6. Работа c сокетами (Sockets).

Короткая выжимка из этих предыдущих лекций:

• У каждого компьютера в сети есть IP-адрес, даже если это просто локальная сеть.

• IP-адрес — это четыре числа от 0 до 255, разделённые точками, например 77.88.55.88 (это адрес сервера Яндекса).

• С помощью этих адресов компьютеры знают, куда направить свои запросы и ответы.

• Когда один компьютер соединяется с другим, они это делают через сетевой порт. Можно сказать, что порт — это номер соединения.

• Сетевые порты в компьютере нумеруются от 1 до 65535, а компьютер сам следит за тем, как распределяются эти номера.

• С помощью портов компьютер понимает, какие данные предназначены какой программе. Некоторые программы и соединения всегда используют один и тот же порт, а другие получают его случайным образом.

Сокет — это виртуальная конструкция из IP-адреса и номера порта. Её придумали для того, чтобы разработчикам было проще писать код, а программы могли передавать данные друг другу даже в пределах одного компьютера.

Смысл в том, чтобы программист работал не с IP-адресами и портами, разбираясь в тонкостях работы протоколов, а использовал что-то попроще. В итоге получается так:

• программист пишет в программе, что он хочет сделать новый сокет;

• указывает для него IP-адрес, если это необходимо;

• программа собирает это в виртуальную конструкцию, и получается сокет;

• после этого программист может отправлять данные просто в сокет и принимать их оттуда, а компьютер берёт на себя все вопросы по передаче данных.

Основные функции сокетов

Общие
Socket	Создать новый сокет и вернуть файловый дескриптор
Send	Отправить данные по сети
Receive	Получить данные из сети
Close	Закрыть соединение
Серверные
Bind	Связать сокет с IP-адресом и портом
Listen	Объявить о желании принимать соединения. Слушает порт и ждет когда будет установлено соединение
Accept	Принять запрос на установку соединения
Клиентские
Connect	Установить соединение

socket()

Создаёт конечную точку соединения и возвращает файловый дескриптор (с типом файла S , Создают прямую связь между процессами в системе. Передают данные между процессами, которые запущены в различных средах либо даже на различных машинах.). Принимает три аргумента:

1. domain указывающий семейство протоколов создаваемого сокета

   • AF_INET для сетевого протокола IPv4

   • AF_INET6 для IPv6

   • AF_UNIX для локальных сокетов (используя файл)

   • и т.д. (порядка 29-ти разновидностей протоколов в Unix-like системах [1])

2. type

   • SOCK_STREAM (надёжная потокоориентированная служба (сервис) или потоковый сокет)

   • SOCK_DGRAM (служба датаграмм или датаграммный сокет)

   • SOCK_RAW (Сырой сокет — сырой протокол поверх сетевого уровня).

3. protocol

Протоколы обозначаются символьными константами с префиксом IPPROTO_* (например, IPPROTO_TCP или IPPROTO_UDP). Допускается значение protocol=0 (протокол не указан), в этом случае используется значение по умолчанию для данного вида соединений.

С

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
...
...

int main(){
        struct sockaddr_in serv_addr;
        ...
        ...
        // Создаем сокет
        sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // Указываем тип сокета Интернет
    bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
}

Python

import socket

# Создание объекта сокета.
sock_obj = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM, 0)

# AF_INET, SOCK_STREAM и 0 используются по умолчанию при создании сокета.
# Поэтому можно просто писать:
sock_obj = socket.socket()

bind()

Связывает сокет с конкретным адресом. Когда сокет создается при помощи socket(), он ассоциируется с некоторым семейством адресов, но не с конкретным адресом. До того как сокет сможет принять входящие соединения, он должен быть связан с адресом. bind() принимает три аргумента:

1. sockfd — дескриптор, представляющий сокет при привязке

2. serv_addr — указатель на структуру sockaddr, представляющую адрес, к которому привязываем.

3. addrlen — поле socklen_t, представляющее длину структуры sockaddr.

С

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);

Python

server_address = ('localhost', 8080)
sock_obj.bind(server_address)  # Привязка адреса и порта к сокету.

listen()

Подготавливает привязываемый сокет к принятию входящих соединений. Данная функция применима только к типам сокетов SOCK_STREAM и SOCK_SEQPACKET. Принимает два аргумента:

1. sockfd — корректный дескриптор сокета.

2. backlog — целое число, означающее число установленных соединений, которые могут быть обработаны в любой момент времени (размер очереди). Операционная система обычно ставит его равным максимальному значению.

C

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

Python

sock_obj.listen(5)  # Ждем соединение клиента.

accept()

Используется для принятия запроса на установление соединения от удаленного хоста. Принимает следующие аргументы:

1. sockfd — дескриптор слушающего сокета на принятие соединения.

2. cliaddr — указатель на структуру sockaddr, для принятия информации об адресе клиента.

3. addrlen — указатель на socklen_t, определяющее размер структуры, содержащей клиентский адрес и переданной в accept(). Когда accept() возвращает некоторое значение, socklen_t указывает сколько байт структуры cliaddr использовано в данный момент.

C

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);

Python

conn, addr = sock_obj.accept()  # Установление соединения с клиентом.

connect()

Устанавливает соединение с сервером.

Некоторые типы сокетов работают без установления соединения, это в основном касается UDP-сокетов. Для них соединение приобретает особое значение: цель по умолчанию для посылки и получения данных присваивается переданному адресу, позволяя использовать такие функции как send() и recv() на сокетах без установления соединения.

Загруженный сервер может отвергнуть попытку соединения, поэтому в некоторых видах программ необходимо предусмотреть повторные попытки соединения.

C

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

Python

server_address = ('192.168.1.100', 8080)
sock_obj.connect(server_address)

Передача\прием данных

Для передачи данных можно пользоваться стандартными функциями чтения/записи файлов read и write, но есть специальные функции для передачи данных через сокеты:

• send

• recv

• sendto

• recvfrom

• sendmsg

• recvmsg

Нужно обратить внимание, что при использовании протокола TCP (сокеты типа SOCK_STREAM) есть вероятность получить меньше данных, чем было передано, так как ещё не все данные были переданы, поэтому нужно либо дождаться, когда функция recv возвратит 0 байт, либо выставить флаг MSG_WAITALL для функции recv, что заставит её дождаться окончания передачи. Для остальных типов сокетов флаг MSG_WAITALL ничего не меняет (например, в UDP весь пакет = целое сообщение).

send()

send, sendto - отправка данных.

C

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int s, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int  s, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

Python

IP = '192.168.1.100'
PORT = 8080

sock_obj.send('Hello World!')
sock_obj.sendto('Hello World!', (IP, PORT))

resv()

recv, recvfrom - чтение данных из сокета.

C

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int s, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int s, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);

Python

BUFFER_SIZE = 1024

data = conn.recv(BUFFER_SIZE)
data, sender_addr = conn.recvfrom(BUFFER_SIZE)

SOCK_STREAM vs SOCK_DGRAM

Потоковый (SOCK_STREAM)	Датаграммный(SOCK_DGRAM)
Устанавливает соединение	Нет
Гарантирует доставку данных	Нет в случае UDP
Гарантирует порядок доставки пакетов	Нет в случае UDP
Гарантирует целостность пакетов	Тоже
Разбивает сообщение на пакеты	Нет
Контролирует поток данных	Нет

Клиент-серверная программа (Python)

TCP- Server

import socket
    
# Создаем сокет
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
# Привязываем сокет к IP-адресу и порту
server_socket.bind(('localhost', 12345))
    
# Слушаем входящие соединения
server_socket.listen(1)
    
print("Сервер запущен и ожидает подключений...")
    
# Принимаем входящее соединение
client_socket, client_address = server_socket.accept()
print(f"Подключение установлено с {client_address}")
    
# Получаем данные от клиента
data = client_socket.recv(1024)
print(f"Получены данные: {data}")
    
# Закрываем соединения
client_socket.close()
server_socket.close()

TCP-Client

import socket
    
# Создаем сокет
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
# Подключаемся к серверу
client_socket.connect(('localhost', 12345))
    
# Отправляем данные серверу
client_socket.sendall(b'Hello, server!')
    
# Закрываем соединение
client_socket.close()

UDP-Server

import socket
    
# Создаем сокет
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
# Привязываем сокет к IP-адресу и порту
server_socket.bind(('localhost', 12345))
    
print("Сервер запущен и ожидает входящих данных...")
    
# Получаем данные от клиент
data, client_address = server_socket.recvfrom(1024)
print(f"Получены данные от {client_address}: {data}")
    
# Закрываем сокет
server_socket.close()

UDP-client

import socket
    
# Создаем сокет
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
# Отправляем данные серверу
client_socket.sendto(b'Hello, server!', ('localhost', 12345))
    
# Закрываем сокет
client_socket.close()

Клиент-серверная программа на СИ

Сервер

#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
int main(int argc, char const* argv[])
{
    int server_fd, new_socket;
    ssize_t valread;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    socklen_t addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = { 0 };
    char* hello = "Hello from server";

    // Creating socket file descriptor
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // Forcefully attaching socket to the port 8080
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET,
                   SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt,
                   sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    // Forcefully attaching socket to the port 8080
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address,
             sizeof(address))
        < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((new_socket
         = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&address,
                  &addrlen))
        < 0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
  
    // subtract 1 for the null
    // terminator at the end
    valread = read(new_socket, buffer,
                   1024 - 1); 
    printf("%s\n", buffer);
    send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
    printf("Hello message sent\n");

    // closing the connected socket
    close(new_socket);
  
    // closing the listening socket
    close(server_fd);
    return 0;
}

Клиент

#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080

int main(int argc, char const* argv[])
{
    int status, valread, client_fd;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char* hello = "Hello from client";
    char buffer[1024] = { 0 };
    if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        printf("\n Socket creation error \n");
        return -1;
    }

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

    // Convert IPv4 and IPv6 addresses from text to binary
    // form
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr)
        <= 0) {
        printf(
            "\nInvalid address/ Address not supported \n");
        return -1;
    }

    if ((status
         = connect(client_fd, (struct sockaddr*)&serv_addr,
                   sizeof(serv_addr)))
        < 0) {
        printf("\nConnection Failed \n");
        return -1;
    }
  
    // subtract 1 for the null
    // terminator at the end
    send(client_fd, hello, strlen(hello), 0);
    printf("Hello message sent\n");
    valread = read(client_fd, buffer,
                   1024 - 1); 
    printf("%s\n", buffer);

    // closing the connected socket
    close(client_fd);
    return 0;
}

Компиляция

gcc client.c -o clientgcc server.c -o server

Список литературы

1. Linux manual - page address_families(7) (https://man7.org/linux/man-pages/man7/address_families.7.html)