1.1. Введение

Чтобы писать программы, рассчитанные на взаимодействие в компьютерных сетях, необходимо сначала изобрести протокол — соглашение о порядке взаимодействия таких программ. Прежде чем углубляться в детальное проектирование протокола, нужно принять некоторые высокоуровневые решения о том, какая программа будет инициировать передачу данных и в каких случаях можно ожидать ответной передачи. Например, веб-сервер обычно рассматривается как долгоживущая программа (или демон — daemon), которая отправляет сообщения исключительно в ответ на запросы, поступающие по сети. Другой стороной является веб-клиент, например браузер, который всегда начинает взаимодействие с сервером первым. Деление на клиенты и серверы характерно для большинства сетевых приложений. И протокол, и программы обычно упрощаются, если возможность отправки запросов предоставляется только клиенту. Конечно, некоторые сетевые приложения более сложной структуры требуют поддержки асинхронного обратного вызова (asynchronous callback), то есть инициации передачи сообщений сервером, а не клиентом. Однако гораздо чаще приложения реализуются в базовой модели клиент-сервер, изображенной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Сетевое приложение: клиент и сервер

Клиенты обычно устанавливают соединение с одним сервером за один раз, хотя, если в качестве примера говорить о веб-браузере, мы можем соединиться со множеством различных веб-серверов, скажем, в течение 10 минут. Сервер, напротив, в любой момент времени может быть соединен со множеством клиентов. Это отражено на рис. 1.2. Далее в этой главе будут рассмотрены различные возможности взаимодействия сервера одновременно со множеством клиентов.

Рис. 1.2. Сервер, который одновременно обслуживает множество клиентов

Не будет большой ошибкой сказать, что клиентское и серверное приложения взаимодействуют по сетевому протоколу, однако фактически в большинстве случаев используется несколько протоколов различных уровней. В этой книге мы сосредоточимся на наборе (стеке) протоколов TCP/IP, также называемом набором протоколов Интернета. Так, например, клиенты и веб-серверы устанавливают соединения, используя протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP). TCP, в свою очередь, использует протокол Интернета (Internet Protocol, IP), а протокол IP устанавливает соединение с тем или иным протоколом канального уровня. Если и клиент, и сервер находятся в одной сети Ethernet, взаимодействие между ними будет осуществляться по схеме, изображенной на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Клиент и сервер в одной сети Ethernet, соединенные по протоколу TCP

Хотя клиент и сервер устанавливают соединение с использованием протокола уровня приложений, транспортные уровни устанавливают соединение, используя TCP. Обратите внимание, что действительный поток информации между клиентом и сервером идет вниз по стеку протоколов на стороне клиента, затем по сети и, наконец, вверх по стеку протоколов на стороне сервера.

Заметьте, что клиент и сервер являются типичными пользовательскими процессами, в то время как TCP и протоколы IP обычно являются частью стека протоколов внутри ядра. Четыре уровня протоколов обозначены на рис. 1.3 справа.

Мы будем обсуждать не только протоколы TCP и IP. Некоторые клиенты и серверы используют протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP) вместо TCP; оба эти протокола более подробно обсуждаются в главе 2. Мы часто пользуемся термином «IP», но на самом деле протокол, который мы при этом подразумеваем, называется «IP версии 4» (IP version 4, IPv4). Новая версия этого протокола, IP версии 6 (IPv6), была разработана в середине 90-х и, возможно, со временем заменит протокол IPv4. В этой книге описана разработка сетевых приложений как под IPv4, так и под IPv6. В приложении А приводится сравнение протоколов IPv4 и IPv6 наряду с другими протоколами, с которыми мы встретимся.

Клиент и сервер не обязательно должны быть присоединены к одной и той же локальной сети (local area network, LAN), как в примере на рис. 1.3. Вместо этого, как показано на рис. 1.4, клиент и сервер могут относиться к разным локальным сетям, при этом обе локальных сети должны быть соединены в глобальную сеть (wide area network, WAN) с использованием маршрутизаторов.

Рис. 1.4. Клиент и сервер в различных локальных сетях, соединенных через глобальную сеть

Маршрутизаторы — это «кирпичи», из которых строится глобальная сеть. На сегодня наибольшей глобальной сетью является Интернет, хотя многие компании создают свои собственные глобальные сети, и эти частные сети могут быть, а могут и не быть подключены к Интернету.

Оставшаяся часть этой главы представляет собой введение и обзор различных тем, которые более подробно раскрываются далее по тексту книги. Мы начнем с полного, хотя и простого, примера клиента TCP, на котором демонстрируются вызовы многих функций и понятия, с которыми мы встретимся далее. Клиент работает только с протоколом IPv4, и мы покажем изменения, необходимые для работы с протоколом IPv6. Разумнее всего создавать независимые от протокола клиенты и серверы, и такое решение будет рассмотрено нами в главе 11. Мы приводим также код полнофункционального сервера TCP, работающего с нашим клиентом.

Чтобы упростить написанный нами код, мы определяем наши собственные функции-обертки (wrapper functions) для большинства вызываемых системных функций. Функции-обертки в большинстве случаев служат для проверки кода возврата. В случае ошибки функция-обертка печатает соответствующее сообщение и завершает работу программы.

В этой же главе мы подробно расскажем о сети, в которой тестировались все примеры этой книги, приведем имена узлов, их IP-адреса и названия операционных систем, под управлением которых они работают.

В разговорах о Unix широко используется термин «X», обозначающий стандарт, принятый большинством производителей. Мы опишем историю стандарта POSIX и то, каким образом он определяет интерфейсы программирования приложений (Application Programming Interfaces, API), рассматриваемые в этой книге, наряду с другими конкурирующими стандартами.

 

1.2. Простой клиент времени и даты

Рассмотрим конкретный пример, на котором мы введем многие понятия и термины, используемые в этой книге. В листинге 1.1 представлена реализация TCP-клиента времени и даты. Этот клиент устанавливает TCP-соединение с сервером, а сервер просто посылает клиенту время и дату в текстовом формате.

Листинг 1.1. Клиент TCP для определения времени и даты

//intro/daytimetcpcli.с

 1 #include "unp.h"

 2 int

 3 main(int argc, char **argv)

 4 {

 5  int sockfd, n;

 6  char recvline[MAXLINE + 1];

 7  struct sockaddr_in servaddr;

 8  if (argc != 2)

 9   err_quit("usage: a.out ");

10  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)

11   err_sys("socket error");

12  bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

13  servaddr.sin_family = AF_INET;

14  servaddr.sin_port = htons(13); /* сервер времени и даты */

15  if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)

16   err_quit("inet_pton error for %s", argv[1]);

17  if (connect(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)

18   err_sys("connect error");

19  while ((n = read(sockfd, recvline, MAXLINE)) > 0) {

20   recvline[n] = 0; /* завершающий нуль */

21   if (fputs(recvline, stdout) == EOF)

22    err_sys("fputs error");

23  }

24  if (n < 0)

25  err_sys("read error");

26  exit(0);

27 }

ПРИМЕЧАНИЕ

Это формат, который мы используем для всего исходного кода в тексте. Каждая непустая строка пронумерована. Абзац, описывающий некоторую часть кода, начинается с двух номеров — начального и конечного номеров тех строк, о которых идет речь в данном абзаце. Как правило, абзацу предшествует короткий заголовок, в котором кратко резюмируется содержание описываемого кода.

В начале фрагмента кода указано имя файла исходного кода: в данном примере это файл daytimetcpcli.c в каталоге intro. Поскольку исходный код всех примеров этой книги можно свободно скачать из Сети (см. предисловие), вы можете найти соответствующие исходные файлы по их названиям. Наилучший способ изучить концепции сетевого программирования — компилировать, запускать и особенно модифицировать эти программы в ходе изучения книги.

ПРИМЕЧАНИЕ

Мы будем использовать примечания наподобие этого для описания особенностей реализации и исторических справок.

Если мы откомпилируем эту программу в определенный по умолчанию файл a.out и выполним ее, на выходе мы получим следующее:

solaris % a.out 206.168.112.96   наш ввод

Mon May 26 20:58:40 2003 вывод программы

ПРИМЕЧАНИЕ

Отображая интерактивный ввод и вывод, мы показываем то, что мы вводим, полужирным шрифтом; вывод же компьютера показываем моноширинным шрифтом. Мы всегда указываем название системы как часть приглашения интерпретатора (в данном примере solaris), чтобы показать, на каком узле выполняется команда. Системы, используемые для выполнения большинства примеров этой книги, показаны на рис. 1.7. Имена узлов обычно соответствуют операционным системам.

В этой программе, состоящей из 27 строк, есть много важных особенностей, нуждающихся в обсуждении. Мы кратко рассмотрим их на тот случай, если это первая сетевая программа, с которой вы встретились, а более подробные сведения по соответствующим вопросам вы сможете получить в других главах.

Подключение собственного заголовочного файла

1 Мы подключаем наш собственный заголовочный файл, unp.h, текст которого приведен в разделе Г.1. Этот заголовочный файл, в свою очередь, подключает различные системные заголовочные файлы, которые необходимы большинству сетевых программ, и определяет используемые нами константы (например, MAXLINE).

Аргументы командной строки

2-3 Определение функции main вместе с аргументами командной строки. Везде в данной книге при написании кода подразумевалось, что для его компиляции должен использоваться компилятор ANSI С (American National Standards Institute — Национальный институт стандартизации США), который также называют ISO С.

Создание сокета TCP

10-11 Функция socket создает потоковый сокет (SOCK_STREAM) Интернета (AF_INET) — это красивое название для обычного TCP-сокета). Функция возвращает дескриптор (небольшое целое число), который мы используем для идентификации сокета во всех последующих вызовах (например, connect и read).

ПРИМЕЧАНИЕ

Оператор if содержит вызов функции socket, присваивание возвращаемого значения переменной sockfd и последующую проверку, является ли это присвоенное значение меньшим нуля. Мы могли разбить этот оператор на два оператора С следующим образом:

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

 if (sockfd < 0)

но использованная в листинге 1.1 запись является типичным для языка С способом объединения двух строк. Поскольку в языке С оператор «меньше» (<) имеет более высокий приоритет, чем оператор присваивания, необходимо заключить в скобки операции присваивания и вызова функции (как это и сделано в листинге 1.1, в строке 10). Между двумя открывающими скобками мы всегда вставляем пробел как указание на то, что левая часть операции сравнения содержит также операцию присваивания. (Этот стиль позаимствован из исходного кода Minix [120].) Мы используем этот же прием в операторе while дальше в нашей программе.

Мы будем встречать множество различных вариантов использования термина сокет (socket). Во-первых, используемый нами API называется API сокетов. Во-вторых, в предыдущем абзаце мы упоминали функцию socket, которая входит в API сокетов. В-третьих, там же мы ссылались и на «сокет TCP», который является синонимом конечной точки TCP (TCP endpoint).

Если вызов функции socket оказывается неудачным, мы прерываем выполнение программы с помощью вызова функции err_sys. Она выдает сообщение об ошибке с ее описанием (например, «Протокол не поддерживается» — одна из возможных ошибок функции socket) и прерывает выполнение процесса. Эта функция создана нами, как и некоторые другие, начинающиеся с err_. Мы будем широко использовать их в примерах в последующих главах. Описание функций приводится в разделе Г.4.

Задание IP-адреса и порта сервера

12-16 Мы заполняем структуру адреса сокета Интернета (структура типа sockaddr_in с именем servaddr) IP-адресом и номером порта сервера. Сначала мы инициализируем всю структуру нулями, используя функцию bzero, затем устанавливаем номер порта в 13 (который является номером заранее известного порта (well-known port) сервера времени и даты на любом узле TCP/IP, поддерживающем соответствующую службу — см. табл. 2.1), после чего устанавливаем IP-адрес равным значению, определенному первым аргументом командной строки (argv[1]). В этой структуре поля IP-адреса и номера порта должны иметь определенный формат: мы вызываем библиотечную функцию htons (host to network short), чтобы преобразовать двоичный номер порта в требуемый формат, и вызываем библиотечную функцию inet_pton (presentation to numeric), чтобы преобразовать аргумент командной строки в символах ASCII (например, 206.168.112.96 при выполнении данного примера) в двоичный формат.

ПРИМЕЧАНИЕ

Функция bzero не является функцией ANSI С. Она происходит от более раннего кода сетевого программирования Беркли. Тем не менее мы используем именно ее, а не функцию ANSI С memset, потому что с функцией bzero работать проще: она вызывается с двумя аргументами, a memset — с тремя. Почти каждый производитель, поддерживающий API сокетов, также реализует и функцию bzero, а если и не реализует, мы определяем ее через макрос в нашем заголовочном файле unp.h.

Автор [112] в первом издании сделал десять ошибок, поменяв местами аргументы memset. Компилятор С не может распознать эту ошибку, поскольку оба аргумента принадлежат одному типу. В действительности второй аргумент принадлежит типу int, а третий — size_t — обычно имеет тип unsigned int (то есть целое без знака), но заданные значения, соответственно, 0 и 16, являются допустимыми для обоих типов аргумента. Вызов функции memset все равно осуществлялся, но реально функция ничего не делала, поскольку задавалось нулевое число инициализируемых байтов. Программа работала, потому что только некоторые функции сокетов действительно требуют, чтобы последние 8 байт структуры адреса сокета Интернета были установлены в 0. Тем не менее это ошибка, и ее можно избежать при использовании функции bzero, поскольку перестановка двух аргументов функции bzero всегда будет выявлена компилятором С, если используются прототипы функций.

Возможно, вы впервые встречаете функцию inet_pton. Она появилась вместе с протоколом IPv6 (о котором более подробно мы поговорим в приложении А). В старых программах для преобразования точечно-десятичной записи (dotted-decimal string) ASCII в необходимый формат использовалась функция inet_addr, но у нее есть ряд ограничений, которых не имеет функция inet_pton. Не беспокойтесь, если ваша система (еще) не поддерживает эту функцию; реализация ее приведена в разделе 3.7.

Установка соединения с сервером

17-18 Функция connect, применяемая к сокету TCP, устанавливает соединение по протоколу TCP с сервером, адрес сокета которого содержится в структуре, на которую указывает второй аргумент. Мы также должны задать длину структуры адреса сокета в качестве третьего аргумента функции connect, а для структур адреса интернет-сокета мы всегда предоставляем вычисление длины компилятору, используя оператор С sizeof.

ПРИМЕЧАНИЕ

В заголовочном файле unp.h мы используем директиву #define SA, чтобы определить SA как struct sockaddr, что соответствует общей структуре адреса сокета. Каждый раз, когда одна из функций сокетов требует указателя на структуру адреса сокета, этот указатель должен быть преобразован к указателю на общую структуру адреса сокета. Это происходит потому, что функции сокетов появились раньше, чем стандарт ANSI С. Соответственно, тип указателя void* не был доступен в начале 80-х, когда эти функции были разработаны. Проблема состоит в том, что "struct sockaddr" занимает 15 символов и часто заставляет выходить строку исходного кода за правую границу экрана (или за страницу книги), поэтому мы сократили ее до SA. Более подробно мы исследуем общие структуры адресов сокетов на примере листинга 3.2.

Чтение и отображение ответа сервера

19-25 Мы читаем ответ сервера и отображаем результат, используя стандартную функцию ввода-вывода fputs. Нужно быть внимательным при использовании TCP, поскольку это потоковый (byte-stream) протокол без границ записей. Обычно ответом сервера является 26-байтовая строка следующей формы:

Fri Jan 12 14:27:52 1996\r\n

где \r — это возврат каретки, а \n — перевод строки (в символах ASCII). В случае потокового протокола эти 26 байт можно получить в нескольких вариантах: в виде отдельного сегмента TCP, содержащего все 26 байт данных, либо в виде 26 сегментов, каждый из которых содержит по одному байту данных, или в виде любой другой комбинации, в сумме дающей 26 байт. Обычно возвращается один сегмент, содержащий все 26 байт, но при больших объемах данных нельзя рассчитывать, что ответ сервера будет получен с помощью одного вызова read. Следовательно, при чтении из сокета TCP нужно всегда вызывать функцию read циклически и прерывать цикл либо когда функция возвращает 0 (например, соединение было разорвано другой стороной), либо когда возвращенное значение оказывается меньше нуля (ошибка).

В приведенном примере конец записи обозначается сервером, закрывающим соединение. Эта технология используется также версией 1.0 протокола передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol, HTTP). Существуют и другие способы обозначения конца записи. Например, протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP) и простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP) обозначают конец записи 2-байтовой последовательностью, состоящей из символов ASCII возврата каретки и перевода строки. Служба вызова удаленных процедур (Remote Procedure Call, RPC) и система именования доменов (Domain Name System, DNS) помещают перед каждой записью, отсылаемой по протоколу TCP, двоичное число, соответствующее длине этой записи. Здесь важно осознать, что протокол TCP сам по себе не предоставляет никаких меток записей: если приложение хочет отделять записи одну от другой, оно должно делать это самостоятельно, и для этого имеются стандартные методы.

Завершение программы

26 Функция exit завершает программу. Unix всегда закрывает все открытые дескрипторы при завершении процесса, поэтому теперь наш сокет TCP закрыт.

Как уже говорилось, пока мы лишь выделили наиболее важные моменты, детальным исследованием которых займемся в дальнейшем.

 

1.3. Независимость от протокола

Наша программа, представленная в листинге 1.1, является зависимой от протокола (protocol dependent) IPv4. Мы выделяем и инициализируем структуру sockaddr_in, определяем адрес как относящийся к семейству AF_INET и устанавливаем первый аргумент функции socket равным AF_INET.

Если мы хотим изменить программу так, чтобы она работала по протоколу IPv6, мы должны изменить код. В листинге 1.2 показана новая версия программы с соответствующими изменениями, отмеченными полужирным шрифтом.

Листинг 1.2. Версия листинга 1.1 для IPv6

//intro/daytimetcpcliv6.с

 1 #include "unp.h"

 2 int

 3 main(int argc, char **argv)

 4 {

 5  int sockfd, n;

 6  char recvline[MAXLINE + 1];

 7  struct sockaddr_in6 servaddr;

 8  if (argc != 2)

 9   err_quit("usage: a.out ");

10  if ((sockfd = socket( AF_INET6 , SOCK_STREAM, 0)) < 0)

11   err_sys("socket error");

12  bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

13  servaddr. sin6_family = AF_INET6;

14  servaddr. sin6_port = htons(13); /* сервер времени и даты */

15  if (inet_pton( AF_INET6 , argv[1], &servaddr. sin6_addr ) <= 0)

16   err_quit("inet_pton error for %s", argv[1]);

17  if (connect(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)

18   err_sys("connect error");

19  while ((n = read(sockfd, recvline, MAXLINE)) > 0) {

20   recvline[n] = 0; /* символ конца строки */

21   if (fputs(recvline, stdout) == EOF)

22    err_sys("fputs error");

23  }

24  if (n < 0)

25   err_sys("read error");

26  exit(0);

27 }

Изменились только пять строк, но в результате мы все равно получили программу, зависимую от протокола, в данном случае — от протокола IPv6. Лучше сделать программу независимой от протокола (protocol independent). В листинге 11.3 представлена независимая от протокола версия этого клиента, основанная на вызове getaddrinfo из tcp_connect.

Другим недостатком наших программ является то, что пользователь должен вводить IP-адрес сервера в точечно-десятичной записи (например, 206.168.112.219 для версии IPv4). Людям проще работать с именами, чем с числами (например, www.unpbook.com). В главе 11 мы обсудим функции, обеспечивающие преобразование имен узлов в IP-адреса и имен служб в порты. Мы специально откладываем описание этих функций, продолжая использовать IP-адреса и номера портов, чтобы иметь ясное представление о том, что именно входит в структуры адресов сокетов, которые мы должны заполнить и проверить. Это также упрощает наши объяснения сетевого программирования, снимая необходимость описывать в подробностях еще один набор функций.

 

1.4. Обработка ошибок: функции-обертки

 

В любой реальной программе существенным моментом является проверка каждого вызова функции на предмет возвращаемой ошибки. В листинге 1.1 мы проводим поиск ошибок в вызовах функций socket, inet_pton, connect, read и fputs, и когда ошибка случается, мы вызываем свои собственные функции err_quit и err_sys для печати сообщения об ошибке и для прерывания выполнения программы. В отдельных случаях, когда функция возвращает ошибку, бывает нужно сделать еще что-либо помимо прерывания программы, как показано в листинге 5.9, когда мы должны проверить прерванный системный вызов.

Поскольку прерывание программы из-за ошибки — типичное явление, мы сократим наши программы, определив функции-обертки, которые будут вызывать соответствующие рабочие функции, проверять возвращаемые значения и прерывать программу при возникновении ошибки. Соглашение, используемое нами, заключается в том, что название функции-обертки пишется с заглавной буквы, например:

sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

Наша функция-обертка для функции socket показана в листинге 1.3.

Листинг 1.3. Наша функция-обертка для функции socket

//lib/wrapsock.c

172 int

173 Socket(int family, int type, int protocol)

174 {

175  int n;

176  if ((n = socket(family, type, protocol)) < 0)

177   err_sys("socket error");

178  return (n);

179 }

Хотя вы можете решить, что использование этих функций-оберток не обеспечивает большой экономии, на самом деле это не так. Обсуждая потоки (threads) в главе 26, мы обнаружим, что, когда происходит какая-либо ошибка, функции потоков не устанавливают значение стандартной переменной Unix errno равным определенной константе, специфической для произошедшей ошибки. Вместо этого значение переменной errno просто возвращается функцией. Это значит, что каждый раз, когда мы вызываем одну из функций pthread, мы должны разместить в памяти переменную, сохранить возвращаемое значение в этой переменной и установить errno равной этому значению перед вызовом err_sys. Чтобы избежать загромождения кода скобками, мы можем использовать оператор языка С запятая для объединения присваивания значения переменной errno и вызова err_sys в отдельное выражение следующим образом:

int n;

if ((n = pthread_mutex_lock(&ndone_mutex)) != 0)

 errno = n, err_sys("pthread_mutex_lock error");

ВНИМАНИЕ

В тексте книги вам будут встречаться функции, имена которые начинаются с заглавной буквы. Это наши собственные функции-обертки. Функция-обертка вызывает функцию, имеющую такое же имя, но начинающееся со строчной буквы.

При описании исходного кода, представленного в тексте книги, мы всегда ссылаемся на вызываемую функцию низшего уровня (например, socket), но не на функцию-обертку (например, Socket).

В качестве альтернативы мы можем определить новую функцию выдачи сообщений об ошибках, которая в качестве аргумента получает системный код ошибки. Однако проще всего текст будет выглядеть с использованием функции-обертки, определенной в листинге 1.4:

Pthread_mutex_lock(&ndone_mutex);

Листинг 1.4. Наша собственная функция-обертка для функции pthread_mutex_lock

//lib/wrappthread.c

72 void

73 Pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mptr)

74 {

75  int n;

76  if ((n = pthread_mutex_lock(mptr)) == 0)

77   return;

78  errno = n;

79  err_sys("pthread_mutex_lock error");

80 }

ПРИМЕЧАНИЕ

Если аккуратно программировать на С, можно использовать макросы вместо функций, что обеспечивает небольшой выигрыш в производительности, однако функции- обертки редко, если вообще когда-нибудь бывают причиной недостаточной производительности программ.

Наш выбор — первая заглавная буква в названии функции — является компромиссом. Было предложено множество других стилей: подстановка префикса e перед названием функции (как сделано в [67, с. 182]), добавление _е к имени функции и т.д. Наш вариант кажется наименее отвлекающим внимание и одновременно дающим визуальное указание на то, что вызывается какая-то другая функция.

Эта технология имеет, кроме того, полезный побочный эффект: она позволяет проверять возникновение ошибок при выполнении таких функций, ошибки в которых часто остаются незамеченными, например close и listen.

На протяжении всей книги мы будем использовать эти функции-обертки, кроме тех случаев, когда нам нужно проверить ошибку явно и обрабатывать ее другим, отличным от прерывания программы, способом. Мы не приводим исходный код для всех наших собственных функций-оберток, но он свободно доступен в Интернете (см. предисловие).

 

Значение системной переменной Unix errno

Когда при выполнении функции Unix (например, одной из функций сокетов) происходит ошибка, глобальной переменной errno присваивается положительное значение, указывающее на тип ошибки, а возвращаемое значение функции обычно равно -1. Наша функция err_sys проверяет значение переменной errno и печатает строку с соответствующим сообщением об ошибке (например, «Время соединения истекло», если значение переменной errno равно ETIMEDOUT).

Переменная errno устанавливается равной определенному значению, только если при выполнении функции произошла какая-либо ошибка. Ее значение не определено, если функция не возвращает ошибки. Все положительные значения ошибок являются константами с именами в верхнем регистре, начинающимися на «E», и обычно определяются в заголовке . Ни одна ошибка не имеет кода 0.

Переменную errno нельзя хранить как глобальную переменную в случае множества потоков, у которых все глобальные переменные являются общими. О решении этой проблемы мы расскажем в главе 23.

На протяжении всего текста книги мы использовали фразы типа «функция connect возвращает ECONNREFUSED» для сокращенного обозначения того, что при выполнении функции произошла ошибка (обычно при этом возвращаемое значение функции равно -1), и значение переменной errno стало равным указанной константе.

 

1.5. Простой сервер времени и даты

Мы можем написать простую версию сервера TCP для определения времени и даты, который будет работать с клиентом, описанным в разделе 1.2. Мы используем функции-обертки, описанные в предыдущем разделе. Код сервера приведен в листинге 1.5.

Листинг 1.5. TCP-сервер времени и даты

//intro/daytimetcpsrv.c

 1 #include "unp.h"

 2 #include

 3 int

 4 main(int argc, char **argv)

 5 {

 6  int listenfd, connfd;

 7  struct sockaddr_in servaddr;

 8  char buff[MAXLINE];

 9  time_t ticks;

10  listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

11  bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

12  servaddr.sin_family = AF_INET;

13  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

14  servaddr.sin_port = htons(13); /* сервер времени и даты */

15  Bind(listenfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

16  Listen(listenfd, LISTENQ);

17  for (;;) {

18   connfd = Accept(listenfd, (SA*)NULL, NULL);

19   ticks = time(NULL);

20   snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));

21   Write(connfd. buff, strlen(buff));

22   Close(connfd);

23  }

24 }

Создание сокета TCP

10 Создание сокета TCP выполняется так же, как и в клиентском коде.

Связывание заранее известного порта сервера с сокетом

11-15 Заранее известный порт сервера (13 в случае сервера времени и даты) связывается с сокетом путем заполнения структуры адреса интернет-сокета и вызова функции bind. Мы задаем IP-адрес как INADDR_ANY, что позволяет серверу принимать соединение клиента на любом интерфейсе в том случае, если узел сервера имеет несколько интерфейсов. Далее мы рассмотрим, как можно ограничить прием соединений одним-единственным интерфейсом.

Преобразование сокета в прослушиваемый сокет

16 С помощью вызова функции listen сокет преобразуется в прослушиваемый, то есть такой, на котором ядро принимает входящие соединения от клиентов. Эти три этапа, socket, bind и listen, обычны для любого сервера TCP при создании того, что мы называем прослушиваемым дескриптором (listening descriptor) (в нашем примере это переменная listenfd).

Константа LISTENQ взята из нашего заголовочного файла unp.h. Она задает максимальное количество клиентских соединений, которые ядро ставит в очередь на прослушиваемом сокете. Более подробно мы расскажем о таких очередях в разделе 4.5.

Прием клиентского соединения, отправка ответа

17-21 Обычно процесс сервера блокируется при вызове функции accept, ожидая принятия подключения клиента. Для установки TCP-соединения используется трехэтапное рукопожатие (three-way handshake). Когда рукопожатие состоялось, функция accept возвращает значение, и это значение является новым дескриптором (connfd), который называется присоединенным дескриптором (connected descriptor). Этот новый дескриптор используется для связи с новым клиентом. Новый дескриптор возвращается функцией accept для каждого клиента, соединяющегося с нашим сервером.

ПРИМЕЧАНИЕ

Стиль, используемый в книге для обозначения бесконечного цикла, выглядит так:

for (;;) {

 ...

}

Библиотечная функция time возвращает количество секунд с начала эпохи Unix: 00:00:00 1 января 1970 года UTC (Universal Time Coordinated — универсальное синхронизированное время, среднее время по Гринвичу). Следующая библиотечная функция, ctime, преобразует целочисленное значение секунд в строку следующего формата, удобного для человеческого восприятия:

Fri Jan 12 14:27:52 1996

Возврат каретки и пустая строка добавляются к строке функцией snprintf, а результат передается клиенту функцией write.

ПРИМЕЧАНИЕ

Если вы еще не выработали у себя привычку пользоваться функцией snprintf вместо устаревшей sprintf, сейчас самое время заняться этим. Функция sprintf не в состоянии обеспечить проверку переполнения буфера получателя. Функция snprintf, наоборот, требует, чтобы в качестве второго аргумента указывался размер буфера получателя, переполнение которого таким образом предотвращается.

Функция snprintf была добавлена в стандарт ANSI С относительно нравно, в версии ISO C99. Практически все поставщики программного обеспечения уже сейчас включают эту функцию в стандартную библиотеку языка С. Существуют и свободно распространяемые реализации. В нашей книге мы используем функцию snprintf и рекомендуем вам пользоваться ею в своих программах для повышения их надежности.

Удивительно много сетевых атак было реализовано хакерами с использованием незащищенности sprintf от переполнения буфера. Есть еще несколько функций, с которыми нужно быть аккуратными: gets, strcat и strcpy. Вместо них лучше использовать fgets, strncat и strncpy. Еще лучше работают более современные функции strlcat и strlcpy, возвращающие в качестве результата правильно завершенную строку. Полезные советы, касающиеся написания надежных сетевых программ, можно найти в главе 23 книги [32].

Завершение соединения

22 Сервер закрывает соединение с клиентом, вызывая функцию close. Это инициирует обычную последовательность прерывания соединения TCP: пакет FIN посылается в обоих направлениях, и каждый пакет FIN распознается на другом конце соединения. Более подробно трехэтапное рукопожатие и четыре пакета TCP, используемые для прерывания соединения, будут описаны в разделе 2.6.

Сервер времени и даты был рассмотрен нами достаточно кратко, как и клиент из предыдущего раздела. Запомните следующие моменты.

■ Сервер, как и клиент, зависим от протокола IPv4. В листинге 11.7 мы покажем версию, не зависящую от протокола, которая использует функцию getaddrinfo.

■ Наш сервер обрабатывает только один запрос клиента за один раз. Если приблизительно в одно время происходит множество клиентских соединений, ядро ставит их в очередь, максимальная длина которой регламентирована, и передает эти соединения функции accept по одному за один раз. Наш сервер времени и даты, который требует вызова двух библиотечных функций, time и ctime, является достаточно быстрым. Но если у сервера обслуживание каждого клиента занимает больше времени (допустим, несколько секунд или минуту), нам будет необходимо некоторым образом организовать одновременное обслуживание нескольких клиентов.

Сервер, показанный в листинге 1.5, называется последовательным сервером (iterative server), поскольку он обслуживает клиентов последовательно, по одному клиенту за один раз. Существует несколько технологий написания параллельного сервера (concurrent server), который обслуживает множество клиентов одновременно. Самой простой технологией является вызов функции Unix fork (раздел 4.7), когда создается по одному дочернему процессу для каждого клиента. Другой способ — использование программных потоков (threads) вместо функции fork (раздел 26.4) или предварительное порождение фиксированного количества дочерних процессов с помощью функции fork в начале работы (раздел 30.6).

■ Запуская такой сервер из командной строки, мы обычно рассчитываем, что он будет работать достаточно долго, поскольку часто серверы работают, пока работает система. Поэтому мы должны модифицировать код сервера таким образом, чтобы он корректно работал как демон (daemon) Unix, то есть процесс, функционирующий в фоновом режиме без подключения к терминалу. Это решение подробно описано в разделе 13.4.

 

1.6. Таблица соответствия примеров технологии клиент-сервер

Технологии сетевого программирования иллюстрируются в этой книге на двух основных примерах:

■ клиент-сервер времени и даты (описание которого мы начали в листингах 1.1, 1.2 и 1.5), и

■ эхо-клиент-сервер (который появится в главе 5).

Чтобы обеспечить удобный поиск различных тем, которых мы касаемся в этой книге, мы объединили разработанные нами программы и сопроводили их номерами листингов, в которых приведен исходный код. В табл. 1.1 перечислены версии клиента времени и даты (две из них мы уже видели). В табл. 1.2 перечисляются версии сервера времени и даты. В табл. 1.3 представлены версии эхо-клиента, а в табл. 1.4 — версии эхо-сервера.

Таблица 1.1. Различные версии клиента времени и даты

Таблица 1.2. Различные версии сервера времени и даты, рассматриваемые в данной книге

Таблица 1.3. Различные версии эхо-клиента, рассматриваемые в данной книге

Таблица 1.4. Различные версии эхо-сервера, рассматриваемые в данной книге

 

1.7. Модель OSI

Распространенным способом описания уровней сети является предложенная Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO) модель взаимодействия открытых систем (open systems interconnection, OSI). Эта семиуровневая модель показана на рис. 1.5, где она сравнивается со стеком протоколов Интернета.

Рис. 1.5. Уровни модели OSI и набор протоколов Интернета

Мы считаем, что два нижних уровня модели OSI соответствуют драйверу устройства и сетевому оборудованию, которые имеются в системе. Обычно нам не приходится беспокоиться об этих уровнях, за исключением того, что мы должны знать некоторые свойства канального уровня — например, что MTU (максимальная единица передачи) Ethernet, которая описывается в разделе 2.11, имеет размер 1500 байт.

Сетевой уровень управляется протоколами IPv4 и IPv6, оба они описываются в приложении А. Из протоколов транспортного уровня мы можем выбирать TCP, UDP и SCRIPT, они описываются в главе 2. На рис. 1.5 изображен разрыв между TCP и UDP; это означает, что приложение может обойти транспортный уровень и использовать IPv4 или IPv6 непосредственно. В таких случаях речь идет о символьных сокетах (raw socket), которые будут описаны в главе 28.

Три верхних уровня модели OSI соответствуют уровню приложений. Приложением может быть веб-клиент (браузер), клиент Telnet, веб-сервер, сервер FTP или любое другое используемое нами приложение. В случае протоколов Интернета три верхние уровня модели OSI разделяются очень редко.

Описанный в этой книге API сокетов является интерфейсом между верхними тремя уровнями («приложением») и транспортным уровнем. Это один из важнейших вопросов книги: как создавать приложения, используя сокеты TCP и UDP. Мы уже упоминали о символьных сокетах, и в главе 29 мы увидим, что можем даже полностью обойти уровень IP, чтобы читать и записывать свои собственные кадры канального уровня.

Почему сокеты предоставляют интерфейс между верхними тремя уровнями модели OSI и транспортным уровнем? Для подобной организации модели OSI имеются две причины, которые мы отобразили на правой стороне рис. 1.5. Прежде всего, три верхних уровня отвечают за все детали, имеющие отношение к приложению (например, FTP, Telnet, HTTP), но знают мало об особенностях взаимодействия по сети. Четыре же нижних уровня знают мало о приложении, но отвечают за все, что связано с коммуникацией: отправку данных, ожидание подтверждения, упорядочивание данных, приходящих не в должном порядке, расчет и проверку контрольных сумм и т.д. Второй же причиной является то, что верхние три уровня часто формируют так называемый пользовательский процесс (user process), в то время как четыре нижних уровня обычно поставляются как часть ядра операционной системы. Unix, как и многие современные операционные системы, обеспечивает разделение пользовательского процесса и ядра. Следовательно, интерфейс между уровнями 4 и 5 является естественным местом для создания API.

 

1.8. История сетевого обеспечения BSD

API сокетов происходит от системы 4.2BSD (Berkeley Software Distribution — программное изделие Калифорнийского университета, в данном случае — адаптированная для Интернета реализация операционной системы Unix, разрабатываемая и распространяемая этим университетом), выпущенной в 1983 году. На рис. 1.6 показано развитие различных реализаций BSD и отмечены главные этапы развития TCP/IP. Некоторые изменения API сокетов также имели место в 1990 году в реализации 4.3BSD Reno, когда протоколы OSI были включены в ядро BSD.

Вертикальная цепочка систем на рис. 1.6 от 4.2BSD до 4.4BSD включает версии, созданные группой исследования компьютерных систем (Computer System Research Group, CSRG) университета Беркли. Для использования этих реализаций требовалось, чтобы у получателя уже была лицензия на исходный код для Unix. Однако весь код сетевых программ — и поддержка на уровне ядра (например, стек протоколов TCP/IP и доменные сокеты Unix, а также интерфейс сокетов), и приложения (такие, как клиенты и серверы Telnet и FTP), были разработаны независимо от кода Unix, созданного AT&T. Поэтому начиная с 1989 года университет Беркли начал выпускать реализации системы BSD, не ограниченные лицензией на исходный код Unix. Эти реализации распространялись свободно и, в конечном итоге, стали доступны через анонимные FTP-серверы фактически любому пользователю Интернета.

Последними реализациями Беркли стали 4.4BSD-Lite в 1994 году и 4.4BSD-Lite2 в 1995 году. Нужно отметить, что эти две реализации были затем использованы в качестве основы для других систем: BSD/OS, FreeBSD, NetBSD и OpenBSD, и все четыре до сих пор активно развиваются и совершенствуются. Более подробную информацию о различных реализациях BSD, а также общую историю развития различных систем Unix можно найти в главе 1 книги [74].

Рис. 1.6. История различных реализаций BSD

Многие системы Unix начинались с некоторой версии сетевого кода BSD, включавшей API сокетов, и мы называем их реализациями, происходящими от Беркли, или Беркли-реализациями (Berkeley-derived implementations). Многие коммерческие версии Unix основаны на Unix System V Release 4 (SVR4). Некоторые из них включают сетевой код из Беркли-реализаций (например, UnixWare 2.x), в то время как сетевой код других систем, основанных на SVR4, был разработан независимо (например, Solaris 2.x). Мы также должны отметить, что система Linux, популярная и свободно доступная реализация Unix, не относится к классу происходящих от Беркли: ее сетевой код и API сокетов были разработаны «с нуля».

 

1.9. Сети и узлы, используемые в примерах

 

На рис. 1.7 показаны различные сети и узлы, используемые нами в примерах. Для каждого узла мы указываем операционную систему и тип компьютера (потому, что некоторые операционные системы могут работать на компьютерах разных типов). Внутри прямоугольников приведены имена узлов, появляющиеся в тексте.

Рис. 1.7. Сети и узлы, используемые в примерах

Топология, приведенная на рис. 1.7, интересна для наших примеров, но на практике физическая топология сети оказывается не столь важной, поскольку взаимодействующие компьютеры обычно связываются через Интернет. Виртуальные частные сети (virtual private network, VPN) и защищенные подключения интерпретатора (secure shell connections, SSH) обеспечивают соединение, не зависящее от физического размещения компьютеров.

Обозначение «/24» указывает количество последовательных битов адреса начиная с крайнего левого, задающих сеть и подсеть. В разделе А.4 об этом формате рассказывается более подробно.

ПРИМЕЧАНИЕ

Хотим подчеркнуть, что настоящее имя операционной системы Sun — SunOS 5.x, а не Solaris 2.x, однако все называют ее Solaris.

 

Определение топологии сети

На рис. 1.7 мы показываем топологию сети, состоящей из улов, используемых в качестве примеров в этой книге, но вам нужно знать топологию вашей собственной сети, чтобы запускать в ней примеры и выполнять упражнения. Хотя в настоящее время не существует стандартов Unix в отношении сетевой конфигурации и администрирования, большинство Unix-систем предоставляют две основные команды, которые можно использовать для определения подробностей строения сети: netstat и ifconfig. Мы приводим примеры в различных системах, представленных на рис. 1.7. Изучите руководство, где описаны эти команды для ваших систем, чтобы понять различия в той информации, которую вы получите на выходе. Также имейте в виду, что некоторые производители помещают эти команды в административный каталог, например /sbin или /usr/sbin, вместо обычного /usr/bin, и эти каталоги могут не принадлежать обычному пути поиска (PATH).

1. netstat - i предоставляет информацию об интерфейсах. Мы также задаем флаг -n для печати численных адресов, а не имен сетей. При этом показываются интерфейсы с их именами.

linux % netstat -ni

Kernel Interface table

Iface  MTU Met    RX-OK RX-ERR RX-DRP RX-OVR    TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg

eth0  1500   0 49211085      0      0      0 40540958      0      0      0 BMRU

lo   16436   0 98613572      0      0      0 98613572      0      0      0 LRU

Интерфейс закольцовки называется lo, a Ethernet называется eth0. В следующем примере показан узел с поддержкой Ipv6.

freebsd % netstat -ni

Name  Mtu Network      Address              Ipkts Ierrs    Opkts Oerrs Coll

hme0 1500      08:00:20:a7:68:6b 29100435    35 46561488     0    0

hme0 1500 12.106.32/24 12.106.32.254     28746630     - 46617260     -    -

hme0 1500 fe80:1::a00:20ff:fea7 686b/64

                       fe80:1::a00:20ff:fea7:68b

                                                0      -       0     -    -

hme0 1500 3ffe:b80:1f8d:1::1/64

                       3ffe:b80:1f8d:1::1       0      -        0    –    -

hme1 1500      08:00:20:a7:68:6b    51092      0    31537    0    0

hme1 1500 fe80:2::a00:20ff:fea7:686b/64

                       fe80:2::a00:20ff:fea7:686b

                                                0      -       90    -    -

hme1 1500 192.168.42   192.168.42.1         43584      -    24173    -    -

hme1 1500 3ffe:b80:1f8d:2::1/64

                       3ffe:b80:1f8d:2::1      78      -        8    -    -

lo0 16384                           10198      0    10198    0    0

lo0 16384 ::1/128      ::1                     10      -       10    -    -

lo0 16384 fe80:6::1/64 fe80:6::1                0      -        0    -    -

lo0 16384 127          127.0.0.1            10167      -    10167    -    -

gif0 1280                               6      0        5    0    0

gif0 1280 3ffe:b80:3:9ad1::2/128

                       3ffe:b80:3:9ad1::2       0      -        0    -    -

gif0 1280 fe80:8::a00:20ff:fea7:686b/64

                       fe80:8::a00:20ff:fea7:686b

                                                0      -        0    -    -

Мы разбили некоторые длинные строки на несколько частей, чтобы сохранить ясность представления.

2. netstat -r показывает таблицу маршрутизации, которая тоже позволяет определить интерфейсы. Обычно мы задаем флаг -n для печати численных адресов. При этом также приводится IP-адрес маршрутизатора, заданного по умолчанию:

freebsd % netstat -nr

Routing tables

Internet:

Destination   Gateway           Flags Refs   Use Netif Expire

default       12.106.32.1       UGSc    10  6877 hme0

12.106.32/24  link#1            UC       3     0 hme0

12.106.32.1   00:b0:8e:92:2c:00 UHLW     9     7 hme0  1187

12.106.32.253 08:00:20:b8:f7:e0 UHLW     0     1 hme0   140

12.106.32.254 08:00:20:a7:68:b6 UHLW     0     2 lo0

127.0.0.1     127.0.0.1         UH       1 10167 lo0

192.168.42    link#2            UC       2     0 hme1

192.168.42.1  08:00:20:a7:68:6b UHLW     0    11 lo0

192.168.42.2  00:04:ac:17:bf:38 UHLW     2 24108 hme1   210

Internet6:

Destination                        Gateway            Flags Netif Expire

::/96                              ::1                UGRSc lo0   =>

default                            3ffe:b80:3:9ad1::1 UGSc  gif0

::1                                ::1                UH    lo0

::ffff:0.0.0.0/96                  ::1                UGRSc lo0

3ffe:b80:3:9ad1::1                 3ffe:b80:3:9ad1::2 UH    gif0

3ffe:b80:3:9ad1::2                 link#8             UHL   lo0

3ffe:b80:1f8d::/48                 lo0                USc   lo0

3ffe:b80:1f8d:1::/64               link#1             UC    hme0

3ffe:b80:1f8d:1::1                 08:00:20:a7:68:6b  UHL   lo0

3ffe:b80:1f8d:2::/64               link#2             UC    hme1

3ffe:b80:1f8d:2::1                 08:00:20:a7:68:6b  UHL   lo0

3ffe:b80:1f8d:2:204:acff:fe17:bf38 00:04.ac:17:bf:38  UHLW  hme1

fe80::/10                          ::1                UGRSc lo0

fe80::%hme0/64                     link#1             UC    hme0

fe80::a00:20ff:fea7:686b%hme0      08:00:20:a7:68:6b  UHL   lo0

fe80::%hme1/64                     link#2             UC    hme1

fe80::a00:20ff:fea7:686b%hme1      08:00:20:a7:68:6b  UHL   lo0

fe80::%lo0/64                      fe80::1%lo0        Uc    lo0

fe80::1%lo0                        link#6             UHL   lo0

fe80::%gif0/64                     link#8             UC    gif0

fe80::a00:20ff:fea7:686b%gif0      link#8             UHL   lo0

ff01::/32                          ::1                U     lo0

ff02::/16                          ::1                UGRS  lo0

ff02::%hme0/32                     link#1             UC    hme0

ff02::%hem1/32                     link#2             UC    hme1

ff02::%lo0/32                      ::1                UC    lo0

ff02::%gif0/32                     link#8             UC    gif0

3. Имея имена интерфейсов, мы выполняем команду ifconfig, чтобы получить подробную информацию для каждого интерфейса:

linux % ifconfig eth0

eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 00:C0:9F:06:B0:E1

     inet addr:206.168.112.96 Bcast:206.168.112.127 Mask:255.255.255.128

     UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1

     RX packets:49214397 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0

     TX packets:40543799 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0

     collisions:0 txqueuelen:100

     RX bytes:1098069974 (1047.2 Mb) TX bytes:3360546472 (3204.8 Mb)

     Interrupt:11 Base address:0x6000

При этом мы получаем IP-адрес, маску подсети и широковещательный адрес. Флаг MULTICAST указывает на то, что узел поддерживает широковещательную передачу. В некоторых реализациях поддерживается флаг -a, при указании которого печатается информация обо всех сконфигурированных интерфейсах.

4. Одним из способов определить IP-адрес нескольких узлов локальной сети является проверка широковещательного адреса (найденного нами на предыдущем шаге) с помощью утилиты ping.

linux % ping -b 206.168.112.127

WARNING: pinging broadcast address

PING 206.168.112.127 (206.168.112.127) from 206.168.112.96 : 56 (84) bytes of data.

64 bytes from 206.168.112.96: icmp_seq=0 ttl=255 time=241 usec

64 bytes from 206.168.112.40: icmp_seq=0 ttl=255 time=2 566 msec (DUP!)

64 bytes from 206.168.112.118: icmp_seq=0 ttl=255 time=2.973 msec (DUP!)

64 bytes from 206.168.112.14: icmp_seq=0 ttl=255 time=3.089 msec (DUP!)

64 bytes from 206.168.112.126: icmp_seq=0 ttl=255 time=3.200 msec (DUP!)

64 bytes from 206.168.112.71: icmp_seq=0 ttl=255 time=3.311 msec (DUP!)

64 bytes from 206.168.112.31: icmp_seq=0 ttl=255 time=3.541 msec (DUP!)

64 bytes from 206.168.112.7: icmp_seq=0 ttl=255 time=3.636 msec (DUP!)

...

 

1.10. Стандарты Unix

 

Когда писалась эта книга, наибольший интерес в сфере стандартизации Unix вызывала деятельность группы Остина по пересмотру общих стандартов (The Austin Common Standards Revision Group, CSRG). Ими было написано в общей сложности около 4000 страниц спецификаций, описывающих более 1700 интерфейсов программирования. Эти спецификации являются одновременно стандартами IEEE POSIX и The Open Group. Поэтому один и тот же стандарт может встретиться вам под разными названиями, например ISO/IEC 9945:2002, IEEE Std 1003.1-2001 и Single Unix Specification Version 3. В нашей книге мы будем называть этот стандарт просто: спецификация POSIX, за исключением разделов, подобных этому, где обсуждаются особенности различных более старых стандартов.

Проще всего получить копию этого консолидированного стандарта, заказав ее на компакт-диске или скачав из Сети (бесплатно). В любом случае начинать следует с http://www.UNIX.org/version3.

 

История POSIX

Слово «POSIX» представляет собой сокращение от «Portable Operating System Interface» (интерфейс переносимой операционной системы). POSIX — целое семейство стандартов, разрабатываемых организацией IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers — Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике). Стандарты POSIX также приняты в качестве международных стандартов ISO (International Standards Organization — Международная организация по стандартизации) и IEC (International Electrotechnical Commission — Международная комиссия по электротехнике), называемых ISO/IEC. История стандартов POSIX достаточно интересна, но мы рассмотрим ее кратко.

■ Первым из стандартов POSIX был IEEE Std 1003.1-1988 (317 страниц), и он определял интерфейс между языком С и оболочкой ядра типа Unix в следующих областях: примитивы процесса (fork, exec, сигналы, таймеры), среда процесса (идентификаторы пользователя, группы процессов), файлы и каталоги (все функции ввода-вывода), ввод-вывод на терминал, системные базы данных (файлы паролей и групп) и архивные форматы tar и cpio.

ПРИМЕЧАНИЕ

Первый стандарт POSIX был пробной версией, выпущенной в 1986 году и известной как IEEE-IX. Название «POSIX» было предложено Ричардом Столлмэном (Richard Stallman).

■ Следующим был IEEE Std 1003.2-1990 (356 страниц), который стал международным стандартом (ISO/IEC 9945-1:1990). По сравнению с версией 1988 году в версии 1990 года были внесены минимальные изменения. К названию было добавлено «Часть 1: Системный программный интерфейс приложений [язык С]», что указывало, что этот стандарт являлся интерфейсом API, написанным на языке С.

■ Затем был выпущен двухтомный стандарт IEEE Std 1003.2-1992 (около 1300 страниц). Второй том был озаглавлен «Часть 2: интерпретатор и утилиты» и описывал интерпретатор команд (Основанный на интерпретаторе System V Bourne Shell) и порядка сотни утилит (программ, запускаемых из интерпретатора, от awk и basename до vi и yacc). В тексте мы будем называть этот стандарт POSIX.2.

■ IEEE Std 1003.1b-1993 (590 страниц) изначально именовался IEEE 1003.4. Он стал дополнением стандарта 1003.1-1990 и включал расширения реального времени, разработанные группой P1003.4. Стандарт 1003.1b-1993 добавил к стандарту 1990 года следующие пункты: синхронизацию файлов, асинхронный ввод-вывод, семафоры, управление памятью (вызов mmap и разделяемая память), планирование выполнения, часы, таймеры и очереди сообщений.

■ Следующий стандарт POSIX — IEEE Std 1003.1, редакция 1996 года [50], включил в себя 1003.1-1990 (базовый API), 1003.1b-1993 (расширения реального времени), 1003.1с-1995 (функции управления потоками) и 1003.1i-1995 (технические исправления 1003.1b). Этот стандарт также называется ISO/IEC 9945-1:1996. Были добавлены три главы, посвященные программным потокам, и общий объем стандарта составил 743 страницы. В тексте мы будем называть его POSIX.1. В стандарт включено предисловие, где говорится, что стандарт ISO/IEC 9945 состоит из следующих частей:

 □ Часть 1. Системный API [язык С].

 □ Часть 2. Оболочка и утилиты.

 □ Часть 3. Системное администрирование (в стадии разработки).

Части 1 и 2 — это именно то, что мы называем POSIX.1 и POSIX.2.

ПРИМЕЧАНИЕ

Более четверти из 743 страниц отводится приложению, названному «Обоснование и замечания» («Rationale and Notes»). Это обоснование содержит историческую информацию и причины, по которым те или иные функции были включены или опущены. Часто обоснование бывает столь же информативным, как и официальный стандарт.

■ Стандарт IEEE Std 1003.1g: Protocol Independent Interfaces (PII) (интерфейсы, не зависящие от протокола) был принят в 2000 году. До появления единой спецификации Unix версии 3 этот стандарт имел наибольшее отношение к тематике данной книги, потому что он определяет сетевые API (называя их DNI — Detailed Network Interfaces, подробные сетевые интерфейсы):

 1) DNI/Socket, основанный на API сокетов 4.4BSD;

 2) DNI/XTI, основанный на спецификации X/Open XPG4.

Работа над этим стандартом началась в 80-х (рабочая группа P1003.12, позже переименованная в P1003.1g). В тексте мы будем называть его POSIX.1g.

Текущее состояние различных стандартов POSIX можно получить в Интернете по адресу http://www.pasc.org/standing/sd11.html.

 

История Open Group

The Open Group (Открытая группа) была сформирована в 1996 году объединением организаций X/Open Company (основана в 1984 году) и Open Software Foundation (OSF, основан в 1988 году). Эта группа представляет собой международный консорциум производителей и потребителей из промышленности, правительства и образовательных учреждений. Их стандарты тоже выходили в нескольких версиях.

■ В 1989 году X/Open опубликовала третий выпуск X/Open Portability Guide (Руководство по разработке переносимых программ) — XPG3.

■ В 1992 году был опубликован четвертый выпуск (Issue 4), а в 1994 — вторая его версия (Issue 4, Version 2). Последняя известна также под названием Spec 1170, где магическое число 1170 представляет собой сумму количества интерфейсов системы (926), заголовков (70) и команд (174). Есть и еще два названия: X/Open Single Unix Specification (Единая спецификация Unix) и Unix 95.

■ В марте 1997 года было объявлено о выходе второй версии Единой спецификации Unix. Этот стандарт программного обеспечения называется также Unix 98, и именно так мы называем эту спецификацию далее в тексте книги. Количество интерфейсов в Unix 98 возросло с 1170 до 1434, хотя для рабочей станции это количество достигает 3030, поскольку сюда входит CDE (Common Desktop Environment — общее окружение рабочего стола), которое, в свою очередь, требует системы X Window System и пользовательского интерфейса Motif. Подробно об этом написано в книге [55]. Полезную информацию можно также найти по адресу http://www.UNIX.org/version2. Сетевые службы, входящие в Unix 98, определяются как для API сокетов, так и для XTI. Эта спецификация практически идентична POSIX.1g.

ПРИМЕЧАНИЕ

К сожалению, X/Open обозначает свои сетевые стандарты с помощью аббревиатуры «XNS» — X/Open Networking Services. Например, версия этого документа, в которой определяются сокеты и технологии XTI для Unix 98 [86], называется «XNS Issue 5*. Дело в том, что в мире сетевых технологий аббревиатура «XNS» всегда служила акронимом для «Xerox Network Systems» (сетевые системы Xerox). Поэтому мы избегаем использования акронима «XNS» и называем соответствующий документ X/Open просто стандартом сетевого API Unix 98.

 

Объединение стандартов

Краткую историю POSIX и The Open Group продолжает опубликованная CSRG третья версия единой спецификации Unix (The Single Unix Specification Version 3), о которой уже шла речь в начале раздела. Добиться принятия единого стандарта пятьюдесятью производителями — заметная веха в истории Unix. Большинство сегодняшних Unix-систем отвечают требованиям какой-либо версии POSIX.1 и POSIX.2, а многие уже соответствуют третьей единой спецификации Unix.

Исторически для большинства Unix-систем четко прослеживалось родство либо с BSD, либо с SVR4, но различия между современными системами постепенно стираются по мере того, как производители принимают новые стандарты. Наиболее существенные из оставшихся отличий связаны с администрированием систем, которое пока не охватывается никакими стандартами.

Эта книга основана на третьей версии единой спецификации Unix, причем основное внимание уделяется API сокетов. Везде, где это возможно, мы используем исключительно стандартные функции.

 

Internet Engineering Task Force

IETF (Internet Engineering Task Force — группа, отвечающая за решение сетевых инженерных задач) — это большое открытое международное сообщество сетевых разработчиков, операторов, производителей и исследователей, работающих в области развития архитектуры Интернета и более стабильной его работы. Это сообщество открыто для всех желающих.

Стандарты Интернета документированы в RFC 2026 [13]. Обычно стандарты Интернета описывают протоколы, а не интерфейсы API. Тем не менее два документа RFC (RFC 3493 [36] и RFC 3542 [114]) определяют API сокетов для протокола IP версии 6. Это информационные документы RFC, а не стандарты, и они были выпущены для того, чтобы ускорить применение переносимых приложений различными производителями, работающими с более ранними реализациями IPv6. Разработка текстов стандартов занимает много времени, но в третьей версии единой спецификации многие API были успешно стандартизованы.

 

1.11. 64-разрядные архитектуры

С середины до конца 90-х годов развивается тенденция к переходу на 64-разрядные архитектуры и 64-разрядное программное обеспечение. Одной из причин является более значительная по размеру адресация внутри процесса (например, 64-разрядные указатели), которая необходима в случае использования больших объемов памяти (более 232 байт). Обычная модель программирования для существующих 32-разрядных систем Unix называется ILP32. Ее название указывает на то, что целые числа (I), длинные целые числа (L) и указатели (P) занимают 32 бита. Модель, которая получает все большее распространение для 64-разрядных систем Unix, называется LP64. Ее название говорит о том, что 64 бита требуется только для длинных целых чисел (L) и указателей (P). В табл. 1.5 приводится сравнение этих двух моделей.

Таблица 1.5. Сравнение количества битов для хранения различных типов, данных в моделях ILP32 и LP64

С точки зрения программирования модель LP64 означает, что мы не можем рассматривать указатель как целое число. Мы также должны учитывать влияние модели LP64 на существующие API.

В ANSI С введен тип данных size_t, который используется, например в качестве аргумента функции malloc (количество байтов, которое данная функция выделяет в памяти для размещения какого-либо объекта), а также как третий аргумент для функций read и write (число считываемых или записываемых байтов). В 32-разрядной системе значение типа size_t является 32-разрядным, но в 64-разрядной системе оно должно быть 64-разрядным, чтобы использовать преимущество большей модели адресации. Это означает, что в 64-разрядной системе, возможно, size_t будет иметь тип unsigned long (целое число без знака, занимающее 32 разряда). Проблемой сетевого интерфейса API является то, что в некоторых проектах по POSIX.1g было определено, что аргументы функции, содержащие размер структур адресов сокета, должны иметь тип size_t (например, третий аргумент в функциях bind и connect). Некоторые поля структуры XTI также имели тип данных long (например, структуры t_info и t_opthdr). Если бы стандарты остались неизменными, в обоих случаях 32-разрядные значения должны были бы смениться 64-разрядными при переходе с модели ILP32 на LP64. В обоих случаях нет никакой необходимости в 64-разрядных типах данных: длина структуры адресов сокета занимает максимум несколько сотен байтов, а использование типа данных long для полей структуры XTI было просто ошибкой.

Решение состоит в том, чтобы использовать типы данных, разработанные специально для борьбы с подобными проблемами. Интерфейс API сокетов использует тип данных socklen_t для записи длины структур адресов сокетов, a XTI использует типы данных t_scalar_t и t_uscalar_t. Причина, по которой эти 32-разрядные значения не заменяются на 64-разрядные, заключается в том, что таким образом упрощается двоичная совместимость с новыми 64-разрядными системами для приложений, скомпилированных под 32-разрядные системы.

 

1.12. Резюме

В листинге 1.1 показан полностью рабочий, хотя и простой, клиент TCP, который получает текущее время и дату с заданного сервера. В листинге 1.5 представлена полная версия сервера. На этих примерах вводятся многие термины и понятия, которые далее рассматриваются более подробно. Наш клиент был зависим от протокола, и мы изменили его, чтобы он использовал IPv6. Но при этом мы получили всего лишь еще одну зависимую от протокола программу. В главе 11 мы разработаем некоторые функции, которые позволят нам написать код, не зависимый от протокола. Это важно, поскольку в Интернете начинает использоваться протокол IPv6. По ходу книги мы будем использовать функции-обертки, созданные в разделе 1.4, для уменьшения размера нашего кода, хотя по-прежнему каждый вызов функции будет проходить проверку на предмет возвращения ошибки. Все имена наших функций-оберток начинаются с заглавной буквы.

Третья версия единой спецификации Unix, известная также под несколькими другими названиями (мы называем ее просто «Спецификация POSIX»), представляет собой результат слияния двух стандартов, осуществленного The Austin Group.

Читатели, которых интересует история сетевого программирования в Unix, должны изучить прежде всего историю развития Unix, а история TCP/IP и Интернета представлена в книге [106].

 

Упражнения

1. Проделайте все шаги, описанные в конце раздела 1.9, чтобы получить информацию о топологии вашей сети.

2. Отыщите исходный код для примеров в тексте (см. предисловие). Откомпилируйте и протестируйте клиент времени и даты, представленный в листинге 1.1. Запустите программу несколько раз, задавая каждый раз различные IP- адреса в командной строке.

3. Замените первый аргумент функции socket, представленной в листинге 1.1, на 9999. Откомпилируйте и запустите программу. Что происходит? Найдите значение errno, соответствующее выданной ошибке. Как вы можете получить дополнительную информацию по этой ошибке?

4. Измените листинг 1.1: поместите в цикл while счетчик, который будет считать, сколько раз функция read возвращает значение, большее нуля. Выведите значение счетчика перед завершением. Откомпилируйте и запустите новую программу-клиент.

5. Измените листинг 1.5 следующим образом. Сначала поменяйте номер порта, заданный функции sin_port, с 13 на 9999. Затем замените один вызов функции write на циклический, при котором функция write вызывается для каждого байта результирующей строки. Откомпилируйте полученный сервер и запустите его в фоновом режиме. Затем измените клиент из предыдущего упражнения (в котором выводится счетчик перед завершением программы), изменив номер порта, заданный функции sin_port, с 13 на 9999. Запустите этот клиент, задав в качестве аргумента командной строки IP-адрес узла, на котором работает измененный сервер. Какое значение клиентского счетчика будет напечатано? Если это возможно, попробуйте также запустить клиент и сервер на разных узлах.

 

2.1. Введение

В этой главе приводится обзор протоколов семейства TCP/IP, которые используются в примерах на всем протяжении книги. Наша цель — как можно подробнее описать эти протоколы с точки зрения сетевого программирования, чтобы понять, как их использовать, а также дать ссылки на более подробные описания фактического устройства, реализации и истории протоколов.

В данной главе речь пойдет о транспортном уровне: протоколах TCP, UDP и протоколе управления передачей потоков (Stream Control Transmission Protocol, SCRIPT). Большинство приложений, построенных по архитектуре клиент-сервер, используют либо TCP, либо UDP. Протоколы транспортного уровня, в свою очередь, используют протокол сетевого уровня IP — либо IPv4, либо IPv6. Хотя и возможно использовать IPv4 или IPv6 непосредственно, минуя транспортный уровень, эта технология (символьные сокеты) используется гораздо реже. Поэтому мы даем более подробное описание IPv4 и IPv6 наряду с ICMPv4 и ICMPv6 в приложении А.

UDP представляет собой простой и ненадежный протокол передачи дейтаграмм, в то время как TCP является сложным и надежным потоковым протоколом. SCRIPT тоже обеспечивает надежность передачи, как и TCP, но помимо этого он позволяет задавать границы сообщений, обеспечивает поддержку множественной адресации на транспортном уровне, а также минимизирует блокирование линии в начале передачи. Нужно понимать, какие сервисы предоставляют приложениям транспортные протоколы, какие задачи решаются протоколами, а что необходимо реализовывать в приложении.

Есть ряд свойств TCP, которые при должном понимании упрощают написание надежных клиентов и серверов. Знание этих особенностей облегчит нам отладку наших клиентов и серверов с использованием общеупотребительных средств, таких как netstat. В этой главе мы коснемся различных тем, попадающих в эту категорию: трехэтапное рукопожатие TCP, последовательность прерывания соединения TCP, состояние TCP TIME_WAIT, четырехэтапное рукопожатие и завершение соединения SCRIPT, буферизация TCP, UDP и SCRIPT уровнем сокетов и так далее.

 

2.2. Обзор протоколов TCP/IP

Хотя набор протоколов и называется «TCP/IP», это семейство состоит не только из собственно протоколов TCP и IP. На рис. 2.1 представлен обзор этих протоколов.

Рис. 2.1. Обзор протоколов семейства TCP/IP

На этом рисунке представлены и IPv4, и IPv6. Если рассматривать этот рисунок справа налево, то пять приложений справа используют IPv6. О константе AF_INET6 и структуре sockaddr_in6 мы говорим в главе 3. Следующие шесть приложений используют IPv4.

Приложение, находящееся в самой левой части рисунка, tcpdump, соединяется непосредственно с канальным уровнем, используя либо BPF (BSD Packet Filter — фильтр пакетов BSD), либо DLPI (Data Link Provider Interface — интерфейс канального уровня). Мы обозначили штриховую горизонтальную линию под девятью приложениями (интерфейс) как API, что обычно соответствует сокетам или XTI. Интерфейс и к BPF, и к DLPI не использует сокетов или XTI.

ПРИМЕЧАНИЕ

Здесь существует исключение, описанное нами в главе 25: Linux предоставляет доступ к канальному уровню при помощи специального типа сокета, называемого SOCK PACKET.

На рис. 2.1 мы также отмечаем, что программа traceroute использует два сокета: один для IP, другой для ICMP. В главе 25 мы создадим версии IPv4 и IPv6 утилит ping и traceroute.

А сейчас мы опишем каждый из протоколов, представленных на рисунке.

■ Протокол Интернета версии 4. IPv4 (Internet Protocol, version 4), который мы часто обозначаем просто как IP, был «рабочей лошадкой» набора протоколов Интернета с начала 80-х. Он использует 32-разрядную адресацию (см. раздел А.4). IPv4 предоставляет сервис доставки пакетов для протоколов TCP, UDP, SCRIPT, ICMP и IGMP.

■ Протокол Интернета версии 6. IPv6 (Internet Protocol, version 6) был разработан в середине 90-х как замена протокола IPv4. Главным изменением является увеличение размера адреса, в случае IPv6 равного 128 бит (см. раздел А.5) для работы с бурно развивавшимся в 90-е годы Интернетом. IPv6 предоставляет сервис доставки пакетов для протоколов TCP, UDP, SCRIPT и ICMPv6.

Мы часто используем аббревиатуру «IP» в словосочетаниях типа «IP-адрес», «IP-уровень», когда нет необходимости различать IPv4 и IPv6.

■ Протокол управления передачей. TCP (Transmission Control Protocol) является протоколом, ориентированным на установление соединения и предоставляющим надежный двусторонний байтовый поток использующим его приложениям. Сокеты TCP — типичный пример потоковых сокетов (stream sockets). TCP обеспечивает отправку и прием подтверждений, обработку тайм-аутов, повторную передачу и тому подобные возможности. Большинство прикладных программ в Интернете используют TCP. Заметим, что TCP может использовать как IPv4, так и Ipv6.

■ Протокол пользовательских дейтаграмм. UDP (User Datagram Protocol) — это протокол, не ориентированный на установление соединения. Сокеты UDP служат примером дейтаграммных сокетов (datagram sockets). В отличие от TCP, который является надежным протоколом, в данном случае отнюдь не гарантируется, что дейтаграммы UDP когда-нибудь достигнут заданного места назначения. Как и в случае TCP, протокол UDP может использовать как IPv4, так и IPv6.

■ Протокол управления передачей потоков. SCRIPT (Stream Control Transmission Protocol) — ориентированный на установление соединения протокол, предоставляющий надежную двустороннюю ассоциацию. Соединение по протоколу SCRIPT называется ассоциацией (association), потому что это многоканальный протокол, позволяющий задать несколько IP-адресов и один порт для каждой стороны соединения. SCRIPT предоставляет также сервис сообщений, то есть разграничение отдельных записей в передаваемом потоке. Как и другие транспортные протоколы, SCRIPT может использовать IPv4 и IPv6, но он отличается тем, что может работать с обеими версиями IP на одной и той же ассоциации.

■ Протокол управляющих сообщений Интернета. ICMP (Internet Control Message Protocol) обеспечивает передачу управляющей информации и сведений об ошибках между маршрутизаторами и узлами. Эти сообщения обычно генерируются и обрабатываются самостоятельно сетевым программным обеспечением TCP/IP, а не пользовательскими процессами, хотя мы и приводим в качестве примера программы ping и traceroute, использующие ICMP. Иногда мы называем этот протокол «ICMPv4», чтобы отличать его от ICMPv6.

■ Протокол управления группами Интернета. IGMP (Internet Group Management Protocol) используется для многоадресной передачи (см. главу 21), поддержка которой не является обязательной для IPv4.

■ Протокол разрешения адресов. ARP (Address Resolution Protocol) ставит в соответствие аппаратному адресу (например, адресу Ethernet) адрес IPv4. ARP обычно используется в широковещательных сетях, таких как Ethernet, Token-ring и FDDI, но не нужен в сетях типа «точка-точка» (point-to-point).

■ Протокол обратного разрешения адресов. RARP (Reverse Address Resolution Protocol) ставит в соответствие адресу IPv4 аппаратный адрес. Он иногда используется, когда загружается бездисковый узел.

■ Протокол управляющих сообщений Интернета, версия 6. ICMPv6 (Internet Control Message Protocol, version 6) объединяет возможности протоколов ICMPv4, IGMP и ARP.

■ Фильтр пакетов BSD. Этот интерфейс предоставляет доступ к канальному уровню для процесса. Обычно он поддерживается ядрами, произошедшими от BSD.

■ Интерфейс провайдера канального уровня. DLPI (Datalink Provider Interface) предоставляет доступ к канальному уровню и обычно предоставляется SVR4 (System V Release 4).

Все протоколы Интернета определяются в документах RFC (Request For Comments), которые играют роль формальной спецификации. Решение к упражнению 2.1 показывает, как можно получить документы RFC.

Мы используем термины узел IPv4/IPv6 (IPv4/IPv6 host) и узел с двойным стеком (dual-stack host) для определения узла, поддерживающего как IPv4, так и IPv6.

Дополнительные подробности собственно по протоколам TCP/IP можно найти в [111]. Реализация TCP/IP в 4.4BSD описывается в [128].

 

2.3. UDP: протокол пользовательских дейтаграмм

UDP — это простой протокол транспортного уровня. Он описывается в документе RFC 768 [93]. Приложение записывает в сокет UDP дейтаграмму (datagram), которая инкапсулируется (encapsulate) или, иначе говоря, упаковывается либо в дейтаграмму IPv4, либо в дейтаграмму IPv6, и затем посылается к пункту назначения. При этом не гарантируется, что дейтаграмма UDP когда-нибудь дойдет до указанного пункта назначения.

Проблема, с которой мы сталкиваемся в процессе сетевого программирования с использованием UDP, заключается в его недостаточной надежности. Если мы хотим быть уверены в том, что дейтаграмма дошла до места назначения, мы должны встроить в наше приложение множество функций: подтверждение приема, тайм-ауты, повторные передачи и т.п.

Каждая дейтаграмма UDP имеет конкретную длину, и мы можем рассматривать дейтаграмму как запись (record). Если дейтаграмма корректно доходит до места назначения (то есть пакет приходит без ошибки контрольной суммы), длина дейтаграммы передается принимающему приложению. Мы уже отмечали, что TCP является потоковым (byte-stream) протоколом, без каких бы то ни было границ записей (см. раздел 1.2), что отличает его от UDP.

Мы также отметили, что UDP предоставляет сервис, не ориентированный на установление соединения (connectionless), поскольку нет необходимости в установлении долгосрочной связи между клиентом и сервером UDP. Например, клиент UDP может создать сокет и послать дейтаграмму данному серверу, а затем срезу же послать через тот же сокет дейтаграмму другому серверу. Аналогично, сервер UDP может получить пять дейтаграмм подряд через один и тот же сокет UDP от пяти различных клиентов.

 

2.4. TCP: протокол контроля передачи

Сервис, предоставляемый приложению протоколом TCP, отличается от сервиса, предоставляемого протоколом UDP. TCP описывается в документах RFC 793 [96], RFC 1323 [53], RFC 2581 [4], RFC 2988 [91] и RFC 3390 [2]. Прежде всего, TCP обеспечивает установление соединений (connections) между клиентами и серверами. Клиент TCP устанавливает соединение с выбранным сервером, обменивается с ним данными по этому соединению и затем разрывает соединение.

TCP также обеспечивает надежность (reliability). Когда TCP отправляет данные на другой конец соединения, он требует, чтобы ему было выслано подтверждение получения. Если подтверждение не приходит, TCP автоматически передает данные повторно и ждет в течение большего количества времени. После некоторого числа повторных передач TCP оставляет эти попытки. В среднем суммарное время попыток отправки данных занимает от 4 до 10 минут (в зависимости от реализации).

ПРИМЕЧАНИЕ

TCP не гарантирует получение данных адресатом, поскольку это в принципе невозможно. Если доставка оказывается невозможной, TCP уведомляет об этом пользователя, прекращая повторную передачу и разрывая соединение. Следовательно, TCP нельзя считать протоколом, надежным на 100%: он обеспечивает надежную доставку данных или надежное уведомление о неудаче.

TCP содержит алгоритмы, позволяющие динамически прогнозировать время (период) обращения (round-trip time, RTT) между клиентом и сервером, и таким образом определять, сколько времени необходимо для получения подтверждения. Например, RTT в локальной сети может иметь значение порядка миллисекунд, в то время как для глобальной сети (WAN) эта величина может достигать нескольких секунд. Более того, TCP постоянно пересчитывает величину RTT, поскольку она зависит от сетевого трафика.

TCP также упорядочивает (sequences) данные, связывая некоторый порядковый номер с каждым отправляемым им байтом. Предположим, например, что приложение записывает 2048 байт в сокет TCP, что приводит к отправке двух сегментов TCP. Первый из них содержит данные с порядковыми номерами 1-1024, второй — с номерами 1025-2048. (Сегмент (segment) — это блок данных, передаваемых протоколом TCP протоколу IP.) Если какой-либо сегмент приходит вне очереди (то есть если нарушается последовательность сегментов), принимающий TCP заново упорядочит сегменты, основываясь на их порядковых номерах, перед тем как отправить данные принимающему приложению. Если TCP получает дублированные данные (допустим, компьютер на другом конце ошибочно решил, что сегмент был потерян, и передал его заново, когда на самом деле он потерян не был, просто сеть была перегружена), он может определить, что данные были дублированы (исходя из порядковых номеров), и дублированные данные будут проигнорированы.

ПРИМЕЧАНИЕ

Протокол UDP не обеспечивает надежности. UDP сам по себе не имеет ничего похожего на описанные подтверждения передачи, порядковые номера, определение RTT, тайм-ауты или повторные передачи. Если дейтаграмма UDP дублируется в сети, на принимающий узел могут быть доставлены два экземпляра. Также, если клиент UDP отправляет две дейтаграммы в одно и то же место назначения, их порядок может быть изменен сетью, и они будут доставлены с нарушением исходного порядка. Приложения UDP должны самостоятельно обрабатывать все подобные случаи, как это показано в разделе 22.5.

TCP обеспечивает управление потоком (flow control). TCP всегда сообщает своему собеседнику, сколько именно байтов он хочет получить от него. Это называется объявлением окна (window). В любой момент времени окно соответствует свободному пространству в буфере получателя. Управление потоком гарантирует, что отправитель не переполнит этот буфер. Окно изменяется динамически с течением времени: по мере того как приходят данные от отправителя, размер окна уменьшается, но по мере считывания принимающим приложением данных из буфера окно увеличивается. Возможно, что окно станет нулевым: если принимающий буфер TCP для данного сокета заполнен, отправитель должен подождать, когда приложение считает данные из буфера.

ПРИМЕЧАНИЕ

UDP не обеспечивает управления потоком. Быстрый отправитель UDP может передавать дейтаграммы с такой скоростью, с которой не может работать получатель UDP, как это показано в разделе 8.13.

Наконец, соединение TCP также является двусторонним (full-duplex). Это значит, что приложение может отправлять и принимать данные в обоих направлениях на заданном соединении в любой момент времени. Иначе говоря, TCP должен отслеживать состояние таких характеристик, как порядковые номера и размеры окна, для каждого направления потока данных: отправки и приема. После установления двустороннее соединение может быть преобразовано в одностороннее (см. раздел 6.6).

ПРИМЕЧАНИЕ

UDP может быть (а может и не быть) двусторонним.

 

2.5. SCRIPT: протокол управления передачей потоков

Сервисы, предоставляемые SCRIPT, имеют много общего с сервисами TCP и UDP. Протокол SCRIPT описывается в RFC 2960 [118] и RFC 3309 [119]. Введение в SCRIPT приводится в RFC 3286 [85]. SCRIPT ориентирован на создание ассоциаций между клиентами и серверами. Кроме того, SCRIPT предоставляет приложениям надежность, упорядочение данных, управление передачей и двустороннюю связь, подобно TCP. Слово «ассоциация» используется вместо слова «соединение» намеренно, потому что соединение всегда устанавливалось между двумя IP-адресами. Ассоциация означает взаимодействие двух систем, которые могут иметь по несколько адресов (это называется multihoming — множественная адресация).

В отличие от TCP, протокол SCRIPT ориентирован не на поток байтов, а на сообщения. Он обеспечивает упорядоченную доставку отдельных записей. Как и в UDP, длина сообщения, записанная отправителем, передается приложению-получателю.

SCRIPT может поддерживать несколько потоков между конечными точками ассоциации, для каждого из которых надежность и порядок сообщений контролируются отдельно. Утрата сообщения в одном из потоков не блокирует доставку сообщений по другим потокам. Этот подход прямо противоположен тому, что имеется в TCP, где потеря единственного байта блокирует доставку всех последующих байтов по соединению до тех пор, пока ситуация не будет исправлена.

Кроме того, SCRIPT поддерживает множественную адресацию, что позволяет единственной конечной точке SCRIPT иметь несколько IP-адресов. Эта функция обеспечивает дополнительную устойчивость в случае отказов сети. Конечная точка может иметь избыточные IP-адреса, каждый из которых может соответствовать собственному соединению с инфраструктурой Интернета. В такой конфигурации SCRIPT позволит обойти проблему, возникшую на одном из адресов, благодаря переключению на другой адрес, заранее связанный с соответствующей ассоциацией SCRIPT.

ПРИМЕЧАНИЕ

Подобной устойчивости можно достичь и с TCP, если воспользоваться протоколами маршрутизации. Например, BGP-соединения внутри домена (iBGP) часто используют адреса, назначаемые виртуальному интерфейсу маршрутизатора в качестве конечных точек соединения TCP. Протокол маршрутизации домена гарантирует, что если между двумя маршрутизаторами будет хоть какой-то доступный путь, он будет использован, что было бы невозможно, если бы используемые адреса принадлежали интерфейсу в сети, где возникли проблемы. Функция множественной адресации SCRIPT позволяет узлам (а не только маршрутизаторам) использовать аналогичный подход, причем даже с подключениями через разных провайдеров, что невозможно при использовании TCP с маршрутизацией.

 

2.6. Установление и завершение соединения TCP

 

Чтобы облегчить понимание функций connect, accept и close и чтобы нам было легче отлаживать приложения TCP с помощью программы netstat, мы должны понимать, как устанавливаются и завершаются соединения TCP. Мы также должны понимать диаграмму перехода состояний TCP.

 

Трехэтапное рукопожатие

При установлении соединения TCP действия развиваются по следующему сценарию.

1. Сервер должен быть подготовлен для того, чтобы принять входящее соединение. Обычно это достигается вызовом функций socket, bind и listen и называется пассивным открытием (passive open).

2. Клиент выполняет активное открытие (active open), вызывая функцию connect. Это заставляет клиента TCP послать сегмент SYN (от слова synchronize — синхронизировать), чтобы сообщить серверу начальный порядковый номер данных, которые клиент будет посылать по соединению. Обычно с сегментом SYN не посылается никаких данных: он содержит только заголовок IP, заголовок TCP и, возможно, параметры TCP (о которых мы вскоре поговорим).

3. Сервер должен подтвердить получение клиентского сегмента SYN, а также должен послать свой собственный сегмент SYN, содержащий начальный порядковый номер для данных, которые сервер будет посылать по соединению. Сервер посылает SYN и ACK — подтверждение приема (от слова acknowledgment) клиентского SYN — в виде единого сегмента.

4. Клиент должен подтвердить получение сегмента SYN сервера.

Для подобного обмена нужно как минимум три пакета, поэтому он называется трехэтапным рукопожатием TCP (TCP three-way handshake). На рис. 2.2 представлена схема такого обмена.

Рис. 2.2. Трехэтапное рукопожатие TCP

Мы обозначаем начальный порядковый номер клиента как J, а начальный порядковый номер сервера как K. Номер подтверждения в сегменте ACK — это следующий предполагаемый порядковый номер на том конце связи, который отправил сегмент ACK. Поскольку сегмент SYN занимает 1 байт пространства порядковых номеров, номер подтверждения в сегменте ACK каждого сегмента SYN — это начальный порядковый номер плюс один. Аналогично сегмент ACK каждого сегмента FIN — это порядковый номер сегмента FIN плюс один.

ПРИМЕЧАНИЕ

Повседневной аналогией установления соединения TCP может служить система телефонной связи [81]. Функция socket эквивалентна включению используемого телефона. Функция bind дает возможность другим узнать ваш телефонный номер, чтобы они могли позвонить вам. Функция listen включает звонок, и вы можете услышать, когда происходит входящий звонок. Функция connect требует, чтобы мы знали чей-то номер телефона и могли до него дозвониться. Функция accept — аналогия ответа на входящий звонок. Получение идентифицирующих данных, возвращаемых функцией accept (где идентифицирующие данные — это IP-адрес и номер порта клиента), аналогично получению информации, идентифицирующей вызывающего по телефону — его телефонного номера. Однако имеется отличие, и состоит оно в том, что функция accept возвращает идентифицирующие данные клиента только после того, как соединение установлено, тогда как во время телефонного звонка после указания номера телефона звонящего мы можем выбрать, отвечать на звонок или нет. Служба DNS (см. главу 11) предоставляет сервис, аналогичный телефонной книге. Вызов getaddrinfo — поиск телефонного номера в книге; getnameinfo — поиск имени по телефонному номеру (правда, такая книга должна быть отсортирована по номерам, а не по именам).

 

Параметры TCP

Каждый сегмент SYN может содержать параметры TCP. Ниже перечислены наиболее общеупотребительные параметры TCP.

■ Параметр MSS. Этот параметр TCP позволяет узлу, отправляющему сегмент SYN, объявить свой максимальный размер сегмента (maximum segment size, MSS) — максимальное количество данных, которое он будет принимать в каждом сегменте TCP на этом соединении. Мы покажем, как получить и установить этот параметр TCP с помощью параметра сокета TCP_MAXSEG (см. раздел 7.9).

■ Параметр масштабирования окна (Window scale option). Максимальный размер окна, который может быть установлен в заголовке TCP, равен 65 535, поскольку соответствующее поле занимает 16 бит. Но высокоскоростные соединения (45 Мбит/с и больше, как описано в документе RFC 1323 [53]) или линии с большой задержкой (спутниковые сети) требуют большего размера окна для получения максимально возможной пропускной способности. Этот параметр, появившийся не так давно, определяет, что объявленная в заголовке TCP величина окна должна быть отмасштабирована — сдвинута влево на 0-14 разрядов, предоставляя максимально возможное окно размером почти гигабайт (65 535 × 214). Для использования параметра масштабирования окна в соединении необходима его поддержка обоими связывающимися узлами. Мы увидим, как задействовать этот параметр с помощью параметра сокета SO_RCVBUF (см. раздел 7.5).

ПРИМЕЧАНИЕ

Чтобы обеспечить совместимость с более ранними реализациями, в которых не поддерживается этот параметр, применяются следующие правила. TCP может отправить параметр со своим сегментом SYN в процессе активного открытия сокета. Но он может масштабировать свое окно, только если другой конец связи также отправит соответствующий параметр со своим сегментом SYN. Эта логика предполагает, что недоступные в данной реализации параметры просто игнорируются. Это общее и необходимое требование, но, к сожалению, его выполнение не гарантировано для всех реализаций.

■ Временная метка (Timestamp option). Этот параметр необходим для высокоскоростных соединений, чтобы предотвратить возможное повреждение данных, вызванное приходом устаревших, задержавшихся и дублированных пакетов. Поскольку это один из недавно появившихся параметров, его обработка производится аналогично параметру масштабирования окна. С точки зрения сетевого программиста, этот параметр не должен вызывать беспокойства.

Перечисленные выше параметры поддерживаются большинством реализаций. Последние два параметра иногда называются «параметрами RFC 1323», они были описаны именно этим стандартом [53]. Они также часто именуются параметрами для «канала с повышенной пропускной способностью», поскольку сеть с широкой полосой пропускания или с большой задержкой называется каналом с повышенной пропускной способностью, или, если перевести дословно, длинной толстой трубой (long fat pipe). В главе 24 [111] эти новые параметры описаны более подробно.

 

Завершение соединения TCP

В то время как для установления соединения необходимо три сегмента, для его завершения требуется четыре сегмента.

1. Одно из приложений первым вызывает функцию close, и мы в этом случае говорим, что конечная точка TCP выполняет активное закрытие (active close). TCP этого узла отправляет сегмент FIN, обозначающий прекращение передачи данных.

2. Другой узел, получающий сегмент FIN, выполняет пассивное закрытие (passive close). Полученный сегмент FIN подтверждается TCP. Получение сегмента FIN также передается приложению как признак конца файла (после любых данных, которые уже стоят в очереди, ожидая приема приложением), поскольку получение приложением сегмента FIN означает, что оно уже не получит никаких дополнительных данных по этому соединению.

3. Через некоторое время после того как приложение получило признак конца файла, оно вызывает функцию close для закрытия своего сокета. При этом его TCP отправляет сегмент FIN.

4. TCP системы, получающей окончательный сегмент FIN (то есть того узла, на котором произошло активное закрытие), подтверждает получение сегмента FIN.

Поскольку сегменты FIN и ACK передаются в обоих направлениях, обычно требуется четыре сегмента. Мы используем слово «обычно», поскольку в ряде сценариев сегмент FIN на первом шаге отправляется вместе с данными. Кроме того, сегменты, отправляемые на шаге 2 и 3, исходят с узла, выполняющего пассивное закрытие, и могут быть объединены. Соответствующие пакеты изображены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Обмен пакетами при завершении соединения TCP

Сегмент FIN занимает 1 байт пространства порядковых номеров аналогично SYN. Следовательно, сегмент ACK каждого сегмента FIN — это порядковый номер FIN плюс один.

Возможно, что между шагами 2 и 3 какие-то данные будут переданы от узла, выполняющего пассивное закрытие, к узлу, выполняющему активное закрытие. Это состояние называется частичным закрытием (half-close), и мы рассмотрим его во всех подробностях вместе с функцией shutdown в разделе 6.6.

Отправка каждого сегмента FIN происходит при закрытии сокета. Мы говорили, что для этого приложение вызывает функцию close, но нужно понимать, что когда процесс Unix прерывается либо произвольно (при вызове функции exit или при возврате из функции main), либо непроизвольно (при получении сигнала, прерывающего процесс), все его открытые дескрипторы закрываются, что также вызывает отправку сегмента FIN любому соединению TCP, которое все еще открыто.

Хотя на рис. 2.3 мы продемонстрировали, что активное закрытие выполняет клиент, на практике активное закрытие может выполнять любой узел: и клиент, и сервер. Часто активное закрытие выполняет клиент, но с некоторыми протоколами (особенно HTTP) активное закрытие выполняет сервер.

 

Диаграмма состояний TCP

Последовательность действий TCP во время установления и завершения соединения можно определить с помощью диаграммы состояний TCP (state transition diagram). Ее мы изобразили на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Диаграмма состояний TCP

Для соединения определено 11 различных состояний, а правила TCP предписывают переходы от одного состояния к другому в зависимости от текущего состояния и сегмента, полученного в этом состоянии. Например, если приложение выполняет активное открытие в состоянии CLOSED (Закрыло), TCP отправляет сегмент SYN, и новым состоянием становится SYN_SENT (Отправлен SYN). Если затем TCP получает сегмент SYN с сегментом ACK, он отправляет сегмент ACK, и следующим состоянием становится ESTABLISHED (Соединение установлено). В этом последнем состоянии проходит большая часть обмена данными.

Две стрелки, идущие от состояния ESTABLISHED, относятся к разрыву соединения. Если приложение вызывает функцию close перед получением признака конца файла (активное закрытие), происходит переход к состоянию FIN_WAIT_1 (Ожидание FIN 1). Но если приложение получает сегмент FIN в состоянии ESTABLISHED (пассивное закрытие), происходит переход в состояние CLOSE_WAIT (Ожидание закрытия).

Мы отмечаем нормальные переходы клиента с помощью более толстой сплошной линии, а нормальные переходы сервера — с помощью штриховой линии. Мы также должны отметить, что существуют два перехода, о которых мы не говорили: одновременное открытие (когда оба конца связи отправляют сегменты SYN приблизительно в одно время, и эти сегменты пересекаются в сети) и одновременное закрытие (когда оба конца связи отправляют сегменты FIN). В главе 18 [111] содержатся примеры и описания обоих этих сценариев, которые хотя и возможны, но встречаются достаточно редко.

Одна из причин, по которым мы приводим здесь диаграмму перехода состояний, — мы хотим показать все 11 состояний TCP и их названия. Эти состояния отображаются программой netstat, которая является полезным средством отладки клиент-серверных приложений. Мы будем использовать программу netstat для отслеживания изменений состояния в главе 5.

 

Обмен пакетами

На рис. 2.5 представлен реальный обмен пакетами, происходящий во время соединения TCP: установление соединения, передача данных и завершение соединения. Мы также показываем состояния TCP, через которые проходит каждый узел.

Рис. 2.5. Обмен пакетами для соединения TCP

В этом примере клиент объявляет размер сегмента (MSS) равным 536 байт (это означает, что его реализация работает с минимальным размером буфера сборки пакетов), а сервер — 1460 байт (типичное значение для IPv4 в Ethernet). Как видно, MSS в каждом направлении передачи вполне могут отличаться (см. также упражнение 2.5).

Как только соединение установлено, клиент формирует запрос и посылает его серверу. Мы считаем, что этот запрос соответствует одиночному сегменту TCP (то есть его размер меньше 1460 байт — анонсированного размера MSS сервера). Сервер обрабатывает запрос и отправляет ответ, и мы также считаем, что ответ соответствует одиночному сегменту (в данном примере меньше 536 байт). Оба сегмента данных мы отобразили более жирными линиями. Заметьте, что подтверждение запроса клиента отправляется с ответом сервера. Это называется вложенным подтверждением (piggybacking) и обычно происходит, когда сервер успевает обработать запрос и подготовить ответ меньше, чем за 200 мс или около того. Если серверу требуется больше времени, скажем, 1 с, ответ будет приходить после подтверждения. (Динамика потока данных TCP подробно описана в главах 19 и 20 [111].)

Затем мы показываем четыре сегмента, закрывающих соединение. Заметьте, что узел, выполняющий активное закрытие (в данном сценарии клиент), входит в состояние TIME_WAIT. Мы рассмотрим это в следующем разделе.

На рис. 2.5 важно отметить, что если целью данного соединения было отправить запрос, занимающий один сегмент, и получить ответ, также занимающий один сегмент, то при использовании TCP всего будет задействовано восемь сегментов. Если же используется UDP, произойдет обмен только двумя сегментами: запрос и ответ. Но при переходе от TCP к UDP теряется надежность, которую TCP предоставляет приложению, и множество задач по обеспечению надежности транспортировки данных переходит с транспортного уровня (TCP) на уровень приложения. Другое важное свойство, предоставляемое TCP, — это управление в условиях перегрузки, которое в случае использования протокола UDP должно принимать на себя приложение. Тем не менее важно понимать, что многие приложения используют именно UDP, потому что они обмениваются небольшими объемами данных, a UDP позволяет избежать накладных расходов, возникающих при установлении и разрыве соединения TCP.

 

2.7. Состояние TIME_WAIT

Без сомнений, самым сложным для понимания аспектом TCP в отношении сетевого программирования является состояние TIME_WAIT (время ожидания). На рис. 2.4 мы видим, что узел, выполняющий активное закрытие, проходит это состояние. Продолжительность этого состояния равна двум MSL (maximum segment lifetime — максимальное время жизни сегмента), иногда этот период называется 2MSL.

В каждой реализации TCP выбирается какое-то значение MSL. Рекомендуемое значение, приведенное в документе RFC 1122 [10], равно 2 мин, хотя Беркли-реализации традиционно использовали значение 30 с. Это означает, что продолжительность состояния TIME_WAIT — от 1 до 4 мин. MSL — это максимальное количество времени, в течение которого дейтаграмма IP может оставаться в сети. Это время ограничено, поскольку каждая дейтаграмма содержит 8-разрядное поле предельного количества прыжков (hop limit) (поле TTL IPv4 на рис. А.1 и поле «Предельное количество транзитных узлов» IPv6 на рис. А.2), максимальное значение которого равно 255. Хотя этот предел ограничивает количество транзитных узлов, а не время пребывания пакета в сети, считается, что пакет с максимальным значением этого предела (которое равно 255) не может существовать в сети более MSL секунд.

Пакеты в объединенных сетях обычно теряются в результате различных аномалий. Маршрутизатор отключается, или нарушается связь между двумя маршрутизаторами, и им требуются секунды или минуты для стабилизации и нахождения альтернативного пути. В течение этого периода времени могут возникать петли маршрутизации (маршрутизатор А отправляет пакеты маршрутизатору В, а маршрутизатор В отправляет их обратно маршрутизатору А), и пакеты теряются в этих петлях. В этот момент, если потерянный пакет — это сегмент TCP, истекает установленное время ожидания отправляющего узла, и он снова передает пакет, и этот заново переданный пакет доходит до конечного места назначения по некоему альтернативному пути. Но если спустя некоторое время (не превосходящее количества секунд MSL после начала передачи потерянного пакета) петля маршрутизации исправляется, пакет, потерянный в петле, отправляется к конечному месту назначения. Начальный пакет называется потерянной копией или дубликатом (lost duplicate), а также блуждающей копией или дубликатом (wandering duplicate). TCP должен обрабатывать эти дублированные пакеты.

Есть две причины существования состояния TIME_WAIT:

■ необходимо обеспечить надежность разрыва двустороннего соединения TCP;

■ необходимо подождать, когда истечет время жизни в сети старых дублированных сегментов.

Первую причину можно объяснить, рассматривая рис. 2.5 в предположении, что последний сегмент ACK потерян. Сервер еще раз отправит свой последний сегмент FIN, поэтому клиент должен сохранять информацию о своем состоянии, чтобы отправить завершающее подтверждение ACK повторно. Если бы клиент не сохранял информацию о состоянии, он ответил бы серверу сегментом RST (еще один вид сегмента TCP), что сервер интерпретировал бы как ошибку. Если ответственность за корректное завершение двустороннего соединения в обоих направлениях ложится на TCP, он должен правильно обрабатывать потерю любого из четырех сегментов. Этот пример объясняет, почему в состоянии TIME_WAIT остается узел, выполняющий активное закрытие: именно этому узлу может потребоваться повторно передать подтверждение.

Чтобы понять вторую причину, по которой необходимо состояние TIME_WAIT, давайте считать, что у нас имеется соединение между IP-адресом 12.106.32.254, порт 1500 и IP-адресом 206.168.112.219, порт 21. Это соединение закрывается, и спустя некоторое время мы устанавливаем другое соединение между теми же IP-адресами и портами: 12.106.32.254, порт 1500 и 206.168.112.219, порт 21. Последнее соединение называется новым воплощением (incarnation) предыдущего соединения, поскольку IP-адреса и порты те же. TCP должен предотвратить появление старых дубликатов, относящихся к данному соединению, в новом воплощении этого соединения. Чтобы гарантировать это, TCP запрещает установление нового воплощения соединения, которое в данный момент находится в состоянии TIME_WAIT. Поскольку продолжительность состояния TIME_WAIT равна двум MSL, это позволяет удостовериться, что истечет и время жизни пакетов, посланных в одном направлении, и время жизни пакетов, посланных в ответ. Используя это правило, мы гарантируем, что в момент успешного установления соединения TCP время жизни в сети всех старых дубликатов от предыдущих воплощений этого соединения уже истекло.

ПРИМЕЧАНИЕ

Из этого правила существует исключение. Реализации, происходящие от Беркли, инициируют новое воплощение соединения, которое в настоящий момент находится в состоянии TIME WAIT, если приходящий сегмент SYN имеет порядковый номер «больше» конечного номера из предыдущего воплощения. На с. 958-959 [128] об этом рассказано более подробно. Для этого требуется, чтобы сервер выполнил активное закрытие, поскольку состояние TIME_WAIT должно существовать на узле, получающем следующий сегмент SYN. Эта возможность используется командой rsh. В документе RFC 1185 [54] рассказывается о некоторых ловушках, которые могут вас подстерегать при этом.

 

2.8. Установление и завершение ассоциации SCRIPT

 

Протокол SCRIPT ориентирован на установление соединения, подобно TCP, поэтому он также имеет собственные процедуры рукопожатия и завершения. Однако рукопожатия SCRIPT отличаются от рукопожатий TCP, поэтому мы описываем их отдельно.

 

Четырехэтапное рукопожатие

При установлении ассоциации SCRIPT выполняется приведенная далее последовательность действий, подобная трехэтапному рукопожатию TCP.

1. Сервер должен быть готов к приему входящего соединения. Подготовка обычно осуществляется последовательным вызовом функций socket, bind и listen и называется пассивным открытием (passive open).

2. Клиент начинает активное открытие (active open), вызывая функцию connect или сразу отправляя сообщение, что также приводит к установлению ассоциации. При этом клиент SCRIPT передает сообщение INIT (от слова «инициализация»), в котором серверу отправляется список IP-адресов клиента, начальный порядковый номер, идентификационная метка, позволяющая отличать пакеты данной ассоциации от всех прочих, количество исходящих потоков, запрашиваемых клиентом, и количество входящих потоков, поддерживаемых клиентом.

3. Сервер подтверждает получение сообщения INIT от клиента сообщением INIT-ACK, которое содержит список IP-адресов сервера, начальный порядковый номер, идентификационную метку, количество исходящих потоков, запрашиваемых сервером, количество входящих потоков, поддерживаемых сервером, и cookie с данными о состоянии. Cookie содержит все сведения о состоянии, которые нужны серверу для того, чтобы гарантировать действительность ассоциации. В cookie включается цифровая подпись, подтверждающая аутентичность.

4. Клиент отсылает cookie обратно серверу сообщением COOKIE-ECHO. Это сообщение уже может содержать пользовательские данные.

5. Сервер подтверждает правильность приема cookie и установление ассоциации сообщением COOKIE-ACK. Это сообщение также может включать полезные данные.

Минимальное количество пакетов для установления ассоциации SCRIPT равно четырем, поэтому описанная процедура называется четырехэтажным рукопожатием SCRIPT. Эти четыре пакета, передаваемые между клиентом и сервером, показаны на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Четырехэтапное рукопожатие SCRIPT

Во многих отношениях четырехэтапное рукопожатие SCRIPT подобно трехэтапному рукопожатию TCP, за исключением всего, что связано с cookie. Сообщение INIT включает (помимо множества параметров) контрольную метку Та (verification tag) и начальный порядковый номер J. Метка Та должна присутствовать во всех пакетах, отправляемых собеседнику по данной ассоциации. Начальный порядковый номер используется для нумерации сообщений DATA (порций данных — DATA chunks). Собеседник тоже выбирает собственную метку Tz, которая должна присутствовать во всех его пакетах. Помимо контрольной метки и начального порядкового номера K получатель сообщения INIT отправляет cookie С. Пакет cookie содержит все сведения о состоянии, необходимые для установления ассоциации SCRIPT, так что стеку SCRIPT сервера не приходится хранить сведения о клиенте, с которым устанавливается ассоциация. Более подробные сведения о настройке ассоциаций SCRIPT вы можете найти в главе 4 книги [117].

В заключение рукопожатия каждая сторона выбирает основной адрес назначения. На этот адрес передаются все данные в отсутствие неполадок в сети.

Четырехэтапное рукопожатие используется в SCRIPT для того, чтобы сделать невозможной одну из атак типа «отказ в обслуживании» (см. раздел 4.5).

ПРИМЕЧАНИЕ

Четырехэтапное рукопожатие SCRIPT с использованием cookie формализует метод защиты от атак типа «отказ в обслуживании». Многие реализации TCP используют аналогичный метод. Отличие в том, что при работе с TCP данные cookie приходится кодировать в начальный порядковый номер, длина которого составляет всего 32 разряда. В SCRIPT используется поле произвольной длины и криптографическая защита.

 

Завершение ассоциации

В отличие от TCP, SCRIPT не имеет состояния, соответствующего частично закрытой ассоциации. Когда один узел закрывает ассоциацию, второй узел должен перестать отправлять новые данные. Получатель запроса на закрытие ассоциации отправляет те данные, которые уже были помещены в очередь, после чего завершает процедуру закрытия. Обмен пакетами изображен на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Обмен пакетами при завершении ассоциации SCRIPT

SCTP не нуждается в состоянии TIME_WAIT благодаря контрольным меткам. Все порции данных помечаются так, как было оговорено при обмене сегментами INIT. Задержавшаяся порция от предыдущего соединения будет иметь неправильную метку. Вместо того, чтобы поддерживать в состоянии ожидания TIME_WAIT целое соединение, SCRIPT помещает в это состояние значения контрольных меток.

 

Диаграмма состояний SCRIPT

Порядок работы SCRIPT при установлении и завершении ассоциаций может быть проиллюстрирован диаграммой состояний (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Диаграмма состояний SCRIPT

Как и на рис. 2.4, переходы из одного состояния в другое регулируются правилами SCRIPT и определяются текущим состоянием и порцией данных, полученной в этом состоянии. Например, если приложение выполняет активное открытие в состоянии CLOSED (Закрыто), SCRIPT отправляет пакет INIT и переходит в состояние COOKIE-WAIT (Ожидание cookie). Если затем SCRIPT получает пакет INIT-ACK, он отправляет пакет COOKIE-ECHO и новым состоянием становится COOKIE-ECHOED (Cookie отправлен обратно). Если после этого SCRIPT принимает COOKIE ACK, он переходит в состояние ESTABLISHED (Соединение установлено). В этом состоянии осуществляется передача основного объема данных. Порции данных могут передаваться совместно с пакетами COOKIE ECHO и COOKIE ACK.

Две стрелки из состояния ESTABLISHED на рис. 2.8 соответствуют двум сценариям завершения ассоциации. Если приложение вызывает функцию close до получения пакета SHUTDOWN (активное закрытие), переход осуществляется в состояние SHUTDOWN-PENDING (Ожидание завершения). Если же приложение получает пакет SHUTDOWN, находясь в состоянии ESTABLISHED (пассивное закрытие), переход осуществляется в состояние SHUTDOWN-RECEIVED (Получен сигнал о завершении).

 

Обмен пакетами

На рис. 2.9 показан реальный обмен пакетами для ассоциации SCRIPT. Рисунок включает установление ассоциации, передачу данных и завершение ассоциации. Мы также показываем состояния SCRIPT, через которые проходит каждый из узлов.

Рис. 2.9. Обмен пакетами для ассоциации SCRIPT

В этом примере первая порция данных включается клиентом в COOKIE ECHO, а сервер включает данные в порцию COOKIE ACK. В общем случае в пакет COOKIE ECHO может включаться и несколько порций данных, если приложение использует интерфейс типа «один-ко-многим» (о разных типах интерфейсов речь пойдет в разделе 9.2).

Блок информации, передаваемый в пакете SCRIPT, называется порцией (chunk). Порция информации самодостаточна, она включает сведения о типе данных, флаги и поле длины. Этот подход облегчает упаковку нескольких порций в один исходящий пакет (подробнее об упаковке порций и нормальном режиме передачи данных рассказывается в главе 5 [117]).

 

Параметры SCRIPT

SCTP использует параметры для облегчения использования дополнительных возможностей. Функции SCRIPT могут расширяться добавлением новых типов порций или новых параметров. При этом стандартные реализации SCRIPT имеют возможность сообщать о неизвестных параметрах и порциях данных. Старшие два бита пространства параметров и пространства порций определяют, что именно должен сделать получатель SCRIPT с неизвестным параметром или порцией (подробнее см. в разделе 3.1 [117]).

В настоящий момент разрабатываются два расширения SCRIPT:

1. Динамическое расширение адресов, позволяющее взаимодействующим узлам добавлять и удалять IP-адреса из существующей ассоциации.

2. Поддержка частичной надежности, позволяющая взаимодействующим узлам по указанию от приложения ограничивать повторную передачу данных. Если сообщение становится слишком старым (это решает приложение), оно пропускается, и никаких попыток отправить его еще раз не делается. Это означает, что доставка всех данных адресату уже не гарантируется.

 

2.9. Номера портов

 

В любой момент времени каждый транспортный протокол (UDP, TCP, SCRIPT) может использоваться несколькими процессами. Все три протокола различают эти процессы при помощи 16-разрядных целых чисел — номеров портов (port numbers).

Когда клиент хочет соединиться с сервером, клиент должен идентифицировать этот сервер. Для TCP, UDP и SCRIPT определена группа заранее известных портов (well-known ports) для идентификации известных служб. Например, каждая реализация TCP/IP, поддерживающая FTP, присваивает заранее известный порт 21 (десятичный) серверу FTP. Серверам TFTP (Trivial File Transfer Protocol — упрощенный протокол передачи файлов) присваивается порт UDP 69.

С другой стороны, клиенты используют динамически назначаемые, или эфемерные (ephemeral) порты, то есть порты с непродолжительным временем жизни. Эти номера портов обычно присваиваются клиенту автоматически протоколами UDP или TCP. Клиенту обычно не важно фактическое значение динамически назначаемого порта; клиент лишь должен быть уверен, что динамически назначаемый порт является уникальным на клиентском узле. Реализации транспортного уровня гарантируют такую уникальность.

IANA (Internet Assigned Numbers Authority — агентство по выделению имен и уникальных параметров протоколов Интернета) ведет список назначенных номеров портов. Раньше они публиковались в документах RFC; последним в этой серии был RFC 1700 [103]. В документе RFC 3232 [102] указан адрес базы данных, заменившей RFC 1700: http://www.iana.org/. Номера портов делятся на три диапазона.

1. Заранее известные порты: от 0 до 1023. Эти номера портов управляются и присваиваются агентством IANA. Когда это возможно, один и тот же номер порта присваивается данному сервису и для TCP, и для UDP. Например, порт 80 присваивается веб-серверу для обоих протоколов, хотя в настоящее время все реализации используют только TCP.

ПРИМЕЧАНИЕ

Когда веб-серверу был назначен порт 80, протокол SCRIPT еще не существовал. Новые порты назначаются всем трем протоколам, и в RFC 2960 отмечено, что все существующие номера портов TCP могут использоваться теми же службами, работающими по протоколу SCRIPT.

2. Зарегистрированные порты: от 1024 до 49 151. Они не управляются IANA, но IANA регистрирует и составляет списки использования этих портов для удобства потребителей. Когда это возможно, один и тот же порт выделяется одной и той же службе и для TCP, и для UDP. Например, порты с номерами от 6000 до 6063 присвоены серверу X Window для обоих протоколов, хотя в настоящее время все реализации используют только TCP. Верхний предел 49 151 для этих портов был установлен для того, чтобы оставить часть диапазона адресов для динамических портов. В документе RFC 1700 [103] верхний предел был 65 535.

3. Динамические, или частные порты: от 49 152 до 65 535. IANA ничего не говорит об этих портах. Эти порты мы иногда называем эфемерными. (Магическое число 49 152 составляет три четверти от 65 536.)

Разделение портов на диапазоны и общее распределение номеров портов показано на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Распределение номеров портов

На этом рисунке мы отмечаем следующие моменты:

■ В системах Unix имеется понятие зарезервированного порта (reserved port), и это порт с номером меньше 1024. Эти порты может присвоить сокету только процесс, обладающий соответствующими привилегиями. Все заранее известные порты IANA являются зарезервированными портами; следовательно, сервер, желающий использовать этот порт (такой, как сервер FTP), должен обладать правами привилегированного пользователя.

■ Исторически сложилось так, что Беркли-реализации (начиная с 4.3BSD) позволяют динамически выделять порты в диапазоне от 1024 до 5000. Это было хорошо в начале 80-х, когда серверы не могли обрабатывать много клиентов одновременно, но сегодня можно легко найти сервер, поддерживающий более 3977 клиентов в любой момент времени. Поэтому некоторые системы выделяют динамически назначаемые порты по-другому, либо из диапазона, определенного IANA, либо из еще более широкого диапазона (например, Solaris, как показано на рис. 2.6), чтобы предоставить больше динамически назначаемых портов.

ПРИМЕЧАНИЕ

Как выяснилось, значение 5000 для верхнего предела динамически назначаемых портов, реализованное в настоящее время во многих системах, было типографской ошибкой [7]. Этот предел должен был быть равен 50 000.

■ Существуют несколько клиентов (не серверов), которые запрашивают зарезервированный порт для аутентификации в режиме клиент-сервер: типичным примером могут служить клиенты rlogin и rsh. Эти клиенты вызывают библиотечную функцию rresvport для создания сокета TCP и присваивают сокету неиспользованный номер порта из диапазона от 513 до 1023. Эта функция обычно пытается связаться с портом 1023, если попытка оказывается неудачной — с портом 1022, и так далее, пока не будет достигнут желаемый результат или пока не будут перебраны все порты вплоть до порта 513.

ПРИМЕЧАНИЕ

И зарезервированные порты BSD, и порты функции rresvport частично перекрывают верхнюю половину заранее известных портов IANA. Это происходит потому, что известные порты IANA когда-то заканчивались на 255. В документе RFC 1340 под названием «Assigned numbers» в 1992 году началось присваивание заранее известных портов в диапазоне от 256 до 1023. В предыдущем документе RFC под названием «Assigned numbers» за номером 1060 от 1990 году эти порты назывались стандартными службами Unix (Unix Standard Services). Существует множество Беркли-серверов, номера портов которых были заданы в 80-х годах и начинались с 512 (таким образом, номера с 256 по 511 были пропущены). Функция rresvport начинает выбор с верхней границы диапазона 512-1023 и направляется вниз.

 

Пара сокетов

Пара сокетов (socket pair) для соединения TCP — это кортеж (группа взаимосвязанных элементов данных или записей) из четырех элементов, определяющий две конечных точки соединения: локальный IP-адрес, локальный порт TCP, удаленный IP-адрес и удаленный порт TCP. В SCRIPT ассоциация определяется набором локальных IP-адресов, локальным портом, набором удаленных IP-адресов и удаленным портом. В простейшем варианте без множественной адресации получается точно такой же четырехэлементный кортеж, как и для TCP. Однако если хотя бы один из узлов, составляющих ассоциацию, используем множественную адресацию, одной и той же ассоциации может сопоставляться несколько четырехэлементных кортежей (с разными IP-адресами, но одинаковыми номерами портов).

Два значения, идентифицирующих конечную точку, — IP-адрес и номер порта — часто называют сокетом.

Мы можем распространить понятие пары сокетов на UDP, даже учитывая то, что этот протокол не ориентирован на установление соединения. Когда мы будем говорить о функциях сокетов (bind, connect, getpeername и т.д.), мы увидим, какими функциями задаются конкретные элементы пары сокетов. Например, функция bind позволяет приложению задавать локальный IP-адрес и локальный порт для сокетов TCP, UDP и SCRIPT.

 

2.10. Номера портов TCP и параллельные серверы

Представим себе параллельный сервер, основной цикл которого порождает дочерний процесс для обработки каждого нового соединения. Что случится, если дочерний процесс будет продолжать использовать заранее известный номер порта при обслуживании длительного запроса? Давайте проанализируем типичную последовательность. Пусть сервер запускается на узле freebsd, поддерживающем множественную адресацию (IP-адреса 12.106.32.254 и 192.168.42.1), и выполняет пассивное открытие, используя свой заранее известный номер порта (в данном примере 21). Теперь он ожидает запрос клиента. Эта ситуация изображена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Сервер TCP с пассивным открытием на порте 21

Мы используем обозначение (*:21,*:*) для указания пары сокетов сервера. Сервер ожидает запроса соединения на любом локальном интерфейсе (первая звездочка) на порт 21. Удаленный IP-адрес и удаленный порт не определены, поэтому мы обозначаем их как *.*. Такая структура называется прослушиваемым сокетом (listening socket).

ПРИМЕЧАНИЕ

Мы отделяем IP-адрес от номера порта символом «:», потому что это обозначение используется в HTTP и часто встречается в других местах. Программа netstat отделяет номер порта от IP-адреса точкой, но иногда это приводит к затруднениям, потому что точки используются как в доменных именах (freebsd.unpbook.com.21), так и в записи IPv4 (12.106.32.254.21).

Когда мы обозначаем звездочкой локальный IP-адрес, такое обозначение называется универсальным адресом, а звездочка — символом подстановки (wildcard). Если узел, на котором запущен сервер, поддерживает множественную адресацию (как в нашем примере), сервер может указать, что он хочет принимать входящие соединения, которые приходят только для одного определенного локального интерфейса. Сервер должен выбрать либо один определенный интерфейс, либо принимать запросы от всех интерфейсов, то есть сервер не может задать список, состоящий из нескольких адресов. Локальный адрес, заданный с помощью символа подстановки, соответствует выбору произвольного адреса из определенного множества. В листинге 1.5 перед вызовом функции bind произвольный IP-адрес в структуре адреса сокета задан с помощью константы INADDR_ANY.

Через некоторое время на узле с IP-адресом 206.168.112.219 запускается клиент и выполняет активное открытие соединения с IP-адресом сервера 12.106.32.254. В этом примере мы считаем, что динамически назначаемый порт, выбранный клиентом TCP, — это порт 1500, что отражено на рис. 2.12. Под клиентом мы показываем его пару сокетов.

Рис. 2.12. Запрос на соединение от клиента к серверу

Когда сервер получает и принимает соединение клиента, он с помощью функции fork создает свою копию, давая возможность дочернему процессу обработать запрос клиента, как показано на рис. 2.13 (функцию fork мы описываем в разделе 4.7).

Рис. 2.13. Параллельный сервер, дочерний процесс которого обрабатывает запрос клиента

На этом этапе мы должны провести различие между прослушиваемым сокетом и присоединенным сокетом на сервере. Заметьте, что присоединенный сокет использует тот же локальный порт (21), что и прослушиваемый сокет. Также заметьте, что на многоадресном сервере локальный адрес заполняется для присоединенного сокета (206.62.226.35), как только устанавливается соединение.

При выполнении следующего шага предполагается, что другой клиентский процесс на клиентском узле запрашивает соединение с тем же сервером. Код TCP клиента задает новому сокету клиента неиспользованный номер динамически назначаемого порта, скажем 1501. Мы получаем сценарий, представленный на рис. 2.14. На сервере различаются два соединения: пара сокетов для первого соединения отличается от пары сокетов для второго соединения, поскольку TCP клиента выбирает неиспользованный порт (1501) для второго соединения.

Рис. 2.14. Второе соединение клиента с тем же сервером

Из этого примера видно, что TCP не может демультиплексировать входящие сегменты, просматривая только номера портов назначения. TCP должен обращать внимание на все четыре элемента в паре сокетов, чтобы определить, какая конечная точка получает приходящий сегмент. На рис. 2.14 представлены три сокета с одним и тем же локальным портом (21). Если сегмент приходит с IP- адреса 206.168.112.219, порт 1500 и предназначен для IP-адреса 12.106.32.254, порт 21, он доставляется первому дочернему процессу. Если сегмент приходит с IP- адреса 206.168.112.219, порт 1501 и предназначен для IP-адреса 12.106.32.254, порт 21, он доставляется второму дочернему процессу. Все другие сегменты TCP, предназначенные для порта 21, доставляются исходному серверу с прослушиваемым сокетом.

 

2.11. Размеры буфера и ограничения

 

Существуют несколько ограничений, устанавливающих максимальный размер дейтаграмм IP. Сначала мы опишем эти ограничения, а затем свяжем их вместе, чтобы показать, как они влияют на данные, которые может передавать приложение.

■ Максимальный размер дейтаграммы IPv4 — 65 535 байт, включая заголовок IPv4. Это связано с тем, что размер дейтаграммы ограничен 16-разрядным полем общей длины (см. рис. А.1).

■ Максимальный размер дейтаграммы IPv6 — 65 575 байт, включая 40-байтовый заголовок IPv6. Это ограничение связано с 16-разрядным полем длины полезных данных на рис. А.2. Заметьте, что поле длины IPv6 не включает размер заголовка IPv6, в то время как в случае IPv4 длина заголовка включается.

IPv6 поддерживает возможность передачи полезных данных увеличенного объема (jumbo payload), при этом поле длины полезных данных расширяется до 32 бит, но эта функция поддерживается только на тех канальных уровнях, на которых максимальная единица передачи (MTU) превышает 65 535. Это свойство разработано для соединений между двумя узлами, таких как HIPPI (High-Performance Parallel Interface — высокоскоростной параллельный интерфейс), у которых часто нет собственных ограничений на MTU.

■ Во многих сетях определена MTU (maximum transmission unit — максимальная единица передачи), величина которой диктуется возможностями оборудования. Например, размер MTU для Ethernet равен 1500 байт. Другие канальные уровни, такие как соединения «точка-точка» с использованием протокола PPP, имеют конфигурируемую MTU. Более ранние соединения по протоколу SLIP (Serial Line Internet Protocol — межсетевой протокол для последовательного канала) часто использовали MTU, равную 296 или 1006 байт.

Минимальная величина канальной MTU (link MTU) для IPv4 — 68 байт. Это сумма размера заголовка IPv4 максимальной длины (20 байт фиксированных полей и 30 байт параметров) и фрагмента минимального размера (сдвиг фрагмента должен быть кратен 8 байтам). Минимальная величина MTU для IPv6 — 1280 байт. IPv6 может работать и в сетях с меньшей MTU, но при условии фрагментации и последующей сборки на канальном уровне, чтобы извне сеть казалась имеющей большую MTU (RFC 2460 [27]).

■ Наименьшая величина MTU в пути между двумя узлами называется транспортной MTU (path MTU). В настоящее время MTU Ethernet, равная 1500 байт, часто является и транспортной MTU. Величина транспортной MTU между любыми двумя узлами не обязательно должна быть одинаковой в обоих направлениях, поскольку маршрутизация в Интернете часто асимметрична [90]. То есть маршрут от А к В может отличаться от маршрута от В к А.

■ Если размер дейтаграммы превышает канальную MTU, и IPv4 и IPv6 выполняют фрагментацию (fragmentation). Сборка (reassemble) фрагментов обычно не выполняется, пока они не достигнут конечного места назначения. Узлы IPv4 выполняют фрагментацию дейтаграмм, которые они генерируют, а маршрутизаторы IPv4 выполняют фрагментацию передаваемых ими дейтаграмм. Но в случае IPv6 дейтаграммы фрагментируются только узлами, а маршрутизаторы IPv6 фрагментацией не занимаются.

■ Если в заголовке IPv4 (см. рис. А.1) установлен бит DF (don't fragment — не фрагментировать), это означает, что данная дейтаграмма не должна быть фрагментирована ни отправляющим узлом, ни любым маршрутизатором на ее пути. Маршрутизатор, получающий дейтаграмму IPv4 с установленным битом DF, размер которой превышает MTU исходящей линии, генерирует сообщение об ошибке ICMPv4 «Необходима фрагментация, но установлен бит DF» (см. табл. А.5).

Поскольку маршрутизаторы IPv6 не выполняют фрагментации, можно считать, что во всех дейтаграммах IPv6 установлен бит DF. Когда маршрутизатор IPv6 получает дейтаграмму, размер которой превышает MTU исходящей линии, он генерирует сообщение об ошибке ICMPv6 «Слишком большой пакет» (см. табл. А.6).

ПРИМЕЧАНИЕ

Будьте внимательны при использовании данной терминологии. Узел, помеченный как маршрутизатор IPv6, может все равно выполнять фрагментацию, но только для дейтаграмм, которые этот маршрутизатор генерирует сам. Он никогда не фрагментирует передаваемые им дейтаграммы. Когда этот узел генерирует дейтаграммы IPv6, он на самом деле выступает в роли узла (а не маршрутизатора). Например, большинство маршрутизаторов поддерживают протокол Telnet, используемый администраторами для настройки. Дейтаграммы IP, генерируемые сервером Telnet маршрутизатора, считаются порождаемыми маршрутизатором, поэтому он может выполнять их фрагментацию.

Вы можете заметить, что в заголовке IPv4 (см. рис. А.1) существуют поля для выполнения IPv4-фрагментации, но в заголовке IPv6 (см. рис. А.2) полей для фрагментации нет. Поскольку фрагментация скорее исключение, чем правило, IPv6 может содержать дополнительный заголовок с информацией о фрагментации.

Некоторые межсетевые экраны, обычно выполняющие по совместительству функции маршрутизаторов, могут собирать фрагментированные пакеты, чтобы проверять их содержимое целиком. Это позволяет предотвратить атаки определенного рода за счет дополнительного усложнения устройства экрана. Кроме того, для этого требуется, чтобы конкретный экран был единственной точкой соединения сети с внешней сетью, что сокращает возможности по обеспечению избыточности.

Бит DF протокола IPv4 и его аналог в IPv6 могут использоваться для обнаружения транспортной MTU (path MTU discovery) (RFC 1191 [78] для IPv4 и RFC 1981 [71] для IPv6). Например, если TCP использует этот прием с IPv4, он отправляет все дейтаграммы с установленным битом DF. Если какой-нибудь промежуточный маршрутизатор возвращает сообщение об ошибке ICMP «Место назначения недоступно, необходима фрагментация, но установлен бит DF», TCP уменьшает количество данных, которые он отправляет в каждой дейтаграмме, и передает их повторно. Обнаружение транспортной MTU не обязательно для IPv4, тогда как реализации IPv6 должны либо поддерживать обнаружение транспортной MTU, либо отсылать пакеты только с минимальной MTU.

■ IPv4 и IPv6 определяют минимальный размер буфера сборки (minimum reassembly buffer size) — максимальный размер дейтаграммы, который гарантированно поддерживает любая реализация. Для IPv4 этот размер равен 576 байт, для IPv6 он увеличен до 1500 байт. Например, в случае IPv4 мы не знаем, может ли данный пункт назначения принять дейтаграмму в 577 байт. Поэтому многие приложения IPv4, использующие UDP (DNS, RIP, TFTP, BOOTP, SNMP) предотвращают возможность генерирования приложением IP-дейтаграмм, превышающих этот размер.

■ Для протокола TCP определен максимальный размер сегмента (MSS, maximum segment size). MSS указывает собеседнику максимальный объем данных TCP, которые собеседник может отправлять в каждом сегменте. Параметр MSS мы видели в сегментах SYN на рис. 2.5. Цель параметра MSS — сообщить собеседнику действительный размер буфера сборки и попытаться предотвратить фрагментацию. Размер MSS часто устанавливается равным значению MTU интерфейса минус фиксированные размеры заголовков IP и TCP. В Ethernet при использовании IPv4 это будет 1460, а в Ethernet при использовании IPv6 — 1440 (заголовок TCP для обоих протоколов имеет длину 20 байт, но заголовок IPv4 имеет длину 20 байт, а заголовок IPv6 — 40 байт).

16-разрядное поле MSS ограничивает величину соответствующего параметра на уровне 65 536. Это хорошо для IPv4, поскольку максимальное количество данных TCP в дейтаграмме IPv4 равно 65 495 (65 535 минус 20-байтовый заголовок IPv4 и 20-байтовый заголовок TCP). Но в случае увеличенного объема полезных данных дейтаграммы IPv6 используется другая технология (см. документ RFC 2675 [9]). Прежде всего, максимальное количество данных TCP в дейтаграмме IPv6 без увеличения объема полезных данных равно 65 515 байт (65 535 минус 20-байтовый заголовок IPv6). Следовательно, значение MSS, равное 65 535, считается особым случаем, обозначающим «бесконечность». Это значение используется только вместе с параметром увеличения объема полезных данных, что требует размера MTU, превышающего 65 535. Если TCP использует параметр увеличения объема полезных данных и получает от собеседника объявление размера MSS, равного 65 535 байт, предельный размер дейтаграммы, посылаемой им, будет равен просто величине MTU интерфейса. Если оказывается, что этот размер слишком велик (например, в пути существует канал с меньшим размером MTU), при обнаружении транспортной MTU будет установлено меньшее значение MSS.

■ SCRIPT устанавливает параметр фрагментации равным наименьшей транспортной MTU для всех адресов собеседника. Сообщения, объем которых превышает эту величину, разбиваются на более мелкие, которые могут быть отправлены в одной IP-дейтаграмме. Параметр сокета SCRIPT_MAXSEG дает пользователю возможность установить меньший предел фрагментации.

 

Отправка по TCP

Приняв все вышеизложенные термины и определения, посмотрим на рис. 2.15, где показано, что происходит, когда приложение записывает данные в сокет TCP.

Рис. 2.15. Этапы записи данных в сокет TCP и буферы, используемые при этой записи

У каждого сокета TCP есть буфер отправки, и мы можем изменять размер этого буфера с помощью параметра сокета SO_SNDBUF (см. раздел 7.5). Когда приложение вызывает функцию write, ядро копирует данные из буфера приложения в буфер отправки сокета. Если для всех данных приложения недостаточно места в буфере сокета (либо буфер приложения больше буфера отправки сокета, либо в буфере отправки сокета уже имеются данные), процесс приостанавливается (переходит в состояние ожидания). Подразумевается, что мы используем обычный блокируемый сокет (о неблокируемых сокетах мы поговорим в главе 15). Ядро возвращает управление из функции write только после того, как последний байт в буфере приложения будет скопирован в буфер отправки сокета. Следовательно, успешное возвращение управления из функции write в сокет TCP говорит нам лишь о том, что мы можем снова использовать наш буфер приложения. Оно не говорит о том, получил ли собеседник отправленные данные или получило ли их приложение-адресат (более подробно мы рассмотрим это при описании параметра сокета SO_LINGER в разделе 7.5).

TCP помещает данные в буфер отправки сокета и отправляет их собеседнику TCP, основываясь на всех правилах передачи данных TCP (главы 19 и 20 [111]). Собеседник TCP должен подтвердить данные, и только когда от него придет сегмент ACK, подтверждающий прием данных, наш TCP сможет удалить подтвержденные данные из буфера отправки сокета. TCP должен хранить копию данных, пока их прием не будет подтвержден адресатом.

TCP отправляет данные IP порциями размером MSS или меньше, добавляя свой заголовок TCP к каждому сегменту. Здесь MSS — это значение, анонсированное собеседником, или 536, если собеседник не указал значения для MSS. IP добавляет свой заголовок, ищет в таблице маршрутизации IP-адрес назначения (соответствующая запись в таблице маршрутизации задает исходящий интерфейс, то есть интерфейс для исходящих пакетов) и передает дейтаграмму на соответствующий канальный уровень. IP может выполнить фрагментацию перед передачей дейтаграммы, но, как мы отмечали выше, одна из целей параметра MSS — не допустить фрагментации; а более новые реализации также используют обнаружение транспортной MTU. У каждого канального соединения имеется очередь вывода, и если она заполнена, пакет игнорируется, и вверх по стеку протоколов возвращается ошибка: от канального уровня к IP и затем от IP к TCP. TCP учтет эту ошибку и попытается отправить сегмент позже. Приложение не информируется об этом временном состоянии.

 

Отправка по UDP

На рис. 2.16 показано, что происходит, когда приложение записывает данные в сокет UDP.

Рис. 2.16. Отправка данных через сокет UDP

На этот раз буфер отправки сокета изображен пунктирными линиями, поскольку он (буфер) на самом деле не существует. У сокета UDP есть размер буфера отправки (который мы можем изменить с помощью параметра сокета SO_SNDBUF, см. раздел 7.5), но это просто верхнее ограничение на размер дейтаграммы UDP, которая может быть записана в сокет. Если приложение записывает дейтаграмму размером больше буфера отправки сокета, возвращается ошибка EMSGSIZE. Поскольку протокол UDP не является надежным, ему не нужно хранить копию данных приложения. Ему также не нужно иметь настоящий буфер отправки (данные приложения обычно копируются в буфер ядра по мере их движения вниз по стеку протоколов, но эта копия сбрасывается канальным уровнем после передачи данных).

UDP просто добавляет свой 8-байтовый заголовок и передает дейтаграмму протоколу IP. IPv4 или IPv6 добавляет свой заголовок, определяет исходящий интерфейс, выполняя функцию маршрутизации, и затем либо добавляет дейтаграмму в очередь вывода канального уровня (если размер дейтаграммы не превосходит MTU), либо фрагментирует дейтаграмму и добавляет каждый фрагмент в очередь вывода канального уровня.

Если приложение UDP отправляет большие дейтаграммы (например, 2000-байтовые), существует гораздо большая вероятность фрагментации, чем в случае TCP, поскольку TCP разбивает данные приложения на порции, равные по размеру MSS, а этому параметру нет аналога в UDP.

Успешное возвращение из функции записи в сокет UDP говорит о том, что либо дейтаграмма, либо фрагменты дейтаграммы были добавлены к очереди вывода канального уровня. Если для дейтаграммы или одного из ее фрагментов недостаточно места, приложению в большинстве случаев возвращается сообщение ENOBUFS.

ПРИМЕЧАНИЕ

К сожалению, некоторые реализации не возвращают этой ошибки, не предоставляя приложению никаких указаний на то, что дейтаграмма была проигнорирована еще до начала передачи.

 

Отправка по SCRIPT

На рис. 2.17 показан процесс записи данных в сокет SCRIPT.

Рис. 2.17. Отправка данных через сокет SCRIPT

Для обеспечения надежности в SCRIPT предусмотрен буфер отправки. Приложение может менять размер этого буфера при помощи параметра сокета SO_SNDBUF (см. раздел 7.5), как и при работе с TCP. Когда приложение вызывает функцию write, ядро копирует все данные из буфера приложения в буфер отправки сокета. Если в буфере сокета недостаточно места для размещения всего объема данных приложения (то есть буфер приложения больше буфера сокета или в последнем уже имелись данные), пользовательский процесс приостанавливается. Приостановка производится для блокируемых сокетов. По умолчанию сокеты SCRIPT являются блокируемыми (о неблокируемых сокетах речь пойдет в главе 16). Ядро не возвращает управление процессу до тех пор, пока все байты буфера приложения не будут скопированы в буфер отправки сокета. Успешное возвращение из вызова write для сокета SCRIPT означает лишь, что приложение снова может воспользоваться своим буфером. Оно вовсе не означает, что SCRIPT адресата или приложение-адресат получили отправленные данные.

SCRIPT обрабатывает данные, которые находятся в буфере отправки на основании правил передачи SCRIPT (подробнее см. главу 5 [117]). Передающий SCRIPT должен дождаться получения порции SACK, в которой передается кумулятивное уведомление о приеме, чтобы удалить данные из буфера отправки сокета.

 

2.12. Стандартные службы Интернета

В табл. 2.1 перечислены некоторые стандартные службы, предоставляемые большинством реализаций TCP/IP. Заметьте, что все они поддерживают и TCP, и UDP, и номер порта для обоих протоколов один и тот же.

Таблица 2.1. Стандартные службы TCP/IP, предоставляемые в большинстве реализаций

Часто эти службы предоставляются демоном inetd на узлах Unix (см. раздел 13.5). Стандартные службы делают возможным простейшее тестирование при помощи стандартного клиента Telnet.

Вот, например, тесты для сервера, определяющего время и дату, и для эхо-сервера.

aix % telnet freebsd daytime

Trying 12.106.32.254...            вывод клиента Telnet

Connected to freebsd.unpbook.com   вывод клиента Telnet

Escape character is '^]'.          вывод клиента Telnet

Mon Jul 28 11:56:22 2003           вывод сервера времени и даты

Connection closed by foreign host. вывод клиента Telnet (сервер закрыл

                                   соединение)

aix % telnet freebsd echo

Trying 12.106.32.254...          вывод клиента Telnet

Connected to freebsd.unpbook.com вывод клиента Telnet

Escape character is '^]'.        вывод клиента Telnet

hello, world                      ввод с клавиатуры

hello, world                     эхо-ответ сервера

^]                 ввод с клавиатуры для обращения к клиенту Telnet

telnet> quit        команда клиенту на завершение соединения

Connection closed. на этот раз соединение завершает клиент

В этих двух примерах мы вводим имя узла и название службы (daytime и echo). Соответствие названий служб и номеров портов (см. табл. 2.1) устанавливается в файле /etc/services (см. раздел 11.5).

Заметьте, что когда мы соединяемся с сервером daytime, сервер выполняет активное закрытие. В случае эхо-сервера активное закрытие выполняет клиент. Вспомним рис. 2.4, где показано, что узел, выполняющий активное закрытие, — это узел, проходящий состояние TIME_WAIT.

В современных системах стандартные службы чаще всего отключены по умолчанию, потому что через них могут быть проведены атаки типа «отказ в обслуживании» и другие, связанные с чрезмерным потреблением ресурсов.

 

2.13. Использование протоколов типичными приложениями Интернета

Таблица 2.2 иллюстрирует использование протоколов типичными приложениями Интернета.

Таблица 2.2. Использование протоколов типичными приложениями Интернета

Первые два приложения, ping и traceroute, являются диагностическими и используют протокол ICMP, traceroute создает свои собственные пакеты UDP и считывает ответы ICMP.

Три популярных протокола маршрутизации демонстрируют многообразие транспортных протоколов, которые используются протоколами маршрутизации. Алгоритм OSPF (Open Shortest Path First — первоочередное открытие кратчайших маршрутов) использует IP непосредственно через символьный сокет, в то время как RIP (Routing Information Protocol — протокол информации о маршрутизации) использует UDP, a BGP (Border Gateway Protocol — протокол граничных шлюзов) использует TCP.

Далее идут пять приложений, основанные на UDP, за ними следуют семь приложений TCP и четыре приложения UDP/TCP. Последние пять приложений относятся к IP-телефонии. Они могут использовать либо только SCRIPT, либо UDP, TCP и SCRIPT по выбору.

 

2.14. Резюме

UDP является простым, ненадежным протоколом, не ориентированным на установление соединения, в то время как TCP — это сложный, надежный, ориентированный на установление соединения протокол. SCRIPT сочетает особенности обоих протоколов, расширяя возможности TCP. Хотя большинство приложений в Интернете используют протокол TCP (веб-сервисы, Telnet, FTP, электронная почта), существует потребность во всех трех транспортных протоколах. В разделе 22.4 мы рассматриваем причины, по которым иногда вместо TCP выбирается UDP. В разделе 23.12 будут проанализированы ситуации, в которых SCRIPT предпочтительнее TCP.

TCP устанавливает соединения, используя трехэтапное рукопожатие, и разрывает соединение, используя обмен четырьмя пакетами. Когда соединение TCP установлено, оно переходит из состояния CLOSED в состояние ESTABLISHED. При разрыве соединения оно переходит обратно в состояние CLOSED. Всего существует 11 состояний, в которых может находиться соединение TCP, и диаграмма переходов состояний определяет правила перемещения между этими состояниями. Понимание этой диаграммы существенно для диагностики проблем при использовании программы netstat и для понимания того, что происходит, когда мы вызываем такие функции, как connect, accept и close.

Состояние TCP TIME_WAIT — неиссякаемый источник путаницы, возникающей у сетевых программистов. Это состояние существует для того, чтобы реализовать разрыв двустороннего соединения TCP (то есть для решения проблем, возникающих в случае потери последнего сегмента ACK), а также чтобы дождаться, когда истечет время жизни в сети старых дублированных сегментов.

SCRIPT устанавливает ассоциацию, выполняя четырехэтапное рукопожатие, и завершает соединение обменом тремя пакетами. При установлении ассоциации SCRIPT происходит переход из состояния CLOSED в состояние ESTABLISHED, а при завершении ассоциации — возврат к состоянию CLOSED. Ассоциация SCRIPT может находиться в восьми состояниях, правила перехода между которыми описываются диаграммой состояний. Благодаря использованию контрольных меток SCRIPT не нуждается в состоянии TIME_WAIT.

 

Упражнения

1. Мы говорили об IPv4 и IPv6. А что произошло с версией 5 и каковы были версии 0, 1, 2 и 3? (Подсказка: найдите журнал IANA «Internet Protocol». Можете сразу переходить к решению, если вы не можете подключиться к http://www.iana.org/.)

2. Где вы будете искать дополнительную информацию о протоколе, которому присвоено название «IP версия 5»?

3. Описывая рис. 2.15, мы отметили, что TCP считает MSS равным 536, если не получает величину параметра MSS от собеседника. Почему используется это значение?

4. Нарисуйте рисунок, аналогичный рис. 2.5, для клиент-серверного приложения времени и даты из главы 1, предполагая, что сервер возвращает 26 байт данных в отдельном сегменте TCP.

5. Допустим, что установлено соединение между узлом в Ethernet, чей TCP объявляет MSS, равный 1460, и узлом в Token-ring, чей TCP объявляет MSS, равный 4096. Ни один из узлов не пытается обнаружить, чему равна транспортная MTU. При просмотре пакетов мы никогда не видим более 1460 байт данных в любом направлении. Почему?

6. Описывая табл. 2.2, мы отметили, что OSPF использует IP непосредственно. Каково значение поля протокола в заголовке IPv4 (см. рис. А.1) для дейтаграмм OSPF?

7. Обсуждая отправку данных по SCRIPT, мы отметили, что отправителю приходится ждать получения кумулятивного уведомления, чтобы удалить данные из буфера сокета. Если еще до получения кумулятивного уведомления принято выборочное уведомление, указывающее, что данные уже доставлены, почему буфер все равно не может быть освобожден?