計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計.ppt

第章計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計,8.1 套接口API的有關(guān)概念 8.2 基本Socket函數(shù) 8.3 基于TCP的socket程序設(shè)計 8.4 基于UDP的socket 程序設(shè)計 8.5 輸入輸出多路復用 8.6 并發(fā)服務(wù)器程序設(shè)計,8.1 套接口API的有關(guān)概念,8.1.1 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口 Berkeley套接口API WinSock 遠程過程調(diào)用（RPC）,8.1.2 socket編程模型及類型 套接口可分如下5種類型：流式套接字、數(shù)據(jù)報套接字、原始套接字、SOCK_SEQPACKET及SOCK_RDM。 流式套接字定義了一種可靠的面向連接的服務(wù)，實現(xiàn)了無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。 數(shù)據(jù)報套接字定義了一種無連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證可靠。 原始套接字允許對低層協(xié)議如IP或ICMP直接訪問，主要用于新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)的測試等。,Internet的Socket編程模型,8.1.3 socket地址應(yīng)用進程的標識 Internet上兩臺主機種的進程間要進行通信，必須能夠互相識別。用于標識進程的信息有兩個： 主機名或主機地址 主機內(nèi)部標識進程的標識符 這兩部分合在一起，成為套接口地址（計算機通信的基礎(chǔ)構(gòu)筑塊 ）,8.1.4 通信進程的阻塞和非阻塞方式 對于運行狀態(tài)中的進程來說，當某些條件不具備，如輸入輸出條件還沒有準備好時，該進程可以有兩種處理方式：阻塞與非阻塞。 阻塞方式 在阻塞方式下，當輸入輸出條件還沒有準備好時，就將進程轉(zhuǎn)入阻塞狀態(tài)，標記阻塞原因，并保留當前進程現(xiàn)場信息，然后將控制轉(zhuǎn)入進程調(diào)度程序，等阻塞原因解除后，將進程狀態(tài)由阻塞變成就緒等待處理機，或直接獲得由調(diào)度程序再次分配的處理機，恢復阻塞的現(xiàn)場繼續(xù)執(zhí)行。 非阻塞方式 在非阻塞方式下，當輸入輸出條件還沒有準備好時，進程仍處于運行狀態(tài)，通過循環(huán)，反復進行某條件的查詢。一般說來，阻塞機制可以防止進程在循環(huán)反復的查詢等待中造成資源浪費。但是有時在應(yīng)用中需要進程一直處于運行狀態(tài)，不希望進程在對socket的操作中阻塞，這時就要使用非阻塞機制。,8.2 基本Socket函數(shù),8.2.1 初始化套接口服務(wù)綁定socket（） 1、功能： 在應(yīng)用程序中使用插口API時，首先要創(chuàng)建一個插口-socket。為了說明什么是socket，可以打個比方：一個電話插座，既可以接電話機打電話，也可以接傳真機發(fā)傳真，還可以接計算機上網(wǎng)。接上什么設(shè)備，就是綁定了什么服務(wù)。創(chuàng)建一個插口，就是創(chuàng)建一個通信，需要指定提供什么服務(wù)，即為一個標識符綁定某個服務(wù)，并為之分配資源。這個標識就是該插口標識。 應(yīng)用程序調(diào)用socket（）函數(shù)將創(chuàng)建一個插口。 2、原型,8.2.2 本地地址綁定bind() 1、功能 調(diào)用函數(shù)bind（），可以將本地地址與插口綁定在一起。調(diào)用成功時，返回0；否則，返回1，并設(shè)置全局變量errno為錯誤類型 2、原型,參數(shù)說明 sockfd是函數(shù)socket返回的插口描述字； myaddr是特定于協(xié)議的地址結(jié)構(gòu)體的指針，指向本地插口地址； addrlen是插口地址結(jié)構(gòu)體的長度。,8.2.3 建立套接口連接綁定遠程服務(wù)器地址connect() 功能 函數(shù)connect()可以讓客戶機程序建立一個與TCP服務(wù)器的連接. 原型,參數(shù)： sockfd是函數(shù)socket返回的插口描述符； servaddr指定遠程服務(wù)器的插口地址； addrlen是插口地址結(jié)構(gòu)體的長度。,8.2.4 套接口被動轉(zhuǎn)換listen() 函數(shù)listen()有兩個功能。 （1）主動插口的被動轉(zhuǎn)換 socket()創(chuàng)建的插口都是主動插口，只可以用來（調(diào)用connect()）進行主動連接（發(fā)出請求），不能接收連接請求。listen()函數(shù)將未連接的主動插口轉(zhuǎn)換為被動插口，即傾聽插口（listening socket），告訴操作系統(tǒng)該插口可以接收連接請求。所以listen()也稱為創(chuàng)建傾聽插口函數(shù)。 （2）設(shè)置最大請求連接數(shù) listen()用一個參數(shù)（backlog）指定完成隊列的最大長度。如果一個客戶機的SYN數(shù)據(jù)段到達時，傾聽插口的完成隊列已經(jīng)滿了，TCP則忽略這個SYN數(shù)據(jù)段。 listen()函數(shù)執(zhí)行成功，返回0，服務(wù)器的TCP狀態(tài)由CLOSED轉(zhuǎn)變成LISTEN，成為被動模式；執(zhí)行失敗，返回1。 原型,參數(shù)： sockfd為要轉(zhuǎn)換的已綁定本地地址的插口描述符； backlog設(shè)置請求隊列的最大長度，表示被動（傾聽）插口能夠接收的最大數(shù)目的未接收連接(相當于窗口通告)。,8.2.4 套接口被動轉(zhuǎn)換listen(),創(chuàng)建TCP服務(wù)器傾聽插口的過程 （1）首先調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建一個主動插口； （2）調(diào)用bind()函數(shù)進行插口地址綁定； （3）調(diào)用listen()函數(shù)進行轉(zhuǎn)換。,8.2.5 從被動套接口的完成隊列中接受一個連接請求accept() 功能 一個插口被創(chuàng)建、用bind綁定本地地址并轉(zhuǎn)換成被動模式后，必須接收一個連接請求。一旦接收了連接，服務(wù)器就能使用該連接與客戶機進行通信。面向連接傳輸協(xié)議的服務(wù)器調(diào)用 accept從被動（傾聽）插口的完成連接隊列中接收下一個連接請求。如果該完成連接隊列空，則使這個進程睡眠。 原型,參數(shù)： sockfd為服務(wù)器已經(jīng)創(chuàng)建并綁定到指定插口地址的插口描述符； addr是指向一個Internet插口地址結(jié)構(gòu)體的指針； addrlen是指向一個整型數(shù)的指針。,8.2.5 從被動套接口的完成隊列中接受一個連接請求accept(),accept()工作過程 TCP使用偵聽插口接收客戶機的連接請求。如果調(diào)用accept()時，傾聽插口的完成隊列中有已經(jīng)完成3次握手的TCP連接，accept()就從隊列的首部讀取第一個連接，并返回該連接的描述符。如果調(diào)用accept()時，傾聽插口的完成隊列為空，進程將阻塞，等待出現(xiàn)新的完成3次握手的TCP連接送到完成隊列；TCP協(xié)議為服務(wù)器創(chuàng)建一個新的連接插口來標識這條新的連接，accept()返回該新連接的描述符。,8.2.6 基本套接口I/O函數(shù)列表,8.2.7 關(guān)閉插口通道與撤消套接口 1、概述 建立一對插口的連接之后，就可以進行通信了。由于TCP連接是全雙工的，對每一個套接口來說，都可以看作在使用讀、寫兩個通道進行通信。于是，關(guān)閉一個插口通信可以有兩種不同級別的方法。 （1）關(guān)閉插口通道，具體有三種方式： SHUT_RD關(guān)閉連接的讀通道； SHUT_WR關(guān)閉連接的寫通道； SHUT_RDWR關(guān)閉連接的讀寫通道。 （2）撤消套接口（句柄），同時關(guān)閉了連接的讀寫通道。 這兩種方式分別用兩個不同的函數(shù)shutdown()和close()實現(xiàn)。 2. close()原型 函數(shù)close()用于撤消一個插口，終止其TCP連接，其原型為 #include in close (int sockfd) 3. shutdown()原型 #include int shutdown (int sockfd, int howto);,8.3 基于TCP的socket程序設(shè)計,8.3.1 TCP有限狀態(tài)機 1、TCP有限狀態(tài)機的概念 在網(wǎng)絡(luò)通信中，一個健壯的插口應(yīng)用程序必須能夠處理通信過程中可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)。對于TCP來說，不同的狀態(tài)將決定傳輸實體對一些事件的響應(yīng)。描述TCP在響應(yīng)各種事件時，各個宏觀狀態(tài)之間相互作用的規(guī)則稱為TCP有限狀態(tài)機（或稱TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖），它由圖所示的11種狀態(tài)組成。,TCP的有限狀態(tài)機,2、狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析 （1） 客戶進程發(fā)起連接的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程 一個主機的客戶進程要發(fā)起連接，其TCP實體就發(fā)一個SYN置1的分組 由CLOSED狀態(tài)進入SYN_SENT狀態(tài)。 收到來自進程的SYN和ACK，TCP就發(fā)出三次握手中的最后一個ACK 進入ESTABLISHED狀態(tài)。這時就可以收發(fā)數(shù)據(jù)了。 （2） 客戶進程發(fā)起斷連請求（主動關(guān)閉）的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程 客戶進程要發(fā)起斷連，其TCP實體就發(fā)一個SYN置1的分組，等待確認ACK的到達 由ESTABLISHED狀態(tài)變?yōu)镕IN_WAIT_1狀態(tài)。 運行客戶進程的主機收到確認ACK，一個方向的連接關(guān)閉 進入FIN_WAIT_2狀態(tài)。 運行客戶進程的主機收到運行服務(wù)器的主機發(fā)送的FIN置1的分組后，應(yīng)響應(yīng)確認ACK。 收到確認ACK，連接不是立即進入到關(guān)閉CLOSED，而是先進入TIME_WAIT狀態(tài)。 TCP在TIME_WAIT狀態(tài)等待2MSL（MSL表示分組在網(wǎng)絡(luò)中的壽命），才刪除原來建立的連接記錄 返回CLOSED狀態(tài)。,8.3.2 TCP的C/S模型時序圖 面向連接的C/S模型的典型時序圖說明：服務(wù)器必須首先啟動，直到它執(zhí)行accept（）調(diào)用，進入等待狀態(tài)，方可接收客戶機請求。否則，客戶機的connect()調(diào)用將返回出錯代碼，連接宣告失敗。,面向連接的C/S模型的典型時序圖,面向連接服務(wù)器處理的請求C/S模型工作過程： 服務(wù)進程首先調(diào)用socket( )創(chuàng)建一個字節(jié)流套接字，并調(diào)用bind( )將服務(wù)器地址捆扎在該套接字上，接著調(diào)用listen( )監(jiān)聽連接請求，隨后調(diào)用accept( )做好與客戶進程建立連接的準備，無連接請求時，服務(wù)進程被阻塞。當連接請求到來后，服務(wù)器進程被喚醒，建立一個新的Socket，并用新套接字同客戶進程的套接字建立連接，而服務(wù)進程最早生成的套接字則繼續(xù)用于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)請求。 客戶進程調(diào)用socket( )創(chuàng)建字節(jié)流套接字，然后調(diào)用connect( )向服務(wù)進程發(fā)出連接請求。 服務(wù)進程和客戶進程通過調(diào)用read( )/recv( )和Write( )/send( )交換數(shù)據(jù)。,8.4 基于UDP的socket 程序設(shè)計,8.4.1 UDP編程模式 UDP提供不保證順序的用戶數(shù)據(jù)報傳輸服務(wù)。在比較簡單的應(yīng)用中，客戶機常常只用單個UDP報文來發(fā)送請求，服務(wù)器也用單個報文回送應(yīng)答。這種情況下，UDP服務(wù)器和客戶機間的交互程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)是非常有利的。圖表明了這種處理結(jié)構(gòu)。,圖 采用循環(huán)結(jié)構(gòu)的UDP服務(wù)器與客戶機間的交互,8.5 輸入輸出多路復用,輸入輸出多路復用基本工作原理： 輸入輸出多路復用是一種特殊的阻塞式輸入輸出模式，其特點：用select()調(diào)用指示內(nèi)核