C: сокеты и пример модели client-server

By | 05/16/2017
 

Перевод с дополнениями. Оригинал – тут>>>.

Как правило – два процесса общаются друг с другом с помощью одного из Inter Process Communication (IPC) механизма ядра, таких как:

  • pipe
  • очереди сообщений (Message queues)
  • общая память (shared memory)

Кроме перечисленных IPC – в ядре присутствует много других возможностей, но что если процессам необходимо обмениваться данными по сети?

Тут используется ещё один механизм IPC – сокеты.

Что такое сокет?

Сокеты (англ. socket — разъём) — название программного интерфейса для обеспечения обмена данными между процессами. Процессы при таком обмене могут исполняться как на одной ЭВМ, так и на различных ЭВМ, связанных между собой сетью. Сокет — абстрактный объект, представляющий конечную точку соединения.

Кратко говоря – существует два типа сокетов – UNIX-сокеты (или сокеты домена UNIXUnix domain sockets) и INET-сокеты (IP-сокеты, network sockets).

UNIX-сокеты чвляются частью механизма IPC и позволяют обмен данными в обоих направлениях между процессами, работающими на одной машине.

INET-сокеты в свою очередь представляют собой механизм, позволяющий выполнять коммуникацию между процессами по сети.

Грубо говоря – если UNIX-сокет использует файл в файловой системе, то INET-сокет – требует присваивания сетевого адреса и порта.

Больше про сокеты:

Коммуникация в среде TCP/IP происходит по клиент-серверной модели, т.е. – клиент инициализирует связь, а сервер его принимает.

Ниже – пример сервера, который будет работать как демон и ожидать подключения клиента, а при инициализации клиентом соединения – передаст ему дату и время.

Socket сервер

Наш сервер будет выглядеть следующим образом:

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h> 

int main(int argc, char *argv[]) {
    int listenfd = 0, connfd = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;

    char sendBuff[1025];
    time_t ticks;

    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr));
    memset(sendBuff, '0', sizeof(sendBuff));

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(5000);

    bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    listen(listenfd, 10);

    while(1) {
        connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL);
                                                                                                                                                                              
        ticks = time(NULL);
        snprintf(sendBuff, sizeof(sendBuff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks))
        write(connfd, sendBuff, strlen(sendBuff));

        close(connfd);
        sleep(1);
     }
}

Собираем, запускаем:

gcc server.c -o server
./server &
[1] 26182

Проверяем:

netstat -anp --tcp | grep server
(Not all processes could be identified, non-owned process info
will not be shown, you would have to be root to see it all.)
Active Internet connections (servers and established)
tcp        0      0 0.0.0.0:5000            0.0.0.0:*

Флаг --tcp для netstat указывает на то, что требуется вывести информацию только по INET-сокетам.

Самый простой способ получить данные от нашего сервера – с помощью telnet, проверяем ещё раз:

telnet localhost 5000
Trying ::1...
Connection failed: Connection refused
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
Tue May 16 12:43:24 2017
Connection closed by foreign host.

Данные получены:


Tue May 16 12:43:24 2017

Теперь – давайте рассмотрим сам код сервера.

...
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
...
  • с помощью вызова функции socket() в области ядра создаётся неименованный сокет, и возвращается его socket descriptor
  • первым аргументом этой функции передаётся тип домена. Т.к. мы будем использовать сеть – то используем тип сокета AF_INET (IPv4).
  • вторым аргументом – SOCK_STREAM, который указывает на тип протокола. Для TCP – это будет SOCK_STREAM, для UDP – SOCK_DGRAM
  • третий аргумент оставляем по умолчанию – тут ядро само решит какой тип протокола использовать (т.к. мы указали SOCK_STREAM – то будет выбран TCP)

Далее – вызывается функция bind():

...
bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
...
  • bind() создаёт сокет используя параметры из структуры serv_addr (протокол,  IP-адрес и порт)
...
listen(listenfd, 10);
...
  • вызов функции listen() со вторым аргументом 10 указывает на макс. допустимое кол-во подключений. Первым аргументом – передаётся дескриптор сокета, который необходимо прослушивать.

Далее – accept():

...
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL);
...
  • сервер запускает бесконченый цикл, ожидая входящего соединения, и вызывает accept(), как только соединение установлено. В свою очередь accept() создаёт новый сокет для каждого соединения, вовзращает дескриптор сокета
  • как только соединение установлено (т.е. сокет создан) – функция snprintf() вписывает время и дату в буфер, после чего вызывается write(), которая вписывает данные из буфера в сокет

Socket клиент

Перейдём ко второй программе – клиенту.

Код её будет выглядеть следующим образом:

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

int main(int argc, char *argv[]) {
    int sockfd = 0, n = 0;
    char recvBuff[1024];
    struct sockaddr_in serv_addr;

    if(argc != 2) {
        printf("\n Usage: %s <ip of server> \n",argv[0]);
        return 1;
    }

    memset(recvBuff, '0',sizeof(recvBuff));
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        printf("\n Error : Could not create socket \n");
        return 1;
    }

    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr));

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(5000);

    if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &serv_addr.sin_addr)<=0)
    {
        printf("\n inet_pton error occured\n");
        return 1;
    }

    if( connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    {
       printf("\n Error : Connect Failed \n");
       return 1;
    }

    while ( (n = read(sockfd, recvBuff, sizeof(recvBuff)-1)) > 0)
    {
        recvBuff[n] = 0;
        if(fputs(recvBuff, stdout) == EOF)
        {
            printf("\n Error : Fputs error\n");
        }
    }

    if(n < 0)
    {
        printf("\n Read error \n");
    }

    return 0;
}

Кратко рассмотрим его:

...
if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
...
  • аналогично серверу – создаём сокет
...
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(5000);

    if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &serv_addr.sin_addr)<=0)
...
  • в структуру sockaddr_in с именем serv_addr заносятся протокол, порт (5000) и адрес сервера (первый аргумент – argv[1])
...
if( connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
...
  • функция connect() пытается установить соединение с хостом, используя данные из структуры serv_addr
...
    while ( (n = read(sockfd, recvBuff, sizeof(recvBuff)-1)) > 0)
...

И в конце-концов – клиент с помощью read() получает данные из своего сокета, в который поступают данные от сокета на сервере.

Собираем клиент, и пробуем подключиться к нашему серверу:

gcc client.c -o client
./client
Usage: ./client <ip of server>
./client 127.0.0.1
Tue May 16 12:13:54 2017

Готово.

Ссылки по теме

Сокеты

Сокеты

Berkeley sockets

Interprocess Communication Mechanisms

Что такое сокет?

Beej’s Guide to Network Programming Using Internet Sockets