Сетевое программирование

Сетевое программирование

Шокуров Антон В.
shokurov.anton.v@yandex.ru
http://машинноезрение.рф

19 мая 2018 г.

Версия: 0.10

Аннотация

В данной заметке показано писать сетевые приложения (программы). Приложение состоит из двух программ-частей: сервера и клиента. В данной заметке показано как каждую их частей писать. Программы основаны на TCP/IP архитектуре.

Детали того что такое сетевое программирование является предметом отдельной заметки. В данной даны детали именно кодинга.

Предварительная версия!

1 Сетевое программирование

Главное что необходимо написать две программы. Одна отвечает на серверную часть, а другая за клиентскую.

1.1 Клиентская часть

Рассмотрим клиентскую часть сетевого приложения. Клиент подключается к серверу, посылает свои запросы и ждет от сервера ответа.

Дабы не зависеть от серверной части будем подключатся к существующим серверам, а именно – к HTTP серверам.

Исходный код данной части выложен на сервере.

Создание сокета Сокет обеспечивает пересылку данных от данного компьютера на другой. Аналог файлового дескриптора (FILE), но для взаимодействия по сети.

1int s = socket(AF_INET, // IPv4 
2  SOCK_STREAM, // потоковый, т.е. TCP 
3  0 /* протокол по умолчанию  */);

AF_INET указывает, что речь идет о современных IP сетях по протоколу версии 4. SOCK_STREAM указывает на потоковое подсоединение, т.е. применительно к IP это подразумевает протокол TCP.

Данная операция фактически имеет отношение к операционной системе, т.е. именно она в конце концов создает необходимый объект. Последнее означает, что, если, например, у пользователя права на сетевое взаимодействие отсутствуют, то сокет не удасться создать. Поэтому необходимо обязательно проверить успешность создания сокета:

1if( s == −1 ) 
2{ 
3  printf("Сокет не удалось создать."); 
4  return −1; 
5}

Формирование адреса сервера Клиент должен подключится к серверу, а не наоборот. Поэтому у сервера есть адрес (ip адрес плюс номер порта), который необходимо знать для подключения к нему.

Для задания данных параметров используется структура struct sockaddr_in. В поле sin_addr.s_addr указывается ip адрес сервера в шестнадцатеричной системе, а в поле sin_port номер порта. Ввиду того, что данные поля должны быть указаны в совместимом с другими системами формате, для заполнения этих полей принято использовать вспомогательные функции. Для заполнения поля sin_addr.s_addr используется функция inet_addr, а – функция htons. Данные функции обеспечивают, что порядок следования байт в этих числах один и тот же. Функция inet_addr естественно делает ещё и некий разбор текстовой строчки и элементарные преобразования.

Цель нашего тестового примера подключится к серверу машинноезрение.рф и считать страницу html по протоколу http. IP адрес сервера машинноезрение.рф является 178.140.230.40, а порт для взаимодействия по протоколу http является 80. В таком случае код будет таким:

1// Структура для указания адреса сервера. 
2struct sockaddr_in srv; 
3// Сначала лучше структуру обнулить. 
4memset( &srv, 0, sizeof( srv ) ); 
5 
6// Строчка содержащая ip адрес. 
7const char ∗ip_str = 
8  // Адрес сервера машинноезрение.рф: 
9  "178.140.230.40"; 
10  // Локальный адрес: 
11  //"127.0.0.1"; 
12srv.sin_family = AF_INET; // Для IPv4. 
13srv.sin_port = htons( 80 ); // Порт отвечающий за HTTP.

Подключение После того как структура с полным адресом (ip4 и порт) задана можно попытаться выполнить подсоединение к серверу. Делается это посредством функции connect,

1// Подключаемся к серверу. 
2if( connect(s, (struct sockaddr ∗)&srv, sizeof(srv) ) < 0 ) 
3{ 
4  printf("Не удалось подключится к серверу.\n"); 
5  return −1; 
6}

где передается сокет (s), который будет использоваться для подключения, указатель на структуру содержащую адрес куда подключаемся (srv) и размер структуры (sizeof(srv)). Ввиду того, что функция connect носить общий характер, необходимо преобразовать указатель к общему виду, а также передать размер используемой структуры.

Данная функция также может выдать ошибку (тут важны не только права в данной системе, а и то что сервер не заблокирован и включен). Поэтому обязательно необходимо делать проверку на успешность.

После успешного подключения можно обмениваться данными с сервером.

Обмен данными После того как выполнены все формальности, т.е. создан сокет и выполнено подключение к нужному серверу, можно посылать и принимать сообщения. Последнее можно делать как с помощью стандартных функций, используемых с файлами (read, write), так и посредством специализированных для сетевого обмена (recv, send). Последние обладают большими возможностями, например, вызов можно сделать как блокирующим, так и не блокирующим.

В нашем примере будет применять специализированные, но расширенными возможностями не будет пользоваться (соответствующее поле будет равно 0).

Для пересылке сообщения используется функция send.

1const char ∗msg = "GET /test_socket.html HTTP/1.1\r\n\ 
2Host: xn−−80akaaied0aladi2a9h.xn−−p1ai\r\n\r\n"; 
3int msg_len = strlen( msg ); // Длина сообщения. 
4 
5// Отсылаем запрос. 
6if( send(s, msg, msg_len, 0) < 0) 
7{ 
8  printf("Запрос не удался.\n"); 
9  return −1; 
10}

Первый аргумент указывает соект (s) через который будет передано сообщение. Второй и третий аргумент задают сообщение, т.е. указывают на область памяти, где сообщение находится, а также передают его размер. Последний аргумент задает дополнительные возможности, которыми мы не будет пользоваться.

Сообщение составлено в согласии с протоколом HTTP и является запросом на страницу test_socket.html с сервера xn80akaaied0aladi2a9h.xnp1ai, где последнее является переводом машиноезрение.рф на латиницу.

Не вдаваясь в детали протокола HTTP, можно считать, что сообщение задано корректно и понятно. Ответом на данное сообщение является текст запрашиваемой страницы.

Он считывается следующим образом:

1char reply[ 2001 ]; 
2while( ( ret = recv(s, reply, 2000, 0) ) > 0 ) 
3{ 
4  reply[ret] = 0;// Создаем нуль строку. 
5  printf("%s", reply); 
6  if( ret == 0 ) 
7    break; 
8}

При считывании данных и потокового соединения (SOCK_STREAM) возвращено может быть меньший объем данных, чем был запрошен. Поэтому считывание обычно делается в цикле. В данном случае при считывании очередного фрагмента данные выводятся в консоль.

Тогда вся страница будет выведена в консоль. Чтобы можно было эту страницу потом увидеть, нужно запускать программу так:

1./a.out >> test.html

1.2 Серверная часть

Серверная часть ожидает подключения клиентов. После успешного подключения клиента сервер отвечает на его запросы.

Исходный код данной части выложен на сервере.

Создание сокета Создает по полной аналогии с клиентской частью. Единственное, что следует подчеркнуть, что сначала создается сокет самого сервера:

1int s_srv = socket(AF_INET, // IPv4 
2  SOCK_STREAM, // потоковый, т.е. TCP 
3  0 /* протокол по умолчанию  */); 
4 
5// Проверяем успешность создания серверного сокета. 
6if( s_srv == −1 ) 
7{ 
8  printf("Сокет не удалось создать."); 
9  return −1; 
10}

Данный сокет отвечает за ожидание подключения от клиентов. При выполнении подключения для каждого клиента будет создан отдельный сокет.

Привязка порта Далее необходимо привязать порт к нашей программе, а точнее к нашему сокету. Последнее означает, что когда будут поступать соединения, то они будут появляться на данном сокете.

Для начала необходимо заполнить структуру указывающею параметры нашего сервера:

1struct sockaddr_in srv; 
2memset( &srv, 0, sizeof( srv ) ); 
3 
4srv.sin_family = AF_INET; // Для IPv4. 
5srv.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // Любой сетевой интерфейс. 
6srv.sin_port = htons( 1234 ); // Наш порт.

Наиболее значимое поле является srv.sin_port, которое и задает порт, к которому будут подключатся клиенты. Поле srv.sin_addr.s_addr задает наш внутренний адрес. В общем случае его можно настраивать (если больше одного сетевого интерфейса). В нашем случае нам все-равно, поэтому указывается параметр INADDR_ANY, который обозначает соединение с любого сетевого интерфейса.

После того как структура заполнена привязка осуществляется так:

1if( bind( s_srv, (struct sockaddr ∗)&srv, sizeof(srv) ) < 0 ) 
2{ 
3  printf("Порт не удалось привязать к сокету."); 
4  return −1; 
5}

Привязка является системной операцией, поэтому в ней может быть дан отказ. В частности, если такой порт уже кем-то зарезервирован. Поэтому очень важно выполнить проверку на успешность выполненной операции.

Теперь любые соединения с компьютером, на котором запущена данная программа, по данному порту будет поступать на сокет s_srv.

Настройка Серверный сокет можно достаточно тонко настраивать. Наиболее важной традиционной настройкой является указание того, сколько клиентов могут быть в очереди на подключение.

Последнее достигается вызовом listen:

1listen( s_srv, 3);

Теперь очередь состоит из трех ожидающих подключение. При превышении данного количества клиентам будет отказано в доступе к серверу.

Ожидание подключения После того как все настроено сервер ожидает подключение от клиентов. Для этого необходимо вызвать функцию accept.

1int c = sizeof(struct sockaddr_in); 
2struct sockaddr_in clnt; 
3// Ожидаем и принятие подключения от клиента. 
4int s_clnt = accept(s_srv, (struct sockaddr ∗)&clnt, (socklen_t∗)&c); 
5if( s_clnt < 0 ) 
6{ 
7  printf("Не удалось установить соединение с клиентом.\n"); 
8  return 1; 
9}

Функция возвращается при поступлении подключения (или ошибки). Наиболее важным является именно возвращенное значение. В случае успеха оно задает сокет, который используется для общения с клиентом.

В идеале здесь необходимо вызвать создать нить с переданным сокетом. Тогда данная нить продолжит общаться с клиентом. В основной же программе (ните) можно опять вызвать функцию accept, для ожидания следующего клиента. Если же обрабатывать запросы клиента в основной ните (тем самым не вызывать функцию accept), то больше никто не сможет подсоединится к серверу.

В качестве примера приведем код сервера, который будет каждую переданную ему строчку превращать в заглавные буквы.

1int rcv_sz; 
2char clnt_msg[ 2000 ]; 
3while( ( rcv_sz = recv( s_clnt , clnt_msg , 2000 , 0) ) > 0 ) 
4{ 
5  // Получили сообщение размера rcv_sz. 
6  // Если получили строчку с нужным кючевым словом STOP 
7  if( strncmp( clnt_msg, "STOP", rcv_sz < 4 ? rcv_sz : 4 ) == 0 ) 
8    break;// то выходим из цикла. 
9  // Иначе обрабатываем строчку. В данном случае 
10  for( int i = 0; i < rcv_sz; i++)// каждый символ 
11    clnt_msg[ i ] = toupper( clnt_msg[ i ] ); // делается заглавным. 
12  // Передаем сообщение обратно клиенту. Размер совпадает с полученной строчкой. 
13  write( s_clnt , clnt_msg , rcv_sz ); 
14}