Сети и сокеты

Для обмена информацией в компьютерных сетях придуманы стандартные протоколы (договорённости о том, кто когда что кому отправляет и что это значит).

TCP/IP

Стек протоколов Интернета, или стек TCP/IP, выглядит примерно так:

Уровень	Протоколы этого уровня
Прикладной (application)	HTTP, SSH, DNS, ...
Транспортный (transport)	TCP, UDP, SCTP, QUIC, ...
Межсетевой (inter-net)	IPv4, IPv6
Канальный (link)	Ethernet, Wi-Fi (IEEE 802.11), ...

Обычно мы используем набор протоколов разных уровней, чтобы решить свою прикладную задачу. Например, при загрузке веб-страницы http://wiki.cs.hse.ru/ будут как минимум использоваться HTTP, TCP, IPv4 и какие-то канальные протоколы.

Фрагмент данных с верхнего уровня стека заворачивается в “конверт” нижнего уровня (картинка из википедии на примере UDP):

Untitled

Данные доходят до адресата через цепочку промежуточных устройств, каждое из которых распаковывает и просматривает столько конвертов, сколько ему нужно и сколько оно умеет:

Untitled

Например, пока пакет не дошёл до хоста (компьютера) – адресата, никто* не смотрит на заголовки транспортного уровня. Благодаря этому поверх имеющейся инфраструктуры межсетевого уровня можно реализовывать новые способы обмена информацией.

Как правило, протоколы прикладного уровня реализованы в userspace (в программах и библиотеках), транспортного и межсетевого — в ядре ОС, а канальный уровень делят между собой ОС и аппаратура.

На межсетевом уровне появляется глобальная адресация: у каждого хоста в сети есть уникальный идентификатор — адрес. Адрес IPv4 — 4 байта, их записывают в десятичной системе: 92.242.58.220. Адрес IPv6 — 16 байт, их записывают в 16-ричной системе двухбайтовыми последовательностями через двоеточие: 2a02:6b8::2:242 (там, где два двоеточия подряд, подразумевается последовательность нулевых байт).

Статья 2003 года про сложности с переходом на IPv6

Протокол TCP представляет абстракцию “трубы с данными”, похожей на канал в Unix: гарантируется надёжная доставка данных в изначальной последовательности, не сохраняются границы между отдельными записями в канал. Протокол UDP представляет абстракцию “голубиной почты”: можно отправлять датаграммы — отдельные фрагменты данных известного размера, которые могут дойти до получателя в произвольном порядке, дойти несколько раз или не дойти вовсе.

TCP и UDP используют адрес межсетевого уровня и добавляют ещё 16 бит, которые называются «порт». Есть well-known порты, которые обычно используются для разных надобностей (см. /etc/services): например, сервер HTTP обычно использует порт 80.

ISO/OSI

Википедия

Семиуровневая модель, реализации которой не получили распространения, но уровни которой всё равно приходится знать:

Physical
Data Link
Network
Transport
Session
Presentation
Application

Ну и теперь собственно сокеты

POSIX даёт нам слой абстракции поверх протоколов транспортного уровня и ниже. Абстракция называется sockets (гнёзда). В userspace сокет виден как файловый дескриптор.

Создаём сокет (man 2 socket):

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

Параметр domain выбирает используемый протокол межсетевого уровня (ну примерно). Нам будут интересны три варианта:

Name         Purpose                                    Man page
AF_INET      IPv4 Internet protocols                    ip(7)
AF_INET6     IPv6 Internet protocols                    ipv6(7)
AF_UNIX      Local communication                        unix(7)

Сокеты бывают как минимум двух типов (параметр type): потоковые и датаграммные (ср. TCP и UDP). Для первых хорошо подходят стандартные операции read/write, для вторых не очень.

       SOCK_STREAM     Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based
                       byte  streams.

       SOCK_DGRAM      Supports datagrams (connectionless, unreliable messages
                       of a fixed maximum length).

protocol мы будем обычно указывать равным нулю, чтобы ОС выбрала за нас стандартный протокол нужного типа (TCP для AF_INET/SOCK_STREAM, UDP для AF_INET/SOCK_DGRAM), но можно и явно указать IPPROTO_TCP или IPPROTO_UDP.

Где бы взять адрес

Допустим, мы хотим соединиться с хостом ya.ru по протоколу HTTPS. Мы пока не знаем, есть ли у хоста адрес IPv6 или IPv4 и каковы эти адреса. Нам нужно обратиться к серверу DNS (Domain Name System) и спросить у него. Ещё неплохо бы посмотреть в /etc/services, какого типа сокет нам понадобится (stream или datagram) и какой использовать порт.

Для этого нам дана функция getaddrinfo:

       int getaddrinfo(const char *node, const char *service,
                       const struct addrinfo *hints,
                       struct addrinfo **res);

       void freeaddrinfo(struct addrinfo *res);

       const char *gai_strerror(int errcode);

       struct addrinfo {
               int              ai_flags;
               int              ai_family;
               int              ai_socktype;
               int              ai_protocol;
               socklen_t        ai_addrlen;
               struct sockaddr *ai_addr;
               char            *ai_canonname;
               struct addrinfo *ai_next;
       };

Попробуем распечатать адреса, которые она нам возвращает:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s NODE SERVICE\n", argv[0]);
        return 1;
    }   

    // perform address resolution
    struct addrinfo *res = NULL;
    int gai_err;
    struct addrinfo hints = {
        .ai_family = PF_UNSPEC,
        .ai_socktype = SOCK_STREAM,
        .ai_flags = 0,  // try AI_ALL to include IPv6 on non-v6-enabled systems
    };
    if ((gai_err = getaddrinfo(argv[1], argv[2], &hints, &res))) {
        fprintf(stderr, "gai error: %s\n", gai_strerror(gai_err));
        return 2;
    }

    // iterate over the resulting addresses
    for (struct addrinfo *ai = res; ai; ai = ai->ai_next) {
        struct protoent *proto = getprotobynumber(ai->ai_protocol);
        if (proto) {
            printf("ai_flags=%d, ai_family=%d, ai_socktype=%d, ai_protocol=%s\n",
                    ai->ai_flags, ai->ai_family, ai->ai_socktype, proto->p_name);
        }

        char host[1024], port[10];
        if ((gai_err = getnameinfo(
            ai->ai_addr, ai->ai_addrlen,
            host, sizeof(host), port, sizeof(port),
            NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV)))
        {
            fprintf(stderr, "getnameinfo error: %s\n", gai_strerror(gai_err));
            return 3;
        }

        printf("\taddress: %s, port: %s\n", host, port);
    }   
    freeaddrinfo(res);
}

Теперь у нас есть адреса, ~~по которым найдём сервиса́~~ и можно создавать сокеты подходящих типов и пробовать устанавливать соединения.

Потоковые сокеты

Есть две стороны: клиент (активная сторона) и сервер (пассивная сторона).

Клиент:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int create_connection(char* node, char* service) {
    struct addrinfo *res = NULL;
    int gai_err;
    struct addrinfo hint = {
        .ai_family = AF_UNSPEC,     // можно и AF_INET, и AF_INET6
        .ai_socktype = SOCK_STREAM, // но мы хотим поток (соединение)
    };
    if ((gai_err = getaddrinfo(node, service, &hint, &res))) {
        fprintf(stderr, "gai error: %s\n", gai_strerror(gai_err));
        return -1;
    }
    int sock = -1;
    for (struct addrinfo *ai = res; ai; ai = ai->ai_next) {
        sock = socket(ai->ai_family, ai->ai_socktype, 0);
        if (sock < 0) {
            perror("socket");
            continue;
        }
        if (connect(sock, ai->ai_addr, ai->ai_addrlen) < 0) {
            perror("connect");
            close(sock);
            sock = -1;
            continue;
        }
        break;
    }
    freeaddrinfo(res);
    return sock;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s NODE SERVICE\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    int sock = create_connection(argv[1], argv[2]);
    if (sock < 0) {
        return 1;
    }
    char buf[1024] = {0};
    if (read(sock, &buf, sizeof(buf) - 1) > 0) {
        printf("received message: %s\n", buf);
    }
    close(sock);
}

Сервер, принимающий одно соединение:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int create_listener(char* service) {
    struct addrinfo *res = NULL;
    int gai_err;
    struct addrinfo hint = {
        .ai_family = AF_INET6,
        .ai_socktype = SOCK_STREAM,
        .ai_flags = AI_PASSIVE,  // get addresses suitable for a server to bind to
    };
    if ((gai_err = getaddrinfo(NULL, service, &hint, &res))) {
        fprintf(stderr, "gai error: %s\n", gai_strerror(gai_err));
        return -1;
    }
    int sock = -1;
    for (struct addrinfo *ai = res; ai; ai = ai->ai_next) {
        // create socket of the suitable family (AF_INET or AF_INET6)
        sock = socket(ai->ai_family, ai->ai_socktype, 0);
        if (sock < 0) {
            perror("socket");
            continue;
        }

        // make port immediately reusable after we release it
        int one = 1;
        if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &one, sizeof(one))) {
            perror("setsockopt");
            goto err;
        }

        // try to bind and listen
        if (bind(sock, ai->ai_addr, ai->ai_addrlen) < 0) {
            perror("bind");
            goto err;
        }
        if (listen(sock, SOMAXCONN) < 0) {
            perror("listen");
            goto err;
        }
        break;
err:
        close(sock);
        sock = -1;
    }
    freeaddrinfo(res);
    return sock;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s SERVICE\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    int sock = create_listener(argv[1]);
    if (sock < 0) {
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in6 address;
    socklen_t addrlen = sizeof(address);
    int connection = accept(sock, (struct sockaddr *) &address, &addrlen);
    char buf[512] = {0};
    inet_ntop(address.sin6_family, &address.sin6_addr, buf, sizeof(buf));
    printf("accepted connection from %s\n", buf);

    char* msg = "hello world\n";
    write(connection, msg, strlen(msg));
    close(sock);
}

Датаграммные сокеты

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

Unix domain sockets

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int create_listener(const char* path) {
    struct sockaddr_un address = {.sun_family = AF_UNIX};
    if (strlen(path) >= sizeof(address.sun_path)) {
        fprintf(stderr, "pathname too long\n");
        exit(1);
    }
    strcpy(address.sun_path, path);

    int sock = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock < 0) {
        perror("socket");
        return sock;
    }

    // try to bind and listen
    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind");
        goto err;
    }
    if (listen(sock, SOMAXCONN) < 0) {
        perror("listen");
        goto err;
    }
    return sock;
err:
    close(sock);
    sock = -1;
    return sock;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s PATH\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    int sock = create_listener(argv[1]);
    if (sock < 0) {
        return 1;
    }

    struct sockaddr_un address;
    socklen_t addrlen = sizeof(address);
    int connection = accept(sock, (struct sockaddr *) &address, &addrlen);
    printf("addrlen is %d\n", addrlen);
    printf("client address is %s\n", address.sun_path + 1);

    char* msg = "hello world\n";
    write(connection, msg, strlen(msg));

    close(connection);
    close(sock);
    unlink(argv[1]);
}

Ещё об адресах

Структуры sockaddr_*

Сетевой порядок байт

HSE CAOS 2023