6. Client-Server 基礎

寶貝,這是個 client-server(客戶端-伺服端)世界。單純與網路處理 client processes(客戶端行程)及 server processes(伺服端行程)溝通的每件事情有關,反之亦然。以 telnet 為例,當你用 telnet(client)連線到遠端主機的 port 23 時,主機上的程式(稱為 telnetd server)就開始動了起來,它會處理進來的 telnet 連線,並幫你設定一個登入提示字元等。


Client-Server 互動

Client 與 server 間的訊息交換摘錄於上列的流程圖中。

需要注意的是 client-server pair 可以使用 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM 或其它的(只要它們用一樣的協定來溝通)。有一些不錯的 client-server pairs 範例,如:telnet/telnetd、ftp/ftpd 或 Firefox/Apache。每次你使用 ftp 時,都會有一個 ftpd 遠端程式來為你服務。

一台機器上通常只會有一個 server,而該 server 會利用 fork()來處理多個 clients。基本的機制(routine)是:server 會等待連線、accept() 連線,並且 fork() 一個 child process(子行程)來處理此連線。這就是我們在下一節的 server 範本所做的工作。

6.1. 一個簡易的 Stream Server

這個 server 所做的事情就是透過 stream connection(串流連線)送出"Hello, World!\n"字串。你所需要做就是用一個視窗來測試執行 server,並用另一個視窗來 telnet 到 server:

$ telnet remotehostname 3490

這裡的 remotehostname 就是你執行 server 的主機名稱。

Server的程式碼如下 [20]:

/*
** server.c – 展示一個stream socket server
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#define PORT "3490" // 提供給使用者連線的 port
#define BACKLOG 10 // 有多少個特定的連線佇列(pending connections queue)

void sigchld_handler(int s)
{
  while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

// 取得sockaddr,IPv4或IPv6:
void *get_in_addr(struct sockaddr *sa)
{
  if (sa->sa_family == AF_INET) {
    return &(((struct sockaddr_in*)sa)->sin_addr);
  }
  return &(((struct sockaddr_in6*)sa)->sin6_addr);
}

int main(void)
{
  int sockfd, new_fd; // 在 sock_fd 進行 listen,new_fd 是新的連線
  struct addrinfo hints, *servinfo, *p;
  struct sockaddr_storage their_addr; // 連線者的位址資訊 
  socklen_t sin_size;
  struct sigaction sa;
  int yes=1;
  char s[INET6_ADDRSTRLEN];
  int rv;

  memset(&hints, 0, sizeof hints);
  hints.ai_family = AF_UNSPEC;
  hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
  hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // 使用我的 IP

  if ((rv = getaddrinfo(NULL, PORT, &hints, &servinfo)) != 0) {
    fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rv));
    return 1;
  }

  // 以迴圈找出全部的結果,並綁定(bind)到第一個能用的結果
  for(p = servinfo; p != NULL; p = p->ai_next) {
    if ((sockfd = socket(p->ai_family, p->ai_socktype,
      p->ai_protocol)) == -1) {
      perror("server: socket");
      continue;
    }

    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes,
      sizeof(int)) == -1) {
      perror("setsockopt");
      exit(1);
    }

    if (bind(sockfd, p->ai_addr, p->ai_addrlen) == -1) {
      close(sockfd);
      perror("server: bind");
      continue;
    }

    break;
  }

  if (p == NULL) {
    fprintf(stderr, "server: failed to bind\n");
    return 2;
  }

  freeaddrinfo(servinfo); // 全部都用這個 structure

  if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) {
    perror("listen");
    exit(1);
  }

  sa.sa_handler = sigchld_handler; // 收拾全部死掉的 processes
  sigemptyset(&sa.sa_mask);
  sa.sa_flags = SA_RESTART;

  if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) == -1) {
    perror("sigaction");
    exit(1);
  }

  printf("server: waiting for connections...\n");

  while(1) { // 主要的 accept() 迴圈
    sin_size = sizeof their_addr;
    new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, &sin_size);
    if (new_fd == -1) {
      perror("accept");
      continue;
    }

    inet_ntop(their_addr.ss_family,
      get_in_addr((struct sockaddr *)&their_addr),
      s, sizeof s);
    printf("server: got connection from %s\n", s);

    if (!fork()) { // 這個是 child process
      close(sockfd); // child 不需要 listener

      if (send(new_fd, "Hello, world!", 13, 0) == -1)
        perror("send");

      close(new_fd);

      exit(0);
    }

    close(new_fd); // parent 不需要這個
  }

  return 0;
}

趁著你對這個例子還感到很好奇,我為了讓句子比較清楚(我個人覺得),所以將程式碼放在一個大的 main() 函式中,如果你覺得將它分成幾個小一點的函式會比較好的話,可以儘管去做。

[還有,sigaction() 這個東西對你而言應該是蠻陌生的。沒有關係,這個程式碼是用來清理 zombie processes(殭屍行程),當 parent process 所 fork() 出來的 child process 結束時,且 parent process 沒有取得 child process 的離開狀態時,就會出現 zombie process。如果你產生了許多 zombies,但卻無法清除他們時,你的系統管理員就會開始焦慮不安了]。

你可以利用下一節所列出的 client,來取得 server 的資料。

6.2. 簡易的 Stream Client

Client 這傢伙比 server 簡單多了,client 所需要做的就是:連線到你在命令列所指定的主機 3490 port,接著,client 會收到 server 送回的字串。

Client 的程式碼 [21]:

/*
/*
** client.c -- 一個 stream socket client 的 demo
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT "3490" // Client 所要連線的 port
#define MAXDATASIZE 100 // 我們一次可以收到的最大位原組數(number of bytes)

// 取得 IPv4 或 IPv6 的 sockaddr:
void *get_in_addr(struct sockaddr *sa)
{
  if (sa->sa_family == AF_INET) {
    return &(((struct sockaddr_in*)sa)->sin_addr);
  }

  return &(((struct sockaddr_in6*)sa)->sin6_addr);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  int sockfd, numbytes;
  char buf[MAXDATASIZE];
  struct addrinfo hints, *servinfo, *p;
  int rv;
  char s[INET6_ADDRSTRLEN];

  if (argc != 2) {
    fprintf(stderr,"usage: client hostname\n");
    exit(1);
  }

  memset(&hints, 0, sizeof hints);
  hints.ai_family = AF_UNSPEC;
  hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;

  if ((rv = getaddrinfo(argv[1], PORT, &hints, &servinfo)) != 0) {
    fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rv));
    return 1;
  }

  // 用迴圈取得全部的結果,並先連線到能成功連線的
   for(p = servinfo; p != NULL; p = p->ai_next) {
    if ((sockfd = socket(p->ai_family, p->ai_socktype,
      p->ai_protocol)) == -1) {
      perror("client: socket");
      continue;
    }

    if (connect(sockfd, p->ai_addr, p->ai_addrlen) == -1) {
      close(sockfd);
      perror("client: connect");
      continue;
    }

    break;
  }

  if (p == NULL) {
    fprintf(stderr, "client: failed to connect\n");
    return 2;
  }

  inet_ntop(p->ai_family, get_in_addr((struct sockaddr *)p->ai_addr), s, sizeof s);

  printf("client: connecting to %s\n", s);

  freeaddrinfo(servinfo); // 全部皆以這個 structure 完成

  if ((numbytes = recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE-1, 0)) == -1) {
    perror("recv");
    exit(1);
  }

  buf[numbytes] = '\0';
  printf("client: received '%s'\n",buf);

  close(sockfd);
  return 0;
}

要注意的是,你如果沒有在執行 client 以前先啟動 server 的話,connect()會傳回"Connection refused",這很有幫助。


6.3. Datagram Sockets

我們已經在討論 sendto()與 recvfrom()時涵蓋了 UDP datagram socket 的基礎,所以我會展示一對範例程式:talker.c 與 listener.c。

Listener 位於一台機器中,等待進入 port 4950 的封包。Talker 則從指定的機器傳送封包給這個 port,封包的內容包含使用者從命令列所輸入的資料。

這裡就是 listener.c 的原始程式碼 [22]:

/*
** listener.c -- 一個 datagram sockets "server" 的 demo
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>

#define MYPORT "4950" // 使用者所要連線的 port
#define MAXBUFLEN 100

// get sockaddr, IPv4 or IPv6:
void *get_in_addr(struct sockaddr *sa)
{
  if (sa->sa_family == AF_INET) {
    return &(((struct sockaddr_in*)sa)->sin_addr);
  }

  return &(((struct sockaddr_in6*)sa)->sin6_addr);
}

int main(void)
{
  int sockfd;
  struct addrinfo hints, *servinfo, *p;
  int rv;
  int numbytes;
  struct sockaddr_storage their_addr;
  char buf[MAXBUFLEN];
  socklen_t addr_len;
  char s[INET6_ADDRSTRLEN];

  memset(&hints, 0, sizeof hints);

  hints.ai_family = AF_UNSPEC; // 設定 AF_INET 以強制使用 IPv4
  hints.ai_socktype = SOCK_DGRAM;
  hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // 使用我的 IP

  if ((rv = getaddrinfo(NULL, MYPORT, &hints, &servinfo)) != 0) {
    fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rv));
    return 1;
  }

  // 用迴圈來找出全部的結果,並 bind 到首先找到能 bind 的
  for(p = servinfo; p != NULL; p = p->ai_next) {

    if ((sockfd = socket(p->ai_family, p->ai_socktype,
      p->ai_protocol)) == -1) {
      perror("listener: socket");
      continue;
    }

    if (bind(sockfd, p->ai_addr, p->ai_addrlen) == -1) {
      close(sockfd);
      perror("listener: bind");
      continue;
    }

    break;
  }

  if (p == NULL) {
    fprintf(stderr, "listener: failed to bind socket\n");
    return 2;
  }

  freeaddrinfo(servinfo);
  printf("listener: waiting to recvfrom...\n");
  addr_len = sizeof their_addr;

  if ((numbytes = recvfrom(sockfd, buf, MAXBUFLEN-1 , 0, 
        (struct sockaddr *)&their_addr, &addr_len)) == -1) {

    perror("recvfrom");
    exit(1);
  }

  printf("listener: got packet from %s\n",

  inet_ntop(their_addr.ss_family,

  get_in_addr((struct sockaddr *)&their_addr), s, sizeof s));

  printf("listener: packet is %d bytes long\n", numbytes);

  buf[numbytes] = '\0';

  printf("listener: packet contains \"%s\"\n", buf);

  close(sockfd);

  return 0;
}

要注意的是,在我們呼叫 getaddrinfo()時,我們是使用 SOCK_DGRAM。還要注意到,不需要 listen()或是 accept(),這是使用(免連線)datagram sockets 的一個好處!

接著是 talker.c 的程式碼 [23]:

/*
** talker.c -- 一個 datagram "client" 的 demo
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>

#define SERVERPORT "4950" // 使用者所要連線的 port

int main(int argc, char *argv[])
{
  int sockfd;
  struct addrinfo hints, *servinfo, *p;
  int rv;
  int numbytes;

  if (argc != 3) {
    fprintf(stderr,"usage: talker hostname message\n");
    exit(1);
  }

  memset(&hints, 0, sizeof hints);
  hints.ai_family = AF_UNSPEC;
  hints.ai_socktype = SOCK_DGRAM;

  if ((rv = getaddrinfo(argv[1], SERVERPORT, &hints, &servinfo)) != 0) {
    fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rv));
    return 1;
  }

  // 用迴圈找出全部的結果,並產生一個 socket
  for(p = servinfo; p != NULL; p = p->ai_next) {
    if ((sockfd = socket(p->ai_family, p->ai_socktype,
      p->ai_protocol)) == -1) {
      perror("talker: socket");
      continue;
    }

    break;
  }

  if (p == NULL) {
    fprintf(stderr, "talker: failed to bind socket\n");
    return 2;
  }

  if ((numbytes = sendto(sockfd, argv[2], strlen(argv[2]), 0,
    p->ai_addr, p->ai_addrlen)) == -1) {

    perror("talker: sendto");
    exit(1);
  }

  freeaddrinfo(servinfo);
  printf("talker: sent %d bytes to %s\n", numbytes, argv[1]);
  close(sockfd);
  return 0;
}

全部就這些了!在某個機器上執行 listener,接著在另一台機器執行 talker。觀察它們的溝通!這真的超有趣。

這次你甚至不用執行 server!可以只執行 talker,而它只會很開心的將封包丟到網路上,如果另一端沒有人用 recvfrom()來接收的話,這些封包就只是消失而已。

要記得:使用 UDP datagram socket 傳送的資料是不會使命必達的!

我要再提之前提過無數次的小細節:connected datagram socket。我在這裡要再講一下,因為我們正在 datagram 這個章節。

我們說 talker 呼叫 connect()並指定 listener 的位址。從這開始,talker 就只能從 connect()所指定的位址進行傳送與接收。因此,你不用使用 sendto()與 recvfrom(),可以單純使用 send()與 recv() 就好。

[20] http://beej.us/guide/bgnet/examples/server.c
[21] http://beej.us/guide/bgnet/examples/client.c
[22] http://beej.us/guide/bgnet/examples/listener.c
[23] http://beej.us/guide/bgnet/examples/talker.c