Computer and Communication Systems (Lehrstuhl für Technische Informatik) Socket-Programmierung

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1 Computer and Communication Systems (Lehrstuhl für Technische Informatik) Socket-Programmierung [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 1

2 Überblick Allgemeine Grundlagen für die Socket-Programmierung Elementare TCP-Socket-Funktionen Elementare UDP-Socket-Funktionen [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 2

3 ALLGEMEINE GRUNDLAGEN FÜR DIE SOCKET-PROGRAMMIERUNG [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 3

4 Kommunikationsmodell Eine Netzwerkverbindung kann durch folgendes 5-Tupel charakterisiert werden: (Protokoll, lokaler Host, lokaler Prozess, fremder Host, fremder Prozess) Das verwendete Protokoll legt fest Format der Host-Adressen Identifikation der kommunizierende Prozesse TCP/IP-Protokollfamilie Internet-Adressen Portnummern [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 4

5 IP-Nummer Jeder Rechner im Internet hat eine eindeutige Nummer (IP-Nummer), unter der er für alle anderen Rechner im Internet erreichbar ist. Diese Nummer ist weltweit eindeutig. IPv4-Nummer (32 Bit) Besteht aus vier Zahlen (jeweils durch Punkt getrennt) Beispiel: Etwa 4 Milliarden Adressen wären möglich. Diverse Nummern, beispielsweise mit der Endung.0 und.255, sind für andere Zwecke vergeben. 4 Milliarden IP-Adressen sind aber nicht mehr ausreichend. Lösung: IPv6-Adressen (128 Bit lang) [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 5

6 Portnummern Manche Protokolle können gleichzeitig von mehreren Prozessen genutzt werden Zur Unterscheidung dieser Prozesse werden ganzzahlige 16-Bit Portnummern verwendet. Für bekannte Dienste werden bestimmte Portnummern von der IANA (Internet Assigned Number Authority) festgelegt. Portnummern sind in drei Kategorien eingeteilt: wohlbekannte Portnummern für Standardanwendungen (z.b. 21 für FTP, 80 für HTTP); können meist nur von Superuser- bzw. privilegierten Prozessen benutzt werden Registrierte Portnummern, die von der IANA nicht kontrolliert, aber registriert und gelistet werden (z.b. Ports für X Windows-Server) Dynamische oder private (kurzlebige) Portnummern. Werden vom System automatisch an Benutzerprozesse vergeben, die nicht auf eine bestimmte Portnummer angewiesen sind. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 6

7 Socket-Programmierung Ziel: Lernen, wie man eine Client/Server-Anwendung programmiert, die über Sockets kommuniziert. Unter Linux Socket-API Eingeführt in BSD4.1 UNIX, Sockets werden von Anwendungen erzeugt, verwendet und geschlossen. Client/Server-Paradigma Zwei Transportdienste werden über die Socket-API angesprochen: Unzuverlässige Paketübertragung (UDP) Zuverlässige Übertragung von Datenströmen (TCP) Socket Eine Schnittstelle auf einem Host, kontrolliert durch das Betriebssystem, über das ein Anwendungsprozess sowohl Daten an einen anderen Prozess senden als auch von einem anderen Prozess empfangen kann. Ein Socket ist eine Art Tür zum Computernetzwerk. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 7

8 ELEMENTARE TCP-SOCKET- FUNKTIONEN [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 8

9 Socket Socket-Programmierung mit TCP (1) Eine Tür zwischen dem Anwendungsprozess und dem Transportprotokoll (UDP oder TCP). Wichtigster TCP-Dienst (aus Sicht der Anwendung) Zuverlässiger Transport eines Byte-Stroms vom sendenden zum empfangenden Prozess: [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 9

10 Socket-Programmierung mit TCP (2) Client kontaktiert Server: Server-Prozess muss laufen. Server muss einen Socket angelegt haben, der Client-Anfragen entgegennimmt. Vorgehen im Client: Anlegen eines Client-TCP-Sockets. Angeben von IP-Adresse und Portnummer des Serverprozesses. Durch das Anlegen eines Client-TCP-Sockets wird eine TCP- Verbindung zum Serverprozess hergestellt. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 10

11 Socket-Programmierung mit TCP (3) Wenn der Serverprozess von einem Client kontaktiert wird, dann erzeugt er einen neuen Socket, um mit diesem Client zu kommunizieren. So kann der Server mit mehreren Clients kommunizieren. Portnummern der Clients werden verwendet, um die Verbindungen zu unterscheiden. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 11

12 Zusammenspiel der Sockets [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 12

13 Client/Server-Socket-Programmierung - TCP Server socket() bind() Client listen() socket() accept() Verbindungsaufbau connect() read() recv() write() send() write() send() read() recv() read() recv() close() close() [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 13

14 Includes socket Erzeugen eines Sockets #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> Funktion int socket(int domain, int type, int protocol); Argumente domain: Legt die zu benutzende Protokoll- bzw. Adressfamilie fest. typ: Legt den Typ (Stream-Socket, Datagramm-Socket etc.) fest. protocol: Wählt das zu benutzende Protokoll aus der mit den ersten beiden Parametern festgelegten Protokollfamilie aus. Wählt man 0, dann bestimmt der Kernel das Protokoll. Rückgabewert Socket-Deskriptor, ansonsten -1 (Fehler) [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 14

15 socket Nützliche Informationen Unter Linux befinden sich alle möglichen Angaben zu domain in der Datei /usr/include/bits/socket.h Für domain kann entweder die Konstante, die mit PF_ (Protokollfamilie) oder die mit AF_ (Adressfamilie) beginnt, angegeben werden. Zweiteilung historisch begründet. Gängige Adressfamilien AF_UNIX: UNIX Domain Sockets; wird gewöhnlich für lokale Interprozesskommunikation verwendet AF_INET: Internet IP-Protokoll Version 4 (IPv4) AF_INET6: Internet IP-Protokoll Version 6 (IPv6) AF_IRDA: IRDA-Sockets; beispielsweise via Infrarot AF_BLUETOOTH: Bluetooth-Sockets [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 15

16 Includes bind Adresse und Port zuweisen #include <sys/socket.h> Funktion int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len); Argumente socket: Gibt den Socketdeskriptor an. address: Adresse der entsprechenden Socket-Adresstruktur address_len: Größe der Adressstruktur Rückgabewert 0 bei Erfolg, -1 bei Fehler [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 16

17 bind - Hinweise bind ordnet einem Socket eine lokalen Protokolladresse zu Bei Internetprotokollen: IP-Adresse + Port Server binden beim Start deren bekannte Ports. Clients verzichten meist darauf Dann wählt der Kernel beim Aufruf von connect einen kurzlebigen Port aus. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 17

18 Socket-Adresstruktur (1) Die meisten Socket-Funktionen erwarten die Adresse einer Socket-Adressstruktur als Argument. Die unterschiedlichen Protokolle besitzen auch unterschiedliche Adressstrukturen. Socket-Adressstruktur für IPv4 struct sockaddr_in: Wird ausgefüllt und dann in einen struct sockaddr umgewandelt. Vor dem Ausfüllen sollte man immer alles mit 0 befüllen. Generische Adresstruktur struct sockaddr: Bei den Socket-Funktionen vorgesehen. Protokollspezifische Adressstruktur muss in diese Adressstruktur umgewandelt (cast) werden. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 18

19 Socket-Adresstruktur (2) Struct sockaddr_in (am zid-gpl): struct sockaddr_in { SOCKADDR_COMMON (sin_); in_port_t sin_port; /* Port number. */ struct in_addr sin_addr; /* Internet address. */ }; /* Pad to size of `struct sockaddr'. */ unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) - SOCKADDR_COMMON_SIZE - sizeof (in_port_t) - sizeof (struct in_addr)]; [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 19

20 listen Warten auf Verbindungsanforderungen Includes #include <sys/socket.h> Funktion int listen(int socket, int backlog); Argumente socket: Socketdeskriptor backlog: Maximal erlaubte Anzahl von anstehenden Verbindungswünschen Bei Erreichen des Maximums werden Verbindungswünsche abgelehnt. Rückgabewert 0 bei Erfolg, -1 bei Fehler [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 20

21 accept Akzeptieren von Verbindungen Includes #include <sys/socket.h> Funktion int accept(int socket, struct sockaddr *restrict address, socklen_t *restrict address_len); Argumente socket: Socketdeskriptor (horchendes Socket) address: Adresse, in die vom Systemkern die Adresse des Clients zu schreiben ist. address_len: Länge der übergebenen Adresstruktur (Aufruf) bzw. Anzahl der Bytes, die in die Struktur geschrieben wurden (Rückkehr). Rückgabewert Socketdeskriptor (verbundener Socket) oder -1 (Fehler) [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 21

22 accept - Hinweise accept ist eine blockierende Funktion. Das bedeutet, accept blockiert den aufrufenden (Server-)Prozess so lange, bis eine Verbindung vorhanden ist. Ändert man die Eigenschaften des Socket-Deskriptors auf nichtblockierend, gibt accept einen Fehler zurück, wenn beim Aufruf keine Verbindungen vorhanden sind. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 22

23 connect Aufbau der Verbindung (Client) Includes #include <sys/socket.h> Funktion int connect(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len); Argumente socket: Socketdeskriptor des zu verbindenden Sockets address: Zieladresse des Servers address_len: Länge der Adressstruktur address Rückgabewert 0 bei Erfolg, -1 bei Fehler [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 23

24 Network-Byte-Order Server und Client können unterschiedliche Architekturen haben Big-Endian <> Little-Endian Um aus einer lokal verwendeten Byte-Reihenfolge (Host Byte Order) eine Network-Byte-Order-Reihenfolge oder umgekehrt zu erstellen, stehen die folgenden vier Funktionen zur Verfügung: #include <netinet/in.h> unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong); unsigned short int htons(unsigned short int hostshort); unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong); unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort); [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 24

25 Include gethostbyname IP-Adresse ermitteln #include <netdb.h> Funktion struct hostent *gethostbyname(const char *name); Argument name: Name des Rechners (z.b. Rückgabewert Struktur vom Typ hostent oder NULL (Fehler): struct hostent { char * h_name; // Ofizieller Name des Rechners char ** h_aliases; // Array von Strings (Aliasnamen für diesen Rechner) short h_addrtype; // Adresstyp short h_length; // Länge der numerischen Adresse char ** h_addr_list; // Array von Zeigern auf die Adressen }; [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 25

26 Konvertieren von IPv4-Adressen Includes und Funktionen #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp); Konvertiert cp (IP-Adresse) von der punktierten Dezimaldarstellung in einen numerischen 32-Bitwert. inet_addr-funktion macht das auch! char *inet_ntoa(struct in_addr in); Konvertiert die numerische IP-Adresse in, in die punktierte Dezimaldarstellung. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 26

27 Include send Senden von Daten #include <sys/socket.h> Funktion ssize_t send(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags); Argumente socket: Socketdeskriptor (Socket zum Senden) buffer: Puffer mit Nachricht length: Länge des Nachricht flags: Für das Beeinflussen des Sendeverhaltens Bei 0 verhält sich send wie write Rückgabewert Anzahl der verschickten Bytes, -1 wenn Fehler [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 27

28 Include recv Empfangen von Daten #include <sys/socket.h> Funktion ssize_t recv(int socket, void *buffer, size_t length, int flags); Argumente socket: Socketdeskriptor (Socket zum Senden) buffer: Puffer für die Nachricht length: Länge des Nachricht flags: Für das Beeinflussen des Empfangverhaltens Bei 0 verhält sich recv wie read Rückgabewert Anzahl der gelesenen Bytes (auch 0), -1 wenn Fehler [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 28

29 Include close Schließen eines Sockets #include <unistd.h> Funktion int close(int fildes); Argument fildes: Filedeskriptor (Socket) Rückgabewert 0 bei Erfolg, -1 wenn Fehler [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 29

30 Einfacher TCP-Echo-Server Beispiel Man kann mit der Clientanwendung unter Angabe des Servers einen einfachen String via Kommandozeile senden. Der Server gibt diesen String mitsamt der Herkunft des Clients (IP-Adresse) und des Datums mit Uhrzeit auf die Standardausgabe aus. Code (siehe OLAT) Weitere Beispiele (Client-Server) Kapitel 25 Kapitel 11 [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 30

31 ELEMENTARE UDP-SOCKET- FUNKTIONEN [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 31

32 Socket-Programmierung mit UDP UDP: Keine Verbindung zwischen Client und Server. Kein Verbindungsaufbau! Sender hängt explizit die IP-Adresse und Portnummer des empfangenden Prozesses an jedes Paket an. Betriebssystem hängt die IP-Adresse und Portnummer des sendenden Prozesses an jedes Paket an. Server liest die IP-Adresse und die Portnummer des sendenden Prozesses explizit aus dem empfangenen Paket aus. UDP: Pakete können in falscher Reihenfolge empfangen werden oder ganz verloren gehen. Sicht der Anwendung UDP stellt einen unzuverlässigen Transport einer Gruppe von Bytes ( Paket ) zwischen Client und Server zur Verfügung. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 32

33 Client-Server-Socket-Programmierung mit UDP Server socket() bind() Client socket() recvfrom() sendto() sendto() recvfrom() close() [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 33

34 Senden und Empfangen von Daten (1) Für die Funktionen zum Senden und Empfangen von Datagrammen (UDP-Sockets) werden vorzugsweise sendto() und recvfrom() verwendet. Die Syntax unter Linux/UNIX lautet: #include <sys/socket.h> ssize_t sendto(int socket, const void *message, size_t length, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t dest_len); ssize_t recvfrom(int socket, void *restrict buffer, size_t length, int flags, struct sockaddr *restrict address, socklen_t *restrict address_len); [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 34

35 Senden und Empfangen von Daten (2) Die Bedeutung der einzelnen Parameter sowie des Rückgabewerts entspricht exakt der von den TCP- Gegenstücken send und recv. Zusätzlich gibt es am Ende zwei weitere Parameter. Mit dem fünften Parameter übergibt man einen Zeiger auf die Adresse des Zielrechners (bei sendto) bzw. einen Zeiger auf die Adresse des Absenders (bei recvfrom). Die Angaben entsprechen dabei dem Parameter address von der Funktion connect. Mit dem letzten Parameter beider Funktionen gibt man wieder die Größe der Struktur address an. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 35

36 Senden und Empfangen von Daten (3) Sollte man bei einer UDP-Verbindung die connect- Funktion verwenden, dann kann man auch die Funktionen send und revc verwenden. In diesem Fall werden die fehlenden Informationen zur Adresse automatisch ergänzt. [RN] Sommer 2012 Socket - Programmierung 36