網絡編程語言

1、1,網絡編程語言,2,應用程序程序編程接口（套接字）,實現(xiàn)網絡應用時，要從由網絡輸出的接口開始。既然大多數(shù)網絡協(xié)議都是由軟件實現(xiàn)的（特別是協(xié)議棧中的高層協(xié)議），而且?guī)缀跛械挠嬎銠C系統(tǒng)都將網絡協(xié)議的實現(xiàn)作為操作系統(tǒng)的一部分，因而我們說“由網絡輸出的”接口時，通常指的是操作系統(tǒng)為它的網絡子系統(tǒng)提供的接口。這個接口叫做網絡的應用程序編程接口（A P I ）。 雖然每個操作系統(tǒng)都可以自由地定義自己的A P I ，但隨著時間的推

2、移，有些A P I 已獲得了廣泛的支持；也就是說，除了它們原始的系統(tǒng)外，它們還被移植到操作系統(tǒng)中。,3,應用程序程序編程接口（套接字）,套接字接（socket interface ）口：它最初是由加州大學伯克利分校的U n i x 小組開發(fā)，而現(xiàn)在幾乎所有流行的操作系統(tǒng)都支持它。業(yè)界支持單一A P I 的優(yōu)點是使得應用程序可以很簡單地從一個操作系統(tǒng)移植到另一個操作系統(tǒng)。但是我們得記住一點，通常應用程序與操作系統(tǒng)許多部分相互作用，而不僅

3、僅與網絡相互作用。例如，讀寫文件，產生并行進程和輸出圖形顯示。 每個協(xié)議提供了一系列服務（s e rv i c e ），A P I 則提供了特定操作系統(tǒng)中調用這些服務所用的語法（s y n t a x ）。然后，實現(xiàn)的作用是把A P I 定義的具體操作和對象映射到協(xié)議定義的抽象服務集上。,4,應用程序程序編程接口（套接字）,套接字接口的主要概念是套接字（s o c k e t ）。理解套接字的好方法是把它看作本地應用進程與網

4、絡的接入點。接口定義了各種操作，包括創(chuàng)建套接字、將套接字連到網上、通過套接字發(fā)送/接收消息，關閉套接字。為了簡化討論，我們在此只討論T C P 中如何使用套接字。 第一步是創(chuàng)建套接字，用如下操作實現(xiàn)： 該操作有三個參數(shù)是因為套接字接口被設計成通用的，定義支持任意的底層協(xié)議集。,,5,應用程序程序編程接口（套接字）,,2.t y p e 參數(shù)表明通信的語義。 S O C K _ S T R E A M 說明是字節(jié)流。 S

5、 O C K _ D G R A M則表明是面向消息的服務，像U D P 提供的一樣。,,3.p r o t o c o l 參數(shù)則指明將要用到的特定協(xié)議。,,s o c k e t 返回值是新創(chuàng)建套接字的句柄（h a n d l e ），即以后引用該套接字時使用的標識符。在套接字的其他操作中，它也將作為一個參數(shù)。,,1.d o m a i n 參數(shù)描述將使用的協(xié)議族。 A F _ I N E T 用于表示因特網協(xié)議族。

6、 A F _ U N I X 用于表示U n i x 管道功能,6,客戶/服務器模式,在TCP/IP網絡應用中，通信的兩個進程間相互作用的主要模式是客戶/服務器模式（Client/Server model），即客戶向服務器發(fā)出服務請求，服務器接收到請求后，提供相應的服務。 客戶/服務器模式的建立基于以下兩點： 首先，建立網絡的起因是網絡中軟硬件資源、運算能力和信息不均等，需要共享，從而造就擁有眾多資源的主機提供服務，

7、資源較少的客戶請求服務這一非對等作用。 其次，網間進程通信完全是異步的，相互通信的進程間既不存在父子關系，又不共享內存緩沖區(qū)，因此需要一種機制為希望通信的進程間建立聯(lián)系，為二者的數(shù)據(jù)交換提供同步，這就是基于客戶/服務器模式的TCP/IP。,,7,客戶/服務器模式,客戶/服務器模式在操作過程中采取的是主動請求方式： 首先服務器方要先啟動，并根據(jù)請求提供相應服務：1.打開一通信通道并告知本地主機，它愿意在某一公認地址上（周知

8、口，如FTP為21）接收客戶請求；2.等待客戶請求到達該端口；3.接收到重復服務請求，處理該請求并發(fā)送應答信號。接收到并發(fā)服務請求，要激活一新進程來處理這個客戶請求（如UNIX系統(tǒng)中用fork、exec）。新進程處理此客戶請求，并不需要對其它請求作出應答。服務完成后，關閉此新進程與客戶的通信鏈路，并終止。4. 返回第二步，等待另一客戶請求。5. 關閉服務器,8,客戶/服務器模式,客戶方：1. &#

9、160;打開一通信通道，并連接到服務器所在主機的特定端口；2. 向服務器發(fā)服務請求報文，等待并接收應答；繼續(xù)提出請求......3.   請求結束后關閉通信通道并終止。 從上面所描述過程可知：1.  客戶與服務器進程的作用是非對稱的，因此編碼不同。2.  服務進程一般是先于客戶請求而啟動的。只要系統(tǒng)運行，該服務進程一直存在，直到正?；驈?/p>

10、迫終止。,9,應用程序程序編程接口（套接字）,下一步看你是客戶還是服務器。 如果是服務器：在服務器主機上，應用進程執(zhí)行一個被動的打開，即服務器表明它已準備好接受連接，但并沒有真正建立連接。服務器通過調用以下三個操作來完成打開：,10,套接字類型,TCP/IP的socket提供下列三種類型套接字。（1）流式套接字（SOCK_STREAM）提供了一個面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務，數(shù)據(jù)無差錯、無重復地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內

11、設流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限；數(shù)據(jù)被看作是字節(jié)流，無長度限制。文件傳送協(xié)議（FTP）即使用流式套接字。 （2）數(shù)據(jù)報式套接字（SOCK_DGRAM）提供了一個無連接服務。數(shù)據(jù)包以獨立包形式被發(fā)送，不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復，并且接收順序混亂。網絡文件系統(tǒng)（NFS）使用數(shù)據(jù)報式套接字。 （3）原始式套接字（SOCK_RAW）該接口允許對較低層協(xié)議，如IP、ICMP直接訪問。常用于檢驗新的協(xié)議實現(xiàn)或訪問

12、現(xiàn)有服務中配置的新設備。,11,典型套接字調用過程舉例,如前所述，TCP/IP協(xié)議的應用一般采用客戶/服務器模式，因此在實際應用中，必須有客戶和服務器兩個進程，并且首先啟動服務器，其系統(tǒng)調用時序圖如下。面向連接的協(xié)議（如TCP）的套接字系統(tǒng)調用如下圖所示：服務器必須首先啟動，直到它執(zhí)行完accept()調用，進入等待狀態(tài)后，方能接收客戶請求。假如客戶在此前啟動，則connect()將返回出錯代碼，連接不成功。,見下圖,12,服務器方

13、 客戶方,13,Status of parent and child processes with respect to the socket,,,,,,,,14,典型套接字調用過程舉例,無連接協(xié)議的套接字調用如下圖所示： 無連接服務器也必須先啟動，否則客戶請求傳不到服務進程。無連接客戶不調用connect()。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，客戶與服務

14、器之間尚未建立完全相關，但各自通過socket()和bind()建立了半相關。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方除指定本地套接字號外，還需指定接收方套接字號，從而在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中動態(tài)地建立了全相關。,見下圖,15,,16,應用程序程序編程接口（套接字）,1.b i n d 操作:如其名字一樣，是將新創(chuàng)建的s o c k e t 與a d d r e s s 綁定。這是本地參與者（即服務器）的網絡地址。 注意，a d d r e s s 在因

15、特網協(xié)議中使用時是表示一個數(shù)據(jù)結構，其中包括服務器的I P 地址和T C P 端口號。端口號通常是一些眾所周知的、專門提供給服務的號嗎；例如，We b 服務器通常在端口8 0 上接受連接。,2.l i s t e n 操作:定義在指定的s o c k e t 上可以有多少個待處理的連接。,3.a c c e p t 操作:完成被動打開。它是一個阻塞的操作，在遠程參與者沒有建立起連接前，它不會返回任何參數(shù)，一旦連接成功，它將返回一個表示這

16、個新建連接的新的套接字，并且a d d r e s s 參數(shù)還包括了遠程參與者的地址。,注意，當a c c e p t 返回時，以前作為參數(shù)給定的原始套接字依然存在并依然對應于被動打開；在以后調用a c c e p t 時它仍作為參數(shù)。,17,應用程序程序編程接口（套接字）,在客戶機上，應用程序執(zhí)行主動打開；也就是，它通過調用如下的一個操作來表明它希望與誰通信：,該操作直至T C P 成功建立連接后才返回，此時應用程序就可以開始發(fā)送數(shù)

17、據(jù)。a d d r e s s 中包括了遠程參與者的地址。 實際上，客戶機通常只描述遠程參與者的地址，讓系統(tǒng)自動填寫本地信息。鑒于服務器通常在共知的端口監(jiān)聽消息，一般地，客戶機并不關心它自己用哪個端口；操作系統(tǒng)簡單地選一個未用端口即可。,18,應用程序程序編程接口（套接字）,一旦連接建立，應用進程將調用以下兩個操作來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)：,這個操作在指定的s o c k e t 上發(fā)送m e s s a g e,這個操作則是將從指定

18、的s o c k e t 上收到的消息放入指定的b u ff e r 。它們都使用一系列f l a g s 來控制操作的特定細節(jié)。,19,應用實例,現(xiàn)在，我們來看一個簡單的客戶機/服務器程序的實現(xiàn)，它用套接字接口在一個T C P 連接上發(fā)送消息。這個程序還用到了其他的U n i x 網絡功能，我們將逐個介紹。我們的應用允許用戶在一端的機器上輸入并把文本發(fā)送給另一端機器的用戶。它是U n i x 中t a l k 程序的一個簡化版本，類似

19、于We b 聊天室的核心程序。,20,應用實例,1.客戶端 我們先從客戶端開始，它用遠端的機器名作為參數(shù)。它調用U n i x 程序g e t h o s t b y n a m e 把該名字翻譯為遠端主機的I P 地址。 下一步是構造套接字接口所需的地址數(shù)據(jù)結構（s i n ）。 注意這個數(shù)據(jù)結構表明我們將一直用套接字與因特網連接（A F _ I N E T ）。 在以下例子中，我們用T C P

20、 端口號5 4 3 2 作為共知的服務器端口號；它恰好不是分配給其他因特網服務的端口號。 建立連接的最后一步是調用s o c k e t 和c o n n e c t 。一旦c o n n e c t 操作返回，建立起連接，客戶機程序將進入主循環(huán)，不斷從標準輸入讀取文本并通過套接字發(fā)送。,21,客戶端程序,22,應用實例,2. 服務器 服務器的實現(xiàn)也很簡單。首先，它填入自己的端口號（S E RV E R _

21、P O RT ）構造地址數(shù)據(jù)結構。 其次，它并不指明I P地址，從而使應用程序可以接受來自本地任一I P 地址的連接。 然后，服務器執(zhí)行與被動打開有關的初始步驟： 創(chuàng)建一個套接字，將它綁定到本地地址。 然后設置允許同時連接的最大數(shù)。 最后，主循環(huán)等待遠端主機與它連接，當遠端有一臺主機試圖與它連接時，它就接收并輸出連接上送來的字符。,23,服務器程序,24,協(xié)議實現(xiàn)的問題,應用程序與底層網絡交互

22、的方式類似于高層協(xié)議與低層協(xié)議交互的方式。例如，T C P 需要一個接口向I P 發(fā)送消息,同時也需要I P 能向T C P 傳送消息。這就是服務接口。 既然我們已經有了網絡的A P I （如套接字），或許我們可以在協(xié)議棧的每一對協(xié)議間使用同樣的接口。盡管這只是一種選擇，但在實際中我們并不這樣使用套接字接口。原因在于套接字接口在協(xié)議實現(xiàn)方面的低效是協(xié)議實現(xiàn)者所不能忍受的。應用編程人員之所以能忍受是因為它簡化了編程工作，而且畢竟

23、他對低效只需忍受一次就夠了，而協(xié)議實現(xiàn)者卻要常常被它們的性能所困擾，總擔心穿過幾層協(xié)議是否能得到一條消息。 本節(jié)的其余部分將討論網絡A P I 和位于協(xié)議圖下方的協(xié)議到協(xié)議接口的兩點主要不同。同時介紹協(xié)議實現(xiàn)常用到的庫例程。,25,協(xié)議實現(xiàn)的問題,1. 進程模型 大多數(shù)操作系統(tǒng)都提供一種抽象概念叫進程（p ro c e s s ），或叫線程（t h re a d ）。每個進程的運行很大程度上獨立于其他進程，操作系統(tǒng)負責

24、確保給所有當前的進程分配如地址空間和C P U 周期這樣的資源。 進程這一抽象概念使得在一臺機器上并發(fā)運行多個事件變得相當簡單；例如，每個用戶的應用程序可以在自己的進程中執(zhí)行，操作系統(tǒng)中的各種事件可以作為其他進程執(zhí)行。 操作系統(tǒng)將正在C P U 上運行的進程停止并啟動另一進程時，我們稱這一轉換為上下文切換（context switch ）。,26,協(xié)議實現(xiàn)的問題,在設計一個網絡子系統(tǒng)時，首先要回答的問題之一是，“進程在

25、哪兒？”基本上有兩種選擇，如圖所示。 第一種選擇，我們稱為進程/協(xié)議（p ro c e s s - p e r- p ro t o c o l ）模型，每個協(xié)議由一個獨立的進程實現(xiàn)。這就意味著當一條消息向協(xié)議棧的上方或下方移動時，它被從一個進程/協(xié)議傳送到另一個進程/協(xié)議，即實現(xiàn)協(xié)議i 的進程處理這個消息，然后把它傳給協(xié)議i -1 ，以此類推。一個進程/協(xié)議如何向下一個進程/協(xié)議傳遞消息依賴于主機操作系統(tǒng)提供的進程間通信的支持。

26、通常有一個簡單的機制把消息與進程排隊。然而，重要的一點是，協(xié)議圖的每一層都要求上下文切換，這是一個典型的耗時操作。,27,協(xié)議實現(xiàn)的問題,我們把另一種稱為進程/消息（p ro c e s s - p e r-me s s a g e ）模型，它把每個協(xié)議當做一段靜態(tài)編碼并把進程同消息聯(lián)系起來。也就是說，當網絡送來一條消息時，操作系統(tǒng)調度一個進程，使之負責消息在協(xié)議圖中向上移動。在每一層，調用實現(xiàn)該協(xié)議的過程，然后調用實現(xiàn)下一個協(xié)議的過程

27、，以此類推。對于輸出的消息，應用程序調用必要的過程，直到消息被送入網絡。在兩個方向中，協(xié)議圖都被一系列過程調用一遍。,28,協(xié)議實現(xiàn)的問題,結論： 雖然有時感覺進程/協(xié)議模型比較容易，即我在我的進程中實現(xiàn)我的協(xié)議，而你在你的進程中實現(xiàn)你的協(xié)議。 但由于一個簡單的原因，進程/消息模型通常更有效：即在大多數(shù)計算機上，過程調用的效率比上下文切換高一個數(shù)量級。 第一種模型要求每一層有一個上下文切換，而第二種模型只要求每一

28、層有一個進程調用。,29,協(xié)議實現(xiàn)的問題,大多數(shù)協(xié)議實現(xiàn)用d e l i v e r 操作代替r e c e i v e 操作。也就是低層協(xié)議做向上調用（u p c a l l ），它是一個向上調用協(xié)議棧的過程，將消息傳送到高層協(xié)議。圖顯示了兩個相鄰協(xié)議（本例中為T C P 和I P ）的接口。 一般情況下，消息向協(xié)議棧的下方移動調用一系列s e n d 操作，向協(xié)議圖上方移動則調用一系列d e l i v e r 操作。,代碼段

29、用下列操作：,其中：l l p 表示低層協(xié)議，其上的正在調用它的協(xié)議已被配置；h l p 表示正在調用協(xié)議之上配置的高層協(xié)議。注意，我們用P r o t o c o l 這一變量類型和變量l l p 和h l p 簡化了使用，它們隱藏了協(xié)議圖中如何配置協(xié)議、高層協(xié)議如何在低層協(xié)議上打開一個連接的細節(jié)。,30,協(xié)議實現(xiàn)的問題,2. 消息緩沖區(qū) 套接字接口的第二個低效之處在于當調用s e n d 時應用進程提供緩沖區(qū)，保存向外發(fā)送