следующее клиентское соединение.

4.9. Функция close

Обычная функция Unix close также используется для закрытия сокета и завершения соединения TCP.

#include <unistd.h>

int close(int sockfd);

По умолчанию функция close помечает сокет TCP как закрытый и немедленно возвращает управление процессу. Дескриптор сокета больше не используется процессом и не может быть передан в качестве аргумента функции read или write. Но TCP попытается отправить данные, которые уже установлены в очередь, и после их отправки осуществит нормальную последовательность завершения соединения TCP (см. раздел 2.5).

В разделе 7.5 рассказывается о параметре сокета SO_LINGER, который позволяет нам изменять последовательность закрытия сокета TCP. В этом разделе мы также назовем действия, благодаря которым приложение TCP может получить гарантию того, что приложение-собеседник получило данные, поставленные в очередь на отправку, но еще не отправленные.

Счетчик ссылок дескриптора

В конце раздела 4.8 мы отметили, что когда родительский процесс на нашем параллельном сервере закрывает присоединенный сокет с помощью функции close, счетчик ссылок дескриптора уменьшается лишь на единицу. Поскольку счетчик ссылок при этом все еще оставался больше нуля, вызов функции close не инициировал последовательность завершения TCP-соединения, состоящую из четырех пакетов. Нам нужно, чтобы наш параллельный сервер с присоединенным сокетом, разделяемым между родительским и дочерним процессами, работал именно по этому принципу.

Если мы хотим отправить сегмент FIN по соединению TCP, вместо функции close должна использоваться функция shutdown (см. раздел 6.6). Причины мы рассмотрим в разделе 6.5.

Необходимо также знать, что происходит с нашим параллельным сервером, если родительский процесс не вызывает функцию close для каждого присоединенного сокета, возвращаемого функцией accept. Прежде всего, родительский процесс в какой-то момент израсходует все дескрипторы, поскольку обычно число дескрипторов, которые могут быть открыты процессом, ограничено. Но что более важно, ни одно из клиентских соединений не будет завершено. Когда дочерний процесс закрывает присоединенный сокет, его счетчик ссылок уменьшается с 2 до 1 и остается равным 1, поскольку родительский процесс не закрывает присоединенный сокет с помощью функции close. Это помешает выполнить последовательность завершения соединения TCP, и соединение останется открытым.

4.10. Функции getsockname и getpeername

Эти две функции возвращают либо локальный (функция getsockname), либо удаленный (функция getpeername) адрес протокола, связанный с сокетом.

#include <sys/socket.h>

int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *localaddr,

 socklen_t *addrlen);

int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *peeraddr,

 socklen_t *addrlen);

Обратите внимание, что последний аргумент обеих функций относится к типу «значение-результат», то есть обе функции будут заполнять структуру адреса сокета, на которую указывает аргумент localaddr или peeraddr.

ПРИМЕЧАНИЕ

Обсуждая функцию bind, мы отметили, что термин «имя» используется некорректно. Эти две функции возвращают адрес протокола, связанный с одним из концов сетевого соединения, что для протоколов IPv4 и IPv6 является сочетанием IP-адреса и номера порта. Эти функции также не имеют ничего общего с доменными именами (глава 11).

Функции getsockname и getpeername необходимы нам по следующим соображениям:

■ После успешного выполнения функции connect и возвращения управления в клиентский процесс TCP, который не вызывает функцию bind, функция getsockname возвращает IP-адрес и номер локального порта, присвоенные соединению ядром.

■ После вызова функции bind с номером порта 0 (что является указанием ядру на необходимость выбрать номер локального порта) функция getsockname возвращает номер локального порта, который был задан.

■ Функцию getsockname можно вызвать, чтобы получить семейство адресов сокета, как это показано в листинге 4.4.

■ Сервер TCP, который с помощью функции bind связывается с универсальным IP-адресом (см. листинг 1.5), как только устанавливается соединение с клиентом (функция accept успешно выполнена), может вызвать функцию getsockname, чтобы получить локальный IP-адрес соединения. Аргумент sockfd (дескриптор сокета) в этом вызове должен содержать дескриптор присоединенного, а не прослушиваемого сокета.

■ Когда сервер запускается с помощью функции exec процессом, вызывающим функцию accept, он может идентифицировать клиента только одним способом - вызвать функцию getpeername. Это происходит, когда функция inetd (см. раздел 13.5) вызывает функции fork и exec для создания сервера TCP. Этот сценарий представлен на рис. 4.9. Функция inetd вызывает функцию accept (верхняя левая рамка), после чего возвращаются два значения: дескриптор присоединенного сокета connfd (это возвращаемое значение функции), а также IP-адрес и номер порта клиента, отмеченные на рисунке небольшой рамкой с подписью «адрес собеседника» (структура адреса сокета Интернета). Далее вызывается функция fork и создается дочерний процесс функции inetd. Поскольку дочерний процесс запускается с копией содержимого памяти родительского процесса, структура адреса сокета доступна дочернему процессу, как и дескриптор присоединенного сокета (так как дескрипторы совместно используются родительским и дочерним процессами). Но когда дочерний процесс с помощью функции exec запускает выполнение реального сервера (скажем, сервера Telnet), содержимое памяти дочернего процесса заменяется новым программным файлом для сервера Telnet (то есть структура адреса сокета, содержащая адрес собеседника, теряется). Однако во время выполнения функции exec дескриптор присоединенного сокета остается открытым. Один из первых вызовов функции, который выполняет сервер Telnet, — это вызов функции getpeername для получения IP-адреса и номера порта клиента.

Рис. 4.9. Порождение сервера демоном inetd

Очевидно, что в приведенном примере сервер Telnet при запуске должен знать значение функции connfd. Этого можно достичь двумя способами. Во-первых, процесс, вызывающий функцию exec, может отформатировать номер дескриптора как символьную строку и передать ее в виде аргумента командной строки программе, выполняемой с помощью функции exec. Во-вторых, можно заключить соглашение относительно определенных дескрипторов: некоторый дескриптор всегда присваивается присоединенному сокету перед вызовом функции exec. Последний случай соответствует действию функции inetd — она всегда присваивает дескрипторы 0, 1 и 2 присоединенным сокетам.

Пример: получение семейства адресов сокета

Функция sockfd_to_family, представленная в листинге 4.4, возвращает семейство адресов сокета.

Листинг 4.4. Возвращаемое семейство адресов сокета

//lib/sockfd_to_family.c

 1 #include "unp.h"

 2 int

 3 sockfd_to_family(int sockfd)

 4 {

 5  union {

 6   struct sockaddr sa;

 7   char data[MAXSOCKADDR];

 8  } un;

 9  socklen_t len;

10  len = MAXSOCKADDR;

11  if (getsockname(sockfd, (SA*)un.data, &len) < 0)

12   return (-1);

13  return (un.sa.sa_family);

14 }

Выделение пространства для наибольшей структуры адреса сокета

5-8 Поскольку мы не знаем, какой тип структуры адреса сокета нужно будет разместить в памяти, мы используем в нашем заголовочном файле unp.h константу MAXSOCKADDR, которая представляет собой размер наибольшей структуры адреса сокета в байтах. Мы определяем массив типа char соответствующего размера в объединении, включающем универсальную структуру адреса сокета.

Вызов функции getsockname

10-13 Мы вызываем функцию getsockname и возвращаем семейство адресов.

Поскольку POSIX позволяет вызывать функцию getsockname на неприсоединенном сокете, эта функция должна работать для любого дескриптора открытого сокета.

4.11. Резюме

Все клиенты и серверы начинают работу с вызова функции socket, возвращающей дескриптор сокета. Затем клиенты вызывают функцию connect, в то время как серверы вызывают функции bind, listen и accept. Сокеты обычно закрываются с помощью стандартной функции close, хотя в разделе 6.6 вы увидите другой способ закрытия, реализуемый с помощью функции shutdown. Мы также проверим влияние параметра сокета SO_LINGER (см. раздел 7.5).

Большинство серверов TCP являются параллельными. При этом для каждого клиентского соединения, которым управляет сервер, вызывается функция fork. Вы увидите, что большинство серверов UDP являются последовательными. Хотя обе эти модели успешно использовались на протяжении ряда лет, имеются и другие возможности создания серверов с использованием программных потоков и процессов, которые мы рассмотрим в главе 30.

Упражнения

1. В разделе 4.4 мы утверждали, что константы INADDR_, определенные в заголовочном файле <netinet/in.h>, расположены в порядке байтов узла. Каким образом мы можем это определить?

2. Измените листинг 1.1 так, чтобы вызвать функцию getsockname после успешного завершения функции connect. Выведите локальный IP-адрес и локальный порт, присвоенный сокету TCP, используя функцию sock_ntop. В каком диапазоне (см. рис. 2.10) будут находиться динамически назначаемые порты вашей системы?

3. Предположим, что на параллельном сервере после вызова функции fork запускается дочерний процесс, который завершает обслуживание клиента перед тем, как результат выполнения функции fork возвращается родительскому процессу. Что происходит при этих двух вызовах функции close в листинге 4.3?

4. В листинге 4.2 сначала измените порт сервера с 13 на 9999 (так, чтобы для запуска программы вам не потребовались права привилегированного пользователя). Удалите вызов функции listen. Что происходит?

5. Продолжайте предыдущее упражнение. Удалите вызов функции bind, но оставьте вызов функции listen. Что происходит?

Глава 5

Пример TCP-соединения клиент-сервер

5.1. Введение

Напишем простой пример пары клиент-сервер, используя элементарные функции из предыдущей главы. Наш простой пример — это эхо-сервер, функционирующий следующим образом:

1. Клиент считывает строку текста из стандартного потока ввода и отправляет ее серверу.

2. Сервер считывает строку из сети и отсылает эту строку обратно клиенту.

3. Клиент считывает отраженную строку и помещает ее в свой стандартный поток вывода.

На рис. 5.1 изображена пара клиент-сервер вместе с функциями, используемыми для ввода и вывода.