Разработка приложений в среде Linux. Второе издание - Майкл Джонсон

133:  parentProcess(socks[0]);

134:

135:  /* закрытие дочернего процесса */

136:  wait(&status);

137:

138:  if (WEXITSTATUS(status))

139:   fprintf(stderr, "childfailedn");

140:

141:  return 0;

142: }

17.5. Сетевая обработка с помощью TCP/IP

Самое важное применение сокетов заключается в том, что они позволяют приложениям, работающим на основе различных механизмов, общаться друг с другом. Семейство протоколов TCP/IP [34] используется в Internet самым большим в мире числом компьютеров, объединенных в сеть. Система Linux предлагает полную устойчивую реализацию TCP/IP, которая позволяет действовать и как сервер, и как клиент TCP/IP.

Наиболее распространенной версией TCP/IP является версия 4 (IPv4). В данный момент для большинства операционных систем и продуктов сетевой инфраструктуры уже доступна версия 6 протокола TCP/IP (IPv6), однако IPv4 доминирует до сих пор. В данном разделе мы сосредоточимся на создании приложений для IPv4, но обратим внимание на отличия для приложений IPv6, а также для тех программ, которые должны поддерживать обе версии.

17.5.1. Упорядочение байтов

Сети TCP/IP, как правило, являются неоднородными; они включают в себя широкий ряд механизмов и архитектур. Одно из основных отличий между архитектурами связано со способом хранения чисел.

Машинные числа составляются из последовательности байтов. Например, целые числа в С обычно представляются 4 байтами (32 битами). Существует довольно много способов хранения этих четырех байтов в памяти компьютера. Архитектуры с обратным порядком байтов сохраняют старший (наиболее значимый) байт в наименьшем аппаратном адресе, остальные следуют в порядке от более значимого к менее значимому. Механизмы с прямым порядком байтов хранят многобайтовые значения в абсолютно противоположном порядке: наименее значимый байт отправляется в наименьший адрес памяти. В других механизмах байты сохраняются в различных порядках.

Так как многобайтовые значения являются частью протокола TCP/IP, то разработчики протоколов позаботились о едином стандарте способа передачи многобайтовых значений через сеть[126]. TCP/IP требует использования обратного порядка байтов для передачи протокольной информации и рекомендует также применять его к данным приложений (хотя попытки зафиксировать формат потока данных приложений не предпринимались)[127]. Упорядочение, которое применяется для многобайтовых значений, передаваемых через сеть, известно как сетевой порядок байтов.

Для преобразования порядка байтов хоста в сетевой порядок байтов используются четыре функции.

#include <netinet/in.h>

unsigned int htonl(unsigned int hostlong);

unsigned short htons(unsigned short hostshort);

unsigned int ntohl(unsigned int netlong);

unsigned short ntohs(unsigned short netshort);

Несмотря на то что прототип каждой из этих функций принимает значение без знака, все они отлично работают и для значений со знаком.

Первые две функции htonl() и htons() преобразуют длинные и короткие числа соответственно из порядка байтов хоста в сетевой порядок байтов. Последние две ntohl() и ntohs() выполняют обратные преобразования длинных и коротких чисел (из сетевого порядка в порядок хоста).

Хотя мы использовали термин длинный в описаниях, на самом деле, это неправильно. Обе функции htonl() и ntohl() принимают 32-битные значения, а не те, которые относятся к типу long. В прототипах обеих функций предполагалось, что они обрабатывают значения int, поскольку все платформы Linux в настоящее время используют 32-битные целые числа.

17.5.2. Адресация IPv4

Соединения IPv4 представляют собой кортеж из 4-х элементов (локальный хост, локальный порт, удаленный хост, удаленный порт). До установки соединения необходимо определить каждую его часть. Элементы локальный хост и удаленный хост являются IPv4-адресами. IPv4-адреса — это 32-битные (4-байтовые) числа, уникальные для всей установленной сети. Как правило, они записываются в виде aaa.bbb.ccc.ddd, где каждый элемент адреса является десятичным представлением одного из байтов адреса машины. Первое слева число в адресе соответствует самому значимому байту в адресе. Такой формат для IPv4-адресов известен как десятичное представление с разделителями-точками.

В связи с тем, что большинство компьютеров вынуждено поддерживать работу нескольких параллельных TCP/IP приложений, IP-номер не обеспечивает уникальную идентификацию для соединения на одной машине. Номера портов — это 16-битные числа, которые позволяют однозначно распознавать одну из сторон соединения на данном хосте. Объединение IPv4-адреса и номера порта обеспечивает идентификацию стороны соединения где-либо в пределах одной сети TCP/IP (например, Internet является единой TCP/IP сетью). Две конечные точки соединения образуют полное TCP-соединение, таким образом, две пары, состоящие из IP-номера и номера порта, однозначно определяют TCP/IP соединение в сети.

Распределение номеров портов для различных протоколов производится на основе раздела стандартов Internet, известного как официальные номера портов, который утверждается Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов Internet (Internet Assigned Numbers Authority, LANA)[128]. Общие протоколы Internet, такие как ftp, telnet и http, имеют свои номера портов. Большинство серверов предусматривают данные службы на присвоенных номерах, что позволяет их легко найти. Некоторые сервера запускаются на альтернативных номерах портов, как правило, для поддержки нескольких служб на одной машине[129]. Поскольку официальные номера портов не изменяются, система Linux просто находит соответствие между именами протоколов (обычно называемых службами) и номерами портов с помощью файла /etc/services.

Все номера портов попадают в диапазон от 0 до 65 535; в системе Linux они разделяются на два класса. Зарезервированные порты с номерами от 0 до 1 024 могут использоваться только процессами, работающими как root. Это позволяет клиентским программам иметь гарантию того, что программа, запущенная на сервере, не является троянским конем, активизированным каким-то пользователем[130].

IPv4-адреса хранятся в структуре struct sockaddr_in, которая определяется следующим образом.

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in {

 short int sin_family;        /* AF_INET */

 unsigned short int sin_port; /* номер порта */

 struct in_addr sin_addr;     /* IP-адрес */

}

Первым членом должен быть AF_INET, указывающий, что это IP-адрес. Следующий член — это номер порта в сетевом порядке байтов. Последний элемент — это IP-номер машины для данного TCP адреса. IP-номер, хранящийся в sin_addr, должен трактоваться как непрозрачный тип и не иметь возможности прямого доступа.

Если хотя бы одна из переменных sin_port или sin_addr заполнена байтами (обычно функцией memset()), то это указывает на условие "пренебречь". Серверные процессы, как правило, не беспокоятся о том, какой IP-адрес используется для локального соединения. Другими словами, они согласны принимать соединения с любым адресом, имеющимся на данной машине. Если в приложении требуется принимать соединения только на одном интерфейсе, то при этом нужно обязательно указать адрес. Такой адрес иногда называется неустановленным, поскольку он не представляет собой полное определение адреса соединения (для него требуется еще IP-адрес)[131].

17.5.3. Адресация IPv6

В IPv6 используется тот же самый кортеж (локальный хост, локальный порт, удаленный хост, удаленный порт), что и в IPv4, и одни и те же номера портов (16-битные значения).

IPv6-адреса локального и удаленного хостов являются 128-битными (16-байтовыми) числами вместо 32-битных чисел, которые использовались в IPv4. Применение таких больших адресов обеспечивает протоколы достаточным количеством адресов для будущего развития (можно без проблем предоставить уникальный адрес каждому атому в Млечном Пути). На первый взгляд, это может показаться избыточной тратой ресурсов. Однако сетевые архитектуры имеют склонность небрежно относиться к адресам и растрачивать огромное их число впустую, поэтому разработчики версии IPv6 предпочли перейти к 128-битным адресам сейчас, чем переживать о возможной необходимости изменять адреса в будущем.

Аналогом десятичного представления с разделителями-точками, которое используется в IPv4, для версии IPv6 является представление с разделителями-двоеточиями. Как подсказывает название, двоеточия отделяют каждую пару байтов в адресе (вместо точки, которая отделяет каждый отдельный байт). Из-за большой длины IPv6-адреса записываются в шестнадцатеричной (а не в десятичной) форме, что помогает уменьшить их длину. Ниже показано несколько примеров того, как выглядит IPv6-адрес в представлении с разделителями-двоеточиями[132].