網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言

1、1,網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言,2,應(yīng)用程序程序編程接口（套接字）,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，要從由網(wǎng)絡(luò)輸出的接口開始。既然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是由軟件實(shí)現(xiàn)的（特別是協(xié)議棧中的高層協(xié)議），而且?guī)缀跛械挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)都將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)作為操作系統(tǒng)的一部分，因而我們說(shuō)“由網(wǎng)絡(luò)輸出的”接口時(shí)，通常指的是操作系統(tǒng)為它的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)提供的接口。這個(gè)接口叫做網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序編程接口（A P I ）。 雖然每個(gè)操作系統(tǒng)都可以自由地定義自己的A P I ，但隨著時(shí)間的推

2、移，有些A P I 已獲得了廣泛的支持；也就是說(shuō)，除了它們?cè)嫉南到y(tǒng)外，它們還被移植到操作系統(tǒng)中。,3,應(yīng)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(xué)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(diǎn)是使得應(yīng)用程序可以很簡(jiǎn)單地從一個(gè)操作系統(tǒng)移植到另一個(gè)操作系統(tǒng)。但是我們得記住一點(diǎn)，通常應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)許多部分相互作用，而不僅

3、僅與網(wǎng)絡(luò)相互作用。例如，讀寫文件，產(chǎn)生并行進(jìn)程和輸出圖形顯示。 每個(gè)協(xié)議提供了一系列服務(wù)（s e rv i c e ），A P I 則提供了特定操作系統(tǒng)中調(diào)用這些服務(wù)所用的語(yǔ)法（s y n t a x ）。然后，實(shí)現(xiàn)的作用是把A P I 定義的具體操作和對(duì)象映射到協(xié)議定義的抽象服務(wù)集上。,4,應(yīng)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(yīng)用進(jìn)程與網(wǎng)

4、絡(luò)的接入點(diǎn)。接口定義了各種操作，包括創(chuàng)建套接字、將套接字連到網(wǎng)上、通過(guò)套接字發(fā)送/接收消息，關(guān)閉套接字。為了簡(jiǎn)化討論，我們?cè)诖酥挥懻揟 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(shí)現(xiàn)： 該操作有三個(gè)參數(shù)是因?yàn)樘捉幼纸涌诒辉O(shè)計(jì)成通用的，定義支持任意的底層協(xié)議集。,,5,應(yīng)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(yǔ)義。 S O C K _ S T R E A M 說(shuō)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(wù)，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(shí)使用的標(biāo)識(shí)符。在套接字的其他操作中，它也將作為一個(gè)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(wǎng)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(wù)器模式,在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通信的兩個(gè)進(jìn)程間相互作用的主要模式是客戶/服務(wù)器模式（Client/Server model），即客戶向服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，提供相應(yīng)的服務(wù)。 客戶/服務(wù)器模式的建立基于以下兩點(diǎn)： 首先，建立網(wǎng)絡(luò)的起因是網(wǎng)絡(luò)中軟硬件資源、運(yùn)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(jī)提供服務(wù)，

7、資源較少的客戶請(qǐng)求服務(wù)這一非對(duì)等作用。 其次，網(wǎng)間進(jìn)程通信完全是異步的，相互通信的進(jìn)程間既不存在父子關(guān)系，又不共享內(nèi)存緩沖區(qū)，因此需要一種機(jī)制為希望通信的進(jìn)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(wù)器模式的TCP/IP。,,7,客戶/服務(wù)器模式,客戶/服務(wù)器模式在操作過(guò)程中采取的是主動(dòng)請(qǐng)求方式： 首先服務(wù)器方要先啟動(dòng)，并根據(jù)請(qǐng)求提供相應(yīng)服務(wù)：1.打開一通信通道并告知本地主機(jī)，它愿意在某一公認(rèn)地址上（周知

8、口，如FTP為21）接收客戶請(qǐng)求；2.等待客戶請(qǐng)求到達(dá)該端口；3.接收到重復(fù)服務(wù)請(qǐng)求，處理該請(qǐng)求并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。接收到并發(fā)服務(wù)請(qǐng)求，要激活一新進(jìn)程來(lái)處理這個(gè)客戶請(qǐng)求（如UNIX系統(tǒng)中用fork、exec）。新進(jìn)程處理此客戶請(qǐng)求，并不需要對(duì)其它請(qǐng)求作出應(yīng)答。服務(wù)完成后，關(guān)閉此新進(jìn)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(qǐng)求。5. 關(guān)閉服務(wù)器,8,客戶/服務(wù)器模式,客戶方：1. &#

9、160;打開一通信通道，并連接到服務(wù)器所在主機(jī)的特定端口；2. 向服務(wù)器發(fā)服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文，等待并接收應(yīng)答；繼續(xù)提出請(qǐng)求......3.   請(qǐng)求結(jié)束后關(guān)閉通信通道并終止。 從上面所描述過(guò)程可知：1.  客戶與服務(wù)器進(jìn)程的作用是非對(duì)稱的，因此編碼不同。2.  服務(wù)進(jìn)程一般是先于客戶請(qǐng)求而啟動(dòng)的。只要系統(tǒng)運(yùn)行，該服務(wù)進(jìn)程一直存在，直到正?；驈?qiáng)

10、迫終止。,9,應(yīng)用程序程序編程接口（套接字）,下一步看你是客戶還是服務(wù)器。 如果是服務(wù)器：在服務(wù)器主機(jī)上，應(yīng)用進(jìn)程執(zhí)行一個(gè)被動(dòng)的打開，即服務(wù)器表明它已準(zhǔn)備好接受連接，但并沒(méi)有真正建立連接。服務(wù)器通過(guò)調(diào)用以下三個(gè)操作來(lái)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(gè)面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù)地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內(nèi)

11、設(shè)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(wú)長(zhǎng)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(bào)式套接字（SOCK_DGRAM）提供了一個(gè)無(wú)連接服務(wù)。數(shù)據(jù)包以獨(dú)立包形式被發(fā)送，不提供無(wú)錯(cuò)保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接收順序混亂。網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）使用數(shù)據(jù)報(bào)式套接字。 （3）原始式套接字（SOCK_RAW）該接口允許對(duì)較低層協(xié)議，如IP、ICMP直接訪問(wèn)。常用于檢驗(yàn)新的協(xié)議實(shí)現(xiàn)或訪問(wèn)

12、現(xiàn)有服務(wù)中配置的新設(shè)備。,11,典型套接字調(diào)用過(guò)程舉例,如前所述，TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用一般采用客戶/服務(wù)器模式，因此在實(shí)際應(yīng)用中，必須有客戶和服務(wù)器兩個(gè)進(jìn)程，并且首先啟動(dòng)服務(wù)器，其系統(tǒng)調(diào)用時(shí)序圖如下。面向連接的協(xié)議（如TCP）的套接字系統(tǒng)調(diào)用如下圖所示：服務(wù)器必須首先啟動(dòng)，直到它執(zhí)行完accept()調(diào)用，進(jìn)入等待狀態(tài)后，方能接收客戶請(qǐng)求。假如客戶在此前啟動(dòng)，則connect()將返回出錯(cuò)代碼，連接不成功。,見(jiàn)下圖,12,服務(wù)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(diào)用過(guò)程舉例,無(wú)連接協(xié)議的套接字調(diào)用如下圖所示： 無(wú)連接服務(wù)器也必須先啟動(dòng)，否則客戶請(qǐng)求傳不到服務(wù)進(jìn)程。無(wú)連接客戶不調(diào)用connect()。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，客戶與服務(wù)

14、器之間尚未建立完全相關(guān)，但各自通過(guò)socket()和bind()建立了半相關(guān)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送方除指定本地套接字號(hào)外，還需指定接收方套接字號(hào)，從而在數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中動(dòng)態(tài)地建立了全相關(guān)。,見(jiàn)下圖,15,,16,應(yīng)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(wù)器）的網(wǎng)絡(luò)地址。 注意，a d d r e s s 在因

15、特網(wǎng)協(xié)議中使用時(shí)是表示一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包括服務(wù)器的I P 地址和T C P 端口號(hào)。端口號(hào)通常是一些眾所周知的、專門提供給服務(wù)的號(hào)嗎；例如，We b 服務(wù)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(gè)待處理的連接。,3.a c c e p t 操作:完成被動(dòng)打開。它是一個(gè)阻塞的操作，在遠(yuǎn)程參與者沒(méi)有建立起連接前，它不會(huì)返回任何參數(shù)，一旦連接成功，它將返回一個(gè)表示這

16、個(gè)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(yuǎn)程參與者的地址。,注意，當(dāng)a c c e p t 返回時(shí)，以前作為參數(shù)給定的原始套接字依然存在并依然對(duì)應(yīng)于被動(dòng)打開；在以后調(diào)用a c c e p t 時(shí)它仍作為參數(shù)。,17,應(yīng)用程序程序編程接口（套接字）,在客戶機(jī)上，應(yīng)用程序執(zhí)行主動(dòng)打開；也就是，它通過(guò)調(diào)用如下的一個(gè)操作來(lái)表明它希望與誰(shuí)通信：,該操作直至T C P 成功建立連接后才返回，此時(shí)應(yīng)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(yuǎn)程參與者的地址。 實(shí)際上，客戶機(jī)通常只描述遠(yuǎn)程參與者的地址，讓系統(tǒng)自動(dòng)填寫本地信息。鑒于服務(wù)器通常在共知的端口監(jiān)聽消息，一般地，客戶機(jī)并不關(guān)心它自己用哪個(gè)端口；操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單地選一個(gè)未用端口即可。,18,應(yīng)用程序程序編程接口（套接字）,一旦連接建立，應(yīng)用進(jìn)程將調(diào)用以下兩個(gè)操作來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)：,這個(gè)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(gè)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(lái)控制操作的特定細(xì)節(jié)。,19,應(yīng)用實(shí)例,現(xiàn)在，我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的客戶機(jī)/服務(wù)器程序的實(shí)現(xiàn)，它用套接字接口在一個(gè)T C P 連接上發(fā)送消息。這個(gè)程序還用到了其他的U n i x 網(wǎng)絡(luò)功能，我們將逐個(gè)介紹。我們的應(yīng)用允許用戶在一端的機(jī)器上輸入并把文本發(fā)送給另一端機(jī)器的用戶。它是U n i x 中t a l k 程序的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，類似

19、于We b 聊天室的核心程序。,20,應(yīng)用實(shí)例,1.客戶端 我們先從客戶端開始，它用遠(yuǎn)端的機(jī)器名作為參數(shù)。它調(diào)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(yuǎn)端主機(jī)的I P 地址。 下一步是構(gòu)造套接字接口所需的地址數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（s i n ）。 注意這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表明我們將一直用套接字與因特網(wǎng)連接（A F _ I N E T ）。 在以下例子中，我們用T C P

20、 端口號(hào)5 4 3 2 作為共知的服務(wù)器端口號(hào)；它恰好不是分配給其他因特網(wǎng)服務(wù)的端口號(hào)。 建立連接的最后一步是調(diào)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(jī)程序?qū)⑦M(jìn)入主循環(huán)，不斷從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取文本并通過(guò)套接字發(fā)送。,21,客戶端程序,22,應(yīng)用實(shí)例,2. 服務(wù)器 服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單。首先，它填入自己的端口號(hào)（S E RV E R _

21、P O RT ）構(gòu)造地址數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 其次，它并不指明I P地址，從而使應(yīng)用程序可以接受來(lái)自本地任一I P 地址的連接。 然后，服務(wù)器執(zhí)行與被動(dòng)打開有關(guān)的初始步驟： 創(chuàng)建一個(gè)套接字，將它綁定到本地地址。 然后設(shè)置允許同時(shí)連接的最大數(shù)。 最后，主循環(huán)等待遠(yuǎn)端主機(jī)與它連接，當(dāng)遠(yuǎn)端有一臺(tái)主機(jī)試圖與它連接時(shí)，它就接收并輸出連接上送來(lái)的字符。,23,服務(wù)器程序,24,協(xié)議實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,應(yīng)用程序與底層網(wǎng)絡(luò)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(gè)接口向I P 發(fā)送消息,同時(shí)也需要I P 能向T C P 傳送消息。這就是服務(wù)接口。 既然我們已經(jīng)有了網(wǎng)絡(luò)的A P I （如套接字），或許我們可以在協(xié)議棧的每一對(duì)協(xié)議間使用同樣的接口。盡管這只是一種選擇，但在實(shí)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(shí)現(xiàn)方面的低效是協(xié)議實(shí)現(xiàn)者所不能忍受的。應(yīng)用編程人員之所以能忍受是因?yàn)樗?jiǎn)化了編程工作，而且畢竟

23、他對(duì)低效只需忍受一次就夠了，而協(xié)議實(shí)現(xiàn)者卻要常常被它們的性能所困擾，總擔(dān)心穿過(guò)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(wǎng)絡(luò)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(diǎn)主要不同。同時(shí)介紹協(xié)議實(shí)現(xiàn)常用到的庫(kù)例程。,25,協(xié)議實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,1. 進(jìn)程模型 大多數(shù)操作系統(tǒng)都提供一種抽象概念叫進(jìn)程（p ro c e s s ），或叫線程（t h re a d ）。每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行很大程度上獨(dú)立于其他進(jìn)程，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)

24、確保給所有當(dāng)前的進(jìn)程分配如地址空間和C P U 周期這樣的資源。 進(jìn)程這一抽象概念使得在一臺(tái)機(jī)器上并發(fā)運(yùn)行多個(gè)事件變得相當(dāng)簡(jiǎn)單；例如，每個(gè)用戶的應(yīng)用程序可以在自己的進(jìn)程中執(zhí)行，操作系統(tǒng)中的各種事件可以作為其他進(jìn)程執(zhí)行。 操作系統(tǒng)將正在C P U 上運(yùn)行的進(jìn)程停止并啟動(dòng)另一進(jìn)程時(shí)，我們稱這一轉(zhuǎn)換為上下文切換（context switch ）。,26,協(xié)議實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,在設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)時(shí)，首先要回答的問(wèn)題之一是，“進(jìn)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(jìn)程/協(xié)議（p ro c e s s - p e r- p ro t o c o l ）模型，每個(gè)協(xié)議由一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。這就意味著當(dāng)一條消息向協(xié)議棧的上方或下方移動(dòng)時(shí)，它被從一個(gè)進(jìn)程/協(xié)議傳送到另一個(gè)進(jìn)程/協(xié)議，即實(shí)現(xiàn)協(xié)議i 的進(jìn)程處理這個(gè)消息，然后把它傳給協(xié)議i -1 ，以此類推。一個(gè)進(jìn)程/協(xié)議如何向下一個(gè)進(jìn)程/協(xié)議傳遞消息依賴于主機(jī)操作系統(tǒng)提供的進(jìn)程間通信的支持。

26、通常有一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)制把消息與進(jìn)程排隊(duì)。然而，重要的一點(diǎn)是，協(xié)議圖的每一層都要求上下文切換，這是一個(gè)典型的耗時(shí)操作。,27,協(xié)議實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,我們把另一種稱為進(jìn)程/消息（p ro c e s s - p e r-me s s a g e ）模型，它把每個(gè)協(xié)議當(dāng)做一段靜態(tài)編碼并把進(jìn)程同消息聯(lián)系起來(lái)。也就是說(shuō)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)送來(lái)一條消息時(shí)，操作系統(tǒng)調(diào)度一個(gè)進(jìn)程，使之負(fù)責(zé)消息在協(xié)議圖中向上移動(dòng)。在每一層，調(diào)用實(shí)現(xiàn)該協(xié)議的過(guò)程，然后調(diào)用實(shí)現(xiàn)下一個(gè)協(xié)議的過(guò)程

27、，以此類推。對(duì)于輸出的消息，應(yīng)用程序調(diào)用必要的過(guò)程，直到消息被送入網(wǎng)絡(luò)。在兩個(gè)方向中，協(xié)議圖都被一系列過(guò)程調(diào)用一遍。,28,協(xié)議實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,結(jié)論： 雖然有時(shí)感覺(jué)進(jìn)程/協(xié)議模型比較容易，即我在我的進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)我的協(xié)議，而你在你的進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)你的協(xié)議。 但由于一個(gè)簡(jiǎn)單的原因，進(jìn)程/消息模型通常更有效：即在大多數(shù)計(jì)算機(jī)上，過(guò)程調(diào)用的效率比上下文切換高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 第一種模型要求每一層有一個(gè)上下文切換，而第二種模型只要求每一

28、層有一個(gè)進(jìn)程調(diào)用。,29,協(xié)議實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,大多數(shù)協(xié)議實(shí)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(diào)用（u p c a l l ），它是一個(gè)向上調(diào)用協(xié)議棧的過(guò)程，將消息傳送到高層協(xié)議。圖顯示了兩個(gè)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(dòng)調(diào)用一系列s e n d 操作，向協(xié)議圖上方移動(dòng)則調(diào)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(diào)用它的協(xié)議已被配置；h l p 表示正在調(diào)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(jiǎn)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(gè)連接的細(xì)節(jié)。,30,協(xié)議實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,2. 消息緩沖區(qū) 套接字接口的第二個(gè)低效之處在于當(dāng)調(diào)用s e n d 時(shí)應(yīng)用進(jìn)程提供緩沖區(qū)，保存向外發(fā)送