UNIX: разработка сетевых приложений

1. Символьные сокеты позволяют читать и записывать пакеты ICMPv4, IGMPv4 и ICMPv6. Например, программа ping посылает эхо-запросы ICMP и получает эхо-ответы ICMP. (Наша оригинальная версия программы ping приведена в разделе 28.5.) Демон маршрутизации многоадресной передачи mrouted посылает и получает пакеты IGMPv4.

2. Эта возможность также позволяет реализовывать как пользовательские процессы те приложения, которые построены с использованием протоколов ICMP и IGMP, вместо того чтобы помещать большее количество кода в ядро. Например, подобным образом построен демон обнаружения маршрутов ( in.rdisc в системе Solaris 2.x. В приложении F книги [111] рассказывается, как можно получить исходный код открытой версии). Этот демон обрабатывает два типа сообщений ICMP, о которых ядро ничего не знает (извещение маршрутизатора и запрос маршрутизатору).

С помощью символьных сокетов процесс может читать и записывать IPv4-дейтаграммы с полем протокола IPv4, которое не обрабатывается ядром. Посмотрите еще раз на 8-разрядное поле протокола IPv4, изображенное на рис. А.1. Большинство ядер обрабатывают дейтаграммы, содержащие значения поля протокола 1 (ICMP), 2 (IGMP), 6 (TCP) и 17 (UDP). Но для этого поля определено гораздо большее количество значений, полный список которых приведен в реестре IANA «Номера протоколов» (Protocol Numbers). Например, протокол маршрутизации OSPF не использует протоколы TCP или UDP, а работает напрямую с протоколом IP, устанавливая в поле протокола значение 89 для IP-дейтаграмм. Программа gated, реализующая OSPF, должна использовать для чтения и записи таких IP-дейтаграмм символьный сокет, поскольку они содержат значение поля протокола, о котором ничего не известно ядру. Эта возможность также переносится в версию IPv6.

3. С помощью символьных сокетов процесс может построить собственный заголовок IPv4 при помощи параметра сокета IP_HDRINCL. Такую возможность имеет смысл использовать, например, для построения собственного пакета UDP или TCP. Подобный пример приведен в разделе 29.7.

В данной главе описывается создание символьных сокетов, а также операции ввода и вывода с этими сокетами. Далее приводятся версии программ ping и traceroute, работающие как с версией IPv4, так и с версией IPv6.

28.2. Создание символьных сокетов

При создании символьных сокетов выполняются следующие шаги:

1. Символьный сокет создается функцией socket со вторым аргументом SOCK_RAW. Третий аргумент (протокол) обычно ненулевой. Например, для создания символьного сокета IPv4 следует написать:

 int sockfd;
 sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol);

где protocol— одна из констант IPPROTO_xxx, определенных в подключенном заголовочном файле <netinet/in.h>, например IPPROTO_ICMP.

Только привилегированный пользователь может создать символьный сокет. Такой подход предотвращает отправку IP-дейтаграмм в сеть обычными пользователями.

2. Параметр сокета IP_HDRINCL может быть установлен следующим образом:

 const int on = 1;
 if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &on, sizeof(on)) < 0)
   обработка ошибки

В следующем разделе описывается действие этого параметра.

3. На символьном сокете можно вызвать функцию bind, но это делается редко. Эта функция устанавливает только локальный адрес: на символьном сокете нет понятия порта. Что касается вывода, вызов функции bind устанавливает IP-адрес отправителя, который будет использоваться для дейтаграмм, отправляемых на символьном сокете (только если не установлен параметр сокета IP_HDRINCL). Если функция bind не вызывается, ядро использует в качестве IP-адреса отправителя основной IP-адрес исходящего интерфейса.

4. На символьном сокете можно вызвать функцию connect, но это делается редко. Эта функция устанавливает только внешний адрес, так как на символьном сокете нет понятия порта. О выводе можно сказать, что вызов функции connect позволяет нам вызвать функцию write или send вместо sendto, поскольку IP-адрес получателя уже определен.

28.3. Вывод на символьном сокете

Вывод на символьном сокете регулируется следующими правилами:

1. Стандартный вывод выполняется путем вызова функции sendto или sendmsg и определения IP-адреса получателя. Функции write, writev и send также можно использовать, если сокет был присоединен.

2. Если не установлен параметр сокета IP_HDRINCL, то начальный адрес данных, предназначенных для записи ядром, указывает на первый байт, следующий за IP-заголовком, поскольку ядро будет строить IP-заголовок и добавлять его к началу данных из процесса. Ядро устанавливает поле протокола создаваемого заголовка IPv4 равным значению третьего аргумента функции socket.

3. Если параметр сокета IP_HDRINCL установлен, то начальный адрес данных, предназначенных для записи ядром, указывает на первый байт IP-заголовка. Размер данных для записи должен включать размер IP-заголовка вызывающего процесса. Процесс полностью формирует IP-заголовок, за исключением того, что, во-первых, значение поля идентификации IPv4 может быть нулевым (что указывает ядру на необходимость самостоятельно установить это значение), во-вторых, ядро всегда вычисляет и сохраняет контрольную сумму заголовка IPv4, в-третьих, включает или не включает параметры IP (см. раздел 27.2).

4. Ядро фрагментирует символьные пакеты, превышающие значение MTU исходящего интерфейса.

ПРИМЕЧАНИЕ

Согласно документации, символьные сокеты должны предоставлять протоколу такой же интерфейс, как если бы он был реализован в ядре [74]. К сожалению, это означает, что некоторые части интерфейса зависят от ядра операционной системы. В частности, это относится к порядку байтов полей заголовка IP. В Беркли-ядрах все поля имеют порядок байтов сети, за исключением полей ip_len и ip_off, имеющих порядок байтов узла [128, с. 233, с. 1057]. В системах Linux и OpenBSD все поля имеют порядок байтов сети.

Параметр сокета IP_HDRINCL впервые был представлен в системе 4.3BSD Reno. До этого приложение имело единственную возможность определить свой собственный IP- заголовок в пакетах, отсылаемых на символьный сокет, — использовать заплату ядра (kernel patch), которая была представлена в 1988 году Ван Якобсоном (Van Jacobson) для поддержки программы traceroute. Эта заплата позволяла приложению создавать символьный IP-сокет, определяя протокол как IPPROTO_RAW, что соответствовало значению 255 (это значение является зарезервированным и никогда не должно появляться в поле протокола IP-заголовка).

Функции, осуществляющие ввод-вывод на символьном сокете, являются одними из простейших функций в ядре. Например, в книге [128, с. 1054–1057] каждая такая функция занимает около 40 строк кода на языке С. Для сравнения: функция ввода TCP содержит около 2000 строк, а функция вывода TCP около 700 строк.

Приводимое в этой книге описание параметра сокета IP_HDRINCL относится к системе 4.4BSD. В более ранних версиях, таких как Net/2, при использовании данного параметра заполнялось большее количество полей заголовка IP.

В протоколе IPv4 пользовательский процесс отвечает за вычисление и установку контрольной суммы любого заголовка, следующего за заголовком IPv4. Например, в нашей программе ping(см. листинг 28.10), прежде чем вызывать функцию sendto, мы должны вычислить контрольную сумму ICMPv4 и сохранить ее в заголовке ICMPv4.