А. Григорьев - О чём не пишут в книгах по Delphi
2.1.2. Общие сведения о сокетах
Сокетом (от англ. socket — гнездо, розетка) называется специальный объект, создаваемый для отправки и получения данных через сеть. Отметим, что под термином "объект" в данном случае подразумевается не объект в терминах объектно-ориентированного программирования, а некоторая сущность, внутренняя структура которой скрыта от нас, и мы можем оперировать с ней только как с единым и неделимым (атомарным) объектом. Этот объект создается внутри библиотеки сокетов, а программист, работающий с данной библиотекой, получает уникальный номер (дескриптор) этого сокета. Конкретное значение этого дескриптора не несет для программиста никакой полезной информации и может быть использовано только для того, чтобы при вызове функции из библиотеки сокетов указать, с каким сокетом требуется выполнить операцию. В этом смысле тип TSocket полностью аналогичен дескрипторам окон, графических объектов и т.п., с которыми мы встречались в предыдущей главе.
Чтобы две программы могли общаться друг с другом через сеть, каждая из них должна создать сокет. Каждый сокет обладает двумя основными характеристиками: протоколом и адресом, к которым он привязан. Протокол задается при создании сокета и не может быть изменен впоследствии. Адрес сокета задаётся позже, но обязательно до того, как через сокет пойдут данные. В некоторых случаях привязка сокета к адресу может быть неявной.
Формат адреса сокета определяется конкретным протоколом. В частности, для протоколов TCP и UDP адрес состоит из IP-адреса сетевого интерфейса и номера порта.
Каждый сокет имеет два буфера: для входящих и для исходящих данных. При отправке данных они сначала помещаются в буфер исходящих, и лишь затем отправляются в фоновом режиме. Программа в это время продолжает свою работу. При получении данных сокет помещает их в буфер для входящих, откуда они затем могут извлекаться программой.
Сеть может связывать разные аппаратные платформы, поэтому требуется согласование форматов передаваемых данных, в частности форматов целых чисел. Двухбайтные целые числа хранятся в памяти в двух последовательно расположенных байтах. При этом возможны два варианта: в первом байте хранится младший байт числа, а во втором — старший, и наоборот. Способ хранения определяется аппаратной частью платформы. Процессоры Intel используют первый вариант, т.е. первым хранится младший байт, а другие процессоры (например, Motorola) — второй вариант. То же касается и четырёхбайтных чисел: процессоры Intel хранят их, начиная с младшего байта, а некоторые другие процессоры — начиная со старшего. Сетевой формат представления таких чисел совпадает с форматом процессора Motorola, т.е. на платформах с процессором Intel необходимо переставлять байты при преобразовании чисел в сетевой формат.
Библиотека сокетов разрабатывалась для ОС Unix в которой традиционно высоко ценилась переносимость между платформами, поэтому она содержит функции, позволяющие не задумываться о порядке байтов в числах: ntohs, ntohl, htons и htonl. Первая буква в названии этих функций показывает, в каком формате дано исходное число (n — Network — сетевом формат, h — Host — формат платформы), четвертая буква — формат результата, последняя буква — разрядность (s — Short — двухбайтное число, l — Long — четырёхбайтное число). Например, функция htons принимает в качестве параметра число типа u_short (Word) в формате платформы и возвращает то же число в сетевом формате. Реализация этих функций для каждой платформы своя: где-то они переставляют байты, где-то они возвращают в точности то число, которое было им передано. Благодаря этим функциям программы становятся переносимыми. Хотя для программиста на Delphi вопросы переносимости не столь актуальны, приходится прибегать к этим функциям хотя бы потому, что байты переставлять нужно, а никакого более удобного способа для этого не существует.
2.1.3. Сетевые протоколы. Семиуровневая модель OSI
Сетевым протоколом называется набор соглашений, следование которым позволяет обеим сторонам одинаково интерпретировать принимаемые и отправляемые данные. Сетевой протокол можно сравнить с языком: два человека понимают друг друга тогда, когда говорят на одном языке. Причем если люди, говорящие на похожих, но немного разных языках, все же могут понимать друг друга, то компьютеры для нормального обмена данными должны поддерживать в точности одинаковый протокол.
Для установления взаимодействия между компьютерами должен быть согласован целый ряд вопросов, начиная от напряжения в проводах и заканчивая форматом пакетов. Реализуются эти соглашения на разных уровнях, поэтому логичнее иметь не один протокол, описывающий все и вся, а набор протоколов, каждый из которых охватывает только вопросы одного уровня. Организация Open Software Interconnection (OSI) предложила разделить все вопросы, требующие согласования, на семь уровней. Это разделение известно как семиуровневая модель OSI.
Семейство протоколов, реализующих различные уровни, называется стеком протоколов. Стеки протоколов не всегда точно следуют модели OSI, некоторые протоколы решают вопросы, связанные сразу с несколькими уровнями.
Первый уровень в модели OSI называется физическим. На нем согласовываются физические, электрические и оптические параметры сети: напряжение и форма импульсов, кодирующих 0 и 1, какой разъем используется и т.п.
Второй уровень носит название канального. На этом уровне решаются вопросы конфигурации сети (шина, звезда, кольцо и т.п.), приема и передачи кадров, допустимости и методов разрешения коллизий (ситуаций, когда сразу два компьютера пытаются передать данные).
Третий уровень — сетевой. Здесь определяется, как адресуются компьютеры. Большинство сетей используют широковещательный способ передачи: пакет, переданный одним компьютером, получают все остальные. Протокол сетевого уровня описывает критерии, на основании которых каждый компьютер может выбирать из сети только те пакеты, которые предназначены ему, и игнорировать все остальные. На этом же уровне определяется, как пакеты проходят через маршрутизатор.
Четвертый уровень называется транспортным. На этом уровне единый физический поток данных разбивается на независимые логические потоки. Это позволяет нескольким программам независимо друг от друга использовать сеть, не опасаясь, что их данные смешаются. Кроме того, на транспортном уровне решаются вопросы, связанные с подтверждением доставки пакета и упорядочиванием пакетов.
Пятый уровень известен как уровень сессии. Он определяет процедуру установления, завершения связи и ее восстановления после разрыва. Расписывается последовательность действий каждой стороны и пакеты, которые они должны друг другу отправить для инициализации и завершения связи. Определяются соглашения о том, как единый поток разбивается на логические пакеты.
Шестой уровень называется уровнем представлений. На этом уровне определяется то, в каком формате данные передаются по сети. Под этим подразумевается, в первую очередь, внутренняя структура пакета, а также способ представления данных разных типов. Например, для двух- и четырёхбайтных целых чисел должен быть согласован порядок байтов, для логических величин — какие значения соответствуют True, какие — False, для строк — кодировка и способ задания конца строки и т.п.
Седьмой уровень называется уровнем приложений. Соглашения этого уровня позволяют работать с ресурсами (файлами, принтерами и т.д.) удаленного компьютера как с локальными, осуществлять удаленный вызов процедур и т.п.
Чтобы получить данные через сеть, должны быть реализованы все уровни, за исключением, может быть, седьмого. Для каждого уровня должен быть определён свой протокол. В идеале механизмы взаимодействия между протоколами разных уровней должны иметь столь высокую степень абстракции, чтобы один протокол на любом из уровней можно было заменить любым другим протоколом того же уровня, не внося каких-либо изменений в выше- и нижележащие уровни.
2.1.4. Стек TCP/IP
Физический и канальный уровни полностью реализуются сетевой картой или модемом (или другим устройством, выполняющим ту же функцию) и ее драйвером. Здесь действительно достигнута настолько полная абстракция, что программист обычно не задумывается о том, какая используется сеть. Поэтому мы также не будем останавливаться на этих двух уровнях. В реальной жизни не все протоколы, особенно старые, соответствуют модели OSI. Существует такое понятие, как стек протоколов — набор протоколов разных уровней, которые совместимы друг с другом. Эти уровни не всегда точно соответствуют тем, которые предлагает модель OSI, но определенное разделение задач на уровни в них присутствует. Здесь мы сосредоточимся на стеке протоколов, который называется TCP/IP (нередко можно услышать словосочетание "протокол TCP/IP", что не совсем корректно: TCP/IP не протокол, а стек протоколов). Название этот стек получил по наименованию двух самых известных своих протоколов: TCP и IP.
