分布式系统 – 套接字通信

套接字通讯：Socket Communication，直接通讯

1. 客户端和服务器：

• 一个分布式系统可以被泛用的建模为客户端和服务器端。
• 客户端和服务器端通常位于不同的设备上，通过消息传输来交互。
• 为提供服务，服务器必须得到传输层地址 – 位置是良定义的。（方法：监听端口号）

2. 传输地址：

• 服务器需要传输地址，客户端才能和其沟通：
  • IP address 可以辨识机器
  • 传输层使用端口号来辨识进程
    • machine address -> building address
    • transport address -> apartment number
• 客户端包含地址通过：
  • 硬编码
  • 数据库（/etc/services, directory server）

3. 传输层协议：

• 传输层支持在进程之间沟通
• 两种协议：
  • 面向连接的
  • 无连接协议

4. 面向连接协议：

过程：

1. 建立连接
2. 协商（negotiate）协议
3. 交换数据
4. 中断（terminate）连接

虚拟电路（stream）服务

1. 提供专用（dedicated）电路的错觉（illusion）
2. 消息到达顺序的保证
3. 应用消息使用连接ID，而不是地址。

5. 无连接协议：

过程：

• 没有呼叫的启动
• 发送/接收信息（每个包都被标址了）
• 不终止

数据报服务：

• 终端不确定消息被接收
• 服务器和客户端不维护状态
• 相较于虚电路服务更廉价但是不可靠

6. 套接字（Sockets）：传输层交流

对传输层沟通的流行抽象：有伯克利在1982年开发的

目标：

• 在进程之间的交流不应该取决于是否在同一台设备上：统一所以的数据交换为文件访问
• 应用可以选择某种方式来交流：虚电路、数据报、基于消息的、有序传送
• 支持多种协议和命名惯例。

7. 编码操作：

7.1 客户端：

1. 创建套接字
2. 构造服务器地址
3. 连接服务器地址
4. 沟通
5. 关闭连接

7.2 服务端：

1. 创建套接字
2. 绑定套接字到地址上
3. 设置端口为监听模式
4. 接收连接
5. 通信
6. 关闭连接

7.3 操作：

• socket
• bind
• listen, accept, connect
• read/write, send/recv, sento/recvfrom, sendmsg/recvmsg
• close/shutdown

7.3.1 详情：

• 创建套接字
  • 是系统调用
    • int s = socket(domain, type, protocol)
  • 参数：
    • domain 标识地址组
      • AF_INET: IPC on the Internet
      • AF_UNIX: IPC within a computer
      • AF_NS: IPC on Xeroxs Network Systems
    • type 应用需要服务类型
      • SOCK_STREAM 虚电路
      • SOCK_DGRAM 数据报
      • SOCK_RAW 原始IP访问
    • protocol 声明协议，为支持用户自定义的协议，默认值为0
  • 返回：
    • 返回 socket 的文件描述符代号
• 绑定 socket 到地址：
  • bind system call:
    • int error = bind(s,addr,addrlen);
  • 参数：
    • s: 端口号的描述符
    • addr： 地址的结构体（struct sockaddr *）
    • addrlen: 地址结构体的长度
  • 返回：
    • 错误代码
  • 用例：
    • 绑定文件名到 UNIX 套接字上：
      • 
      • 
    • 绑定网络地址：
      • 
      • 
• 服务器：设置套接字来监听：
  • listen system call
    • int error = listen(s, backlog);
  • 参数：
    • s： socket的文件描述符
    • backlog：待定连接的队列长度
  • 返回：
    • 错误码
• 服务器：接收连接
  • accept system call
    • int snew = accept(s, clntaddr, addrlen);
  • 参数：
    • s：套接字文件描述符
    • clntaddr：包含客户端 id 的 sockaddr 结构体指针
    • addrlen：包含客户端地址结构体长度的int的指针
  • 返回：
    • 一个新的套接字用来本次沟通会话
• 客户端：连接
  • connect system call：
    • int error = connect(s, svraddr, addrlen);
  • 参数：
    • s：连接的文件描述符
    • svraddr：包含服务器地址的sockaddr结构体指针
    • addrlen：服务器地址结构体长度
  • 返回值：
    • 错误码
• 交换数据和关闭套接字：
  • 通过套接字交换数据和文件访问一样
    • read(s,buf,length);
    • write(s,buf,length);
  • 关闭套接字于：
    • 系统调用：
      • close(s);
      • 或者：shutdown(int s, int how);
    • 参数：
      • s： 套接字描述符
      • how：
        • 0：进一步接收不允许
        • 1：进一步发送不允许
        • 2：进一步发送和接收都不允许

7.3.2 服务端和客户端的同步：

7.3.3 套接字操作的数据结构和实现：

数据结构：

• Client only sends data to {machine,port};
• 如何跟踪对同一服务器进程的同时会话
• 系统维护一个叫做 Protocol Control Block 的结构：每个 PCB 条目包含：
  • 本地地址
  • 本地端口
  • 远程地址
  • 远程端口
  • 套接字监听标记
  • 对套接字文件描述符的引用

实现：

• socket()
  • 作用：在 PCB 表中申请新的空条目
  • 
• bind()
  • 作用：给本地地址和端口赋值
  • 
• listen()
  • 作用：设置 socket 接收连接
  • 
• connect()
  • 作用：发送连接请求给服务器
  • 
• accept()
  • 作用：发送确认给客户端
  • 
• 通过套接字的消息交换：
  • 每条来自客户端的消息被标记为 data 或者 control mesg(connect)
  • 如果是 data，搜索 PCB 表中目的地址和目的端口符合收到的消息并且 listen 没有被设置的
  • 如果是 control，搜索表中本地端口符合目的端口并且listen被设置的

7.3.4 数据报套接字：

操作：

create，bind，close，同样的流操作，但是不监听、接收和连接

定义：

• sendto/recvfrom
  • int sendto(int s, void *msg, int len, int flags, struct sockaddr *to,int tolen);
  • int recvfrom(int s, void *buf, int len, int flags, struct sock);
• sendmsg/recvmsg
  • int sendmsg(int s,struct msghdr *msg, int flags);
  • int recvmsg(int s,struct msghdr *msg, int flags);