Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Теперь клиент и сервер могут обмениваться данными с помощью примитивов SEND и RECEIVE. В простейшем случае каждая из сторон использует блокирующий примитив RECEIVE для перехода в режим ожидания сегмента, который передается другой стороной с помощью SEND. Когда сегмент прибывает, получатель разблокируется. Затем он может обработать полученный сегмент и отправить ответ. Такая схема прекрасно работает, пока обе стороны помнят, чья очередь передавать, а чья — принимать данные.

Обратите внимание, что на транспортном уровне даже простая однонаправленная пересылка данных сложнее, чем на сетевом. Каждый отправленный пакет будет в конце концов подтвержден. Пакеты с управляющими сегментами также подтверждаются, явно или неявно. Эти подтверждения управляются транспортными подсистемами при помощи протокола сетевого уровня и не видны пользователям транспортного уровня. Аналогично транспортные объекты занимаются проблемами таймеров и повторных передач. Все эти механизмы не видны пользователям транспортного уровня, для которых соединение представляется надежным битовым каналом. Биты поступают с одного конца канала и волшебным образом появляются на другом его конце в том же порядке. Эта способность скрывать сложность от пользователей свидетельствует о том, что многоуровневые протоколы являются довольно мощным инструментом.

Когда соединение больше не требуется, оно должно быть разорвано, чтобы освободить место в таблицах двух транспортных подсистем. Разъединение бывает симметричным и асимметричным. В асимметричном варианте одна из сторон может вызвать примитив DISCONNECT, в результате чего другая сторона получает управляющий сегмент DISCONNECTION REQUEST (запрос разъединения) и соединение разрывается.

В симметричном варианте каждое направление закрывается отдельно, независимо от другого. Когда одна сторона выполняет операцию DISCONNECT, это означает, что у нее больше нет данных для передачи, но при этом она все еще готова принимать данные от своего партнера. В этой схеме соединение разрывается, когда обе стороны выполняют операцию DISCONNECT.

Диаграмма состояний для установления и разрыва соединения показана на илл. 6.4. Каждый переход вызывается каким-то событием — операцией, выполненной локальным пользователем транспортной службы, или входящим пакетом. Для простоты мы будем считать, что каждый сегмент подтверждается отдельно. Мы также предполагаем, что используется модель симметричного разъединения, в которой клиент делает первый ход. Обратите внимание на простоту этого примера. Позднее, когда мы будем говорить о TCP, мы рассмотрим более реалистичные модели.

6.1.3. Сокеты Беркли

Теперь рассмотрим другой набор примитивов транспортного уровня — примитивы сокетов, используемые для протокола TCP. Впервые сокеты стали применяться в 1983 году в операционной системе Berkeley UNIX 4.2BSD. Очень скоро они приобрели популярность и сейчас широко используются для интернет-программирования в большинстве операционных систем, особенно UNIX; кроме того, существует специальный API, предназначенный для программирования сокетов в системе Windows — «winsock».

Илл. 6.4. Диаграмма состояний для простой схемы управления соединениями. Переходы, обозначенные курсивом, вызываются поступлением пакетов. Сплошными линиями показана последовательность состояний клиента. Пунктирными линиями показана последовательность состояний сервера

Примитивы сокетов перечислены на илл. 6.5. Модель сокетов во многом похожа на представленную выше, но обладает большей гибкостью и предоставляет больше возможностей. Сегменты, соответствующие этой модели, будут рассматриваться далее в этой главе.

Первые четыре примитива из списка выполняются серверами в указанной последовательности. Примитив SOCKET создает новый сокет и выделяет для него место в таблице транспортной подсистемы. Параметры вызова указывают используемый формат адресов, тип требуемой службы (например, надежный поток байтов) и протокол. В случае успеха SOCKET возвращает обычный файловый дескриптор, используемый при вызове следующих операций, подобно тому, как процедура OPEN работает для файла.

Примитив

Значение

SOCKET (СОКЕТ)

Создать новый сокет (гнездо связи)

BIND (СВЯЗАТЬ)

Связать локальный адрес с сокетом

LISTEN (ОЖИДАТЬ)

Объявить о желании принять соединение; указать размер очереди

ACCEPT (ПРИНЯТЬ)

Пассивно установить входящее соединение

CONNECT (СОЕДИНИТЬ)

Активно пытаться установить соединение

SEND (ОТПРАВИТЬ)

Отправить данные по соединению

RECEIVE (ПОЛУЧИТЬ)

Получить данные у соединения

CLOSE (ЗАКРЫТЬ)

Разорвать соединение

Илл. 6.5. Примитивы сокетов для TCP

У только что созданного сокета нет сетевых адресов. Они назначаются с помощью примитива BIND. После того как сервер привязывает адрес к сокету, с ним могут связаться удаленные клиенты. Вызов SOCKET не создает адрес напрямую, так как некоторые процессы придают своим адресам большое значение (например, они использовали один и тот же адрес годами, и он известен всем).

Далее идет вызов примитива LISTEN, который выделяет место для очереди входящих соединений на случай, если несколько клиентов попытаются соединиться одновременно. В отличие от аналогичного примитива в нашем первом примере, в модели сокетов LISTEN не является блокирующим вызовом.

Чтобы заблокировать ожидание входящих соединений, сервер выполняет примитив ACCEPT. Получив сегмент с запросом соединения, транспортная подсистема создает новый сокет с теми же свойствами, что и у исходного сокета, и возвращает для него файловый дескриптор. При этом сервер может разветвить процесс или поток, чтобы обработать соединение для нового сокета и вернуться к ожиданию следующего соединения для первоначального сокета. ACCEPT возвращает файловый дескриптор, который можно использовать для чтения и записи стандартным способом, как это делается в случае файлов.

Теперь посмотрим на этот процесс со стороны клиента. И здесь прежде всего должен быть создан сокет с помощью примитива SOCKET, но BIND в этом случае не требуется, так как используемый адрес не имеет значения для сервера. CONNECT блокирует вызывающего и инициирует активный процесс соединения. Когда этот процесс завершается (то есть когда соответствующий сегмент, отправленный сервером, получен), процесс клиента разблокируется, и соединение считается установленным. После этого обе стороны могут использовать SEND и RECIEVE для передачи и получения данных по полнодуплексному соединению. Могут также применяться стандартные UNIX-вызовы READ и WRITE, если нет нужды в использовании специальных свойств SEND и RECIEVE.

В модели сокетов используется симметричный разрыв соединения. Это происходит, когда обе стороны выполняют примитив CLOSE.

Получив широкое распространение, сокеты де-факто стали стандартом абстрагирования транспортных служб для приложений. Часто сокет-API используется вместе с протоколом TCP для предоставления службы, ориентированной на установление соединения, — надежного потока байтов (reliable byte stream); на деле это надежный битовый канал, о котором мы говорили выше. Этот API может сочетаться и с другими протоколами, но в любом случае результат должен быть одинаковым для пользователя.

Преимущество сокет-API состоит в том, что приложение может использовать его и для других транспортных служб. К примеру, с помощью сокетов можно реализовать службу без установления соединения. В этом случае CONNECT задает адрес удаленного узла, а SEND и RECEIVE отправляют и получают дейтаграммы. (Иногда используется расширенный набор вызовов, например примитивы SENDTO и RECEIVEFROM, позволяющие приложению не ограничиваться одним