欢迎关注:1,欢迎关注本博客,你可点击右手边的【QQ邮件订阅】订阅本博客!2,本博客推出江湖救急计划,主要为工作中遇到疑难杂症的兄弟提供远程技术支持和分析,如有需要,请在江湖救急计划页面给我留言!

TCP/IP 数据包处理路径

作者:易隐者 发布于:2012-11-13 16:09 Tuesday 分类:参考资料

简介

       随着 Microsoft® Windows® XP Service Pack 2 和 Windows Server™ 2003 Service Pack 1 新增了 Windows 防火墙,以及 Internet 协议安全 (IPsec) 在公司 Intranet 中日益广泛的应用,信息技术 (IT) 专业人士需要了解 TCP/IP 协议及 Windows 中的相关组件处理单播 Internet 协议 (IP) 数据包的具体方式。有关 IP 数据包处理路径的详细知识,可以让您更轻松地掌握配置数据包处理和筛选组件,以及进行相关疑难解答的具体方法。

        本文所介绍的内容如下:

• 用于 IP 版本 4 的 TCP/IP 协议的基本体系结构以及其它一些用于处理数据包的组件。
• 基于 Windows 的计算机所发送、接收和转发的单播流量的数据包处理路径。

         注意:为了简要起见,本文将不讨论多播、广播、分段或隧道数据包。

用于数据包处理的 TCP/IP 体系结构

         下图为 TCP/IP 协议驱动程序 (Tcpip.sys) 及其用于在 Windows XP Service Pack 2 和 Windows Server 2003 Service Pack 1 中处理 IP 数据包的相关组件的简要示意图。 

点击查看原图

         下列组件可处理 IP 数据包:

• IP 转发 为发送或转发的数据包确定下一跃点接口和地址。
• TCP/IP 筛选 允许按 IP 协议、TCP 端口或 UDP 端口,指定可为传入的本地主机流量(发往主机的数据包)所接受的流量类型。可以在“网络连接”文件夹中,从 Internet 协议 (TCP/IP) 组件高级属性的“选项”选项卡,配置 TCP/IP 筛选。
• 筛选器挂钩驱动程序 该 Windows 组件可使用筛选器挂钩 API,筛选传入和传出的 IP 数据包。在运行 Windows Server 2003 的计算机上,筛选器挂钩驱动程序为 Ipfltdrv.sys,属于“路由和远程访问”的一个组件。启用后,“路由和远程访问”允许用户使用路由和远程访问管理单元,对每个接口配置单独的入站和出站 IP 数据包筛选器。Ipfltdrv.sys 会同时检查本地主机和中转 IP 流量(不发往主机的数据包)。
• 防火墙挂钩驱动程序 该 Windows 组件可使用防火墙挂钩 API,检查传入和传出的数据包。在运行 Windows XP 的计算机上,防火墙挂钩驱动程序为 Ipnat.sys,由 Internet 连接共享和 Windows 防火墙双方共享。Internet 连接共享是一种基础网络地址转换器 (NAT)。Windows 防火墙是一种基于主机的状态防火墙。Ipnat.sys 可同时检查本地主机和中转 IP 流量。在运行 Windows Server 2003 的计算机上,Ipnat.sys 由 Internet 连接共享、Windows 防火墙和路由和远程访问的 NAT/基本防火墙组件三方共享。如果启用了路由和远程访问的 NAT/基本防火墙组件,就不能再启用 Windows 防火墙或 Internet 连接共享了。
• IPsec IPsec 组件——Ipsec.sys——是 IPsec 在 Windows 中的实现,可对 IP 流量提供加密保护。Ipsec.sys 可同时检查本地主机和中转 IP 流量,并可允许、阻止或保护流量。

数据包处理路径

       下面几节介绍了针对以下流量的具体的数据包处理路径:
• 源流量 由基于 Windows 的发送主机发起。
• 目标流量 达到最终的基于 Windows 的目标主机。
• 中转流量 由基于 Windows 的 IP 路由器转发。
       这里只讨论 Windows Server 2003 或 Windows XP 所附带的组件,不涉及 Windows 套接字分层服务提供程序或 NDIS 中间微型端口驱动程序。

源流量

        源流量的数据包处理路径如下图所示。 

点击查看原图

1. IP 数据包形成后,Tcpip.sys 就会将其传递给防火墙挂钩驱动程序 (Ipnat.sys) 进行处理。

        Windows 防火墙检查该流量是否属于所要阻止的特定的 Internet 控制消息协议 (ICMP) 消息类型。如果 ICMP 消息被阻止,Windows 防火墙就将丢弃该数据包。
       Windows 防火墙检查该流量是否属于点对点隧道协议 (PPTP) 隧道维护流量。如果属于的话,Windows 防火墙将分析该流量,确定用于识别特定 PPTP 隧道的通用路由封装 (GRE) 调用 ID,从而允许 PPTP 隧道的基于 GRE 的传入流量。
       如果需要,Windows 防火墙会在例外列表中添加一个动态项目,来允许响应流量。
       处理完后,Ipnat.sys 会将该 IP 数据包传回给 Tcpip.sys,而后者会使用 IP 转发组件,确定下一跃点 IP 地址和接口。有关详细信息,请参阅认识 IP 路由表。

2. Tcpip.sys 将数据包传递给筛选器挂钩驱动程序 (Ipfltdrv.sys) 进行处理。

       Ipfltdrv.sys 根据下一跃点接口,将该数据包与已配置的出站 IP 数据包筛选器进行对比。
       若出站 IP 数据包筛选器不允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会在不给出提示的情况下,丢弃该数据包。若出站 IP 数据包筛选器允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会将该数据包传回给 Tcpip.sys。

3. Tcpip.sys 将该数据包传递给 Ipsec.sys 进行处理。

       Ipsec.sys 根据 IPsec 筛选器组,决定是否允许、阻止或保护该数据包。若允许的话,Ipsec.sys 会在不修改该数据包的情况下,将其发回给 Tcpip.sys。若阻止的话,Ipsec.sys 会在不发出任何提示的情况下,丢弃该数据包。若要进行保护的话,Ipsec.sys 会在将数据包传回给 Tcpip.sys 之前,对其添加适当的 IPsec保护。Tcpip.sys 随后会通过下一跃点接口,将该数据包发送到下一跃点 IP 地址。

目标流量

       目标流量的数据包处理路径如下图所示。 

点击查看原图

1. 接收到 IP 数据包后,Tcpip.sys 会将其传递给 Ipsec.sys 进行处理。

       若数据包带有 IPsec 保护(指示验证头 [AH] 或封装式安全措施负载 [ESP] 的 IP 协议字段值),将对其进行处理并加以移除。若对计算机应用了“Windows 防火墙:允许已验证的 IPSec 跳过”组策略设置,Ipsec.sys 将设置一个与该数据包相关联的 IPsec Bypass 标记。Ipsec.sys 将结果数据包传回给 Tcpip.sys。
若数据包不带有 IPsec 保护,Ipsec.sys 就会根据 IPsec 筛选器组,决定是否允许、阻止或保护该数据包。若允许的话,Ipsec.sys 会在不修改该数据包的情况下,将其发回给 Tcpip.sys。若数据包被阻止或需要保护,Ipsec.sys 就会在不发出任何提示的情况下,丢弃该数据包。

2. Tcpip.sys 将该数据包传递给 Ipfltdrv.sys 进行处理。

       Ipfltdrv.sys 根据接收数据包的接口,将该数据包与已配置的入站 IP 数据包筛选器进行对比。若入站 IP 数据包筛选器不允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会在不给出提示的情况下,丢弃该数据包。 若入站 IP 数据包筛选器允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会将该数据包传回给 Tcpip.sys。

3. Tcpip.sys 将该数据包传递给 Ipnat.sys 进行处理。

       若启用了 Internet 连接共享或 NAT/基本防火墙,并且接收数据包的接口是连接到 Internet 的公共接口,Ipnat.sys 就会将该数据包与其 NAT 转换表进行对比。若找到了匹配项,就将转换该 IP 数据包,并将结果数据包视为源流量。
       Windows 防火墙检查与该数据包相关联的 IPsec Bypass 标记。若设置了 IPsec Bypass 标记,Windows 防火墙就会将该数据包传回给 Tcpip.sys。
       若未设置 IPsec Bypass 标记,Windows 防火墙就会将该数据包与其例外列表进行对比。若数据包与某个例外匹配,Ipnat.sys 就会将该 IP 数据包传回给 Tcpip.sys。若不匹配,Ipnat.sys 会在不发出提示的情况下,丢弃该 IP 数据包。

4. Tcpip.sys 将 IP 数据包与已配置的 TCP/IP 筛选允许的那组数据包进行对比。

       若 TCP/IP 筛选不允许该数据包,Tcpip.sys 将在不发出提示的情况下,丢弃该数据包。若 TCP/IP 筛选允许该数据包,Tcpip.sys 将继续对其进行处理,并最终将该数据包有效负载传递给 TCP、UDP 或其它上层协议。

中转流量

       中转流量的前半部分路径如下图所示。 

点击查看原图

1. 接收到 IP 数据包后,Tcpip.sys 会将其传递给 Ipfltdrv.sys 进行处理。

       Ipfltdrv.sys 根据接收 IP 数据包的接口,将该数据包与已配置的入站 IP 数据包筛选器进行对比。
若入站 IP 数据包筛选器不允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会在不给出提示的情况下,丢弃该 IP 数据包。若入站 IP 数据包筛选器允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会将该 IP 数据包传回给 Tcpip.sys。Tcpip.sys 将数据包传递给 IP 转发组件,由后者确定用于转发该数据包的下一跃点接口和地址。

       中转流量的后半部分路径如下图所示。 

点击查看原图

2. Tcpip.sys 将该数据包传递给 Ipnat.sys。

       若启用了 Internet 连接共享或 NAT/基本防火墙,并且接收数据包的接口是连接到 Intranet 的专用接口,Ipnat.sys 就会将该数据包与其 NAT 转换表进行对比。若 Internet 连接共享或 NAT/基本防火墙找到了匹配项,将转换该 IP 数据包,并将结果数据包当作源流量。若 Internet 连接共享或 NAT/基本防火墙未找到匹配项,将创建一个新的 NAT 转换表项,转换 IP 数据包,并将结果数据包当作源流量。若未启用 Internet 连接共享,Ipnat.sys 就会将 IP 数据包传回给 Tcpip.sys。

3. Tcpip.sys 将该数据包传递给 Ipfltdrv.sys。

       Ipfltdrv.sys 根据下一跃点接口,将该数据包与已配置的出站 IP 数据包筛选器进行对比。若出站 IP 数据包筛选器不允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会在不给出提示的情况下,丢弃该 IP 数据包。若出站 IP 数据包筛选器允许该数据包,Ipfltdrv.sys 就会将该 IP 数据包传回给 Tcpip.sys。

4. Tcpip.sys 将该数据包传递给 Ipsec.sys 进行处理。

       Ipsec.sys 根据 IPsec 筛选器组,决定是否允许、阻止或保护该数据包。若允许的话,Ipsec.sys 会在不修改该数据包的情况下,将其发回给 Tcpip.sys。 若阻止的话,Ipsec.sys 会在不发出任何提示的情况下,丢弃该数据包。若要进行保护的话,Ipsec.sys 会在将数据包传回给 Tcpip.sys 之前,对其添加适当的 IPsec保护。
       Tcpip.sys 随后会通过下一跃点接口,将该 IP 数据包发送到下一跃点地址。

       对于运行 Windows XP SP2 或 Windows Server 2003 SP1 并采取常规配置的客户端或服务器计算机(不充当路由器或 NAT,并禁用了 TCP/IP 筛选),源流量的数据包处理路径涉及以下组件:
1. Windows 防火墙
2. IPsec
       对于上述采用常规配置的基于 Windows 的计算机来说,目标流量的数据包处理路径涉及以下组件:
1. IPsec
2. Windows 防火墙

       若使用了 IPsec,并启用了 Windows 防火墙,那么可能需要配置这两个组件,以允许想要的流量。譬如,要是您正在配置一台 Web 服务器,并使用 IPsec 保护发往该服务器的 Web 流量,就必须配置以下项目:
1. 一个 IPsec 规则(要求发往和发自该服务器的 IP 地址和 TCP 端口 80 的安全性)。
2. 一个 TCP 端口 80 的 Windows 防火墙例外。
       该 IPsec 规则可确保发往 Web 服务器服务的流量受到保护。该 Windows 防火墙例外可确保 Windows 防火墙不会丢弃未经请求的传入请求,来通过 TCP 端口 80 创建到 Web 服务器的连接。由于 IPsec 和 Windows 防火墙都作为单独的组件处理 IP 数据包,因此必须同时配置这两个组件。要是不想让 Windows 防火墙处理受 IPsec 保护的数据包,请配置“Windows 防火墙:允许已验证的 IPSec 跳过”组策略设置。有关详细信息,请参阅对 Microsoft Windows XP Service Pack 2 部署 Windows 防火墙设置。

阅读全文>>

标签: TCP 防火墙 安全 IPS UDP NAT TCP/IP API IPsec Windows 数据包 数据包处理路径 路由转发 IP转发

评论(0) 引用(0) 浏览(110702)

【转】TCP/IP 应用程序的通信连接模式

作者:易隐者 发布于:2012-10-22 15:56 Monday 分类:网络分析

【说在之前】:

原计划准备自己写一个关于长连接短连接知识点相关的文章,但是当我看到IBM公司的这篇文章之后,觉得没有必要为这个知识点专门花费时间和精力再写一篇,这篇文章站在软件开发的角度,已经对其做了足够清晰的阐述,后续我可能会写一些跟长连接短连接有关的案例,请大家关注。

【原文链接】:

http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/0807_liugb_tcpip/#ibm-pcon

【原文作者】:

刘光宝liugb@cn.ibm.com)在加入 IBM 前有大约 10 年的金融行业和 TCP/IP 应用开发经验。加入IBM 后从事 IBM i 操作系统上的 TCP/IP 应用程序的IPv6及其他软件开发。

【原文全文】:

TCP/IP 应用层与应用程序

       TCP/IP 起源于二十世纪 60 年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项目,它是一个真正的开放协议,很多不同厂家生产各种型号的计算机,它们运行完全不同的操作系统,但 TCP/IP 协议组件允许它们互相进行通信。现在 TCP/IP 已经从一个只供一些科学家使用的小实验网成长为一个由成千上万的计算机和用户构成的全球化网络,TCP/IP 也已成为全球因特网(Internet)的基础,越来越多的 TCP/IP 互联网应用和企业商业应用正在改变着世界。

       TCP/IP 通讯协议采用了四层的层级模型结构(注:这与 OSI 七层模型不相同),每一层都调用它的下一层所提供的网络任务来完成自己的需求。TCP/IP 的每一层都是由一系列协议来定义的。这 4 层分别为:

  • 应用层 (Application)应用层是个很广泛的概念,有一些基本相同的系统级 TCP/IP 应用以及应用协议,也有许多的企业商业应用和互联网应用。
  • 传输层 (Transport):传输层包括 UDP 和 TCP,UDP 几乎不对报文进行检查,而 TCP 提供传输保证。
  • 网络层 (Network)网络层协议由一系列协议组成,包括 ICMP、IGMP、RIP、OSPF、IP(v4,v6) 等。
  • 链路层 (Link)又称为物理数据网络接口层,负责报文传输。

        图1显示了 TCP/IP 层级模型结构,应用层之间的协议通过逐级调用传输层(Transport layer)、网络层(Network Layer)和物理数据链路层(Physical Data Link)而可以实现应用层的应用程序通信互联。

       应用层需要关心应用程序的逻辑细节,而不是数据在网络中的传输活动。应用层其下三层则处理真正的通信细节。在 Internet 整个发展过程中的所有思想和着重点都以一种称为 RFC(Request For Comments)的文档格式存在。针对每一种特定的 TCP/IP 应用,有相应的 RFC 文档。一些典型的 TCP/IP 应用有 FTP、Telnet、SMTP、SNTP、REXEC、TFTP、LPD、SNMP、NFS、INETD 等。RFC 使一些基本相同的 TCP/IP 应用程序实现了标准化,从而使得不同厂家开发的应用程序可以互相通信。

点击查看原图

 图 1 TCP/IP 层级模型结构

       然而除了这些已经实现标准化的系统级 TCP/IP 应用程序外,在企业商业应用和互联网应用开发中,存在着大量的商业应用程序通信互联问题。如图 1 显示,其中的应用层所包含应用程序主要可以分成两类,即系统级应用和商业应用,互联网商业应用是商业应用中的主要形式之一。

       不同开发商和用户在开发各自商业应用通信程序时也存在有许多不同的设计方式。关于 TCP/IP 应用层以下的技术文献与书籍早已是汗牛充栋,但是关于 TCP/IP 应用本身,尤其是关于商业应用的通信设计模式技术讨论方面的文章还是比较少的。TCP/IP 应用通信设计模式实际上是在 TCP/IP 基础编程之上的一种应用编程设计方式,也属于一种应用层协议范畴,其可以包含有 TCP/IP 地址族模式设计、I/O 模式设计、通信连接模式设计以及通信数据格式设计等。鉴于目前讨论 TCP/IP 商业应用程序设计模式问题这方面的文章还很少见,本文尝试给出一些通信连接模式设计中共同的概念与一些典型的设计模式,在以后的文章中将继续讨论地址族模式设计、I/O 模式设计、以及通信数据格式设计等方面的模式设计实现话题。

通信连接模式设计主要考虑内容有:

  • 通信两端程序建立通信方式
  • 通信连接方式
  • 通信报文发送与接收方式

以下内容将介绍建立通信的 Client/Server 模型,然后逐一介绍通信连接模式设计所需要考虑的这些内容。

APIs 与 TCP/IP 应用程序 C/S 模型 |outline">传输层接口 APIs 与 TCP/IP 应用程序 C/S 模型

传输层接口 APIs

       TCP/IP 应用层位于传输层之上,TCP/IP 应用程序需要调用传输层的接口才能实现应用程序之间通信。目前使用最广泛的传输层的应用编程接口是套接字接口(Socket)。Socket APIs 是于 1983 年在 Berkeley Socket Distribution (BSD) Unix 中引进的。 1986 年 AT&T 公司引进了另一种不同的网络层编程接口 TLI(Transport Layer Interface),1988 年 AT&T 发布了一种修改版的 TLI,叫做 XTI(X/open Transport interface)。XTI/TLI 和 Socket 是用来处理相同任务的不同方法。关于 TCP/IP APIs 使用文章与书籍已相当多,本文则是侧重于如何组合使用这些 APIs 来进行 TCP/IP 应用程序连接模式设计,并归纳出几种基本应用连接模式。

如图 2 显示,应用层是通过调用传输层接口 APIs(Socket 或 XTI/TLI)来与传输层和网络层进行通信的。

点击查看原图

图 2 传输层接口

       不管是使用何种编程接口,要在两个机器或两个程序之间建立通信,通信双方必须建立互相一致的通信模式。如果双方的通信设计模式不一致就无法建立有效的通信连接。

        以下是经常使用的 socket APIs,是建立 TCP/IP 应用程序的标准接口,也是影响 TCP/IP 应用程序通信方式的几个主要 APIs,不同 APIs 组合再结合系统调用可以实现不同方式的应用。Sockets 支持多种传输层和网络层协议,支持面向连接和无连接的数据传输,允许应用分布式工作。

  • socket():是用来创建一个 socket,socket 表示通信中的一个节点,其可以在一个网络中被命名,用 socket 描述符表示,socket 描述符类似于 Unix 中的文件描述符。
  • bind():是用来把本地 IP 层地址和 TCP 层端口赋予 socket。
  • listen() :把未连接的 socket 转化成一个等待可连接的 socket,允许该 socket 可以被请求连接,并指定该 socket 允许的最大连接数。
  • accept():是等待一个连接的进入,连接成功后,产生一个新的 socket 描述符,这个新的描述符用来建立与客户端的连接。
  • connect():用来建立一个与服务端的连接。
  • send():发送一个数据缓冲区,类似 Unix 的文件函数 write()。另外 sendto() 是用在无连接的 UDP 程序中,用来发送自带寻址信息的数据包。
  • recv():接收一个数据缓冲区,类似 Unix 的文件函数 readI()。另外 recvfrom() 是用在无连接的 UDP 程序中,用来接收自带寻址信息的数据包。
  • close():关闭一个连接

Client/Server 模型

Sockets 是以 Client 和 Server 交互通信方式来使用的。典型的系统配置是把 Server 放在一台机器中,而把 Client 放在另一台机器中,Client 连接到 Server 交换信息。一个 socket 有一系列典型的事件流。例如,在面向连接的 Client/Server 模型中,Server 端的 socket 总是等待一个 Client 端的请求。要实现这个请求,Server 端首先需要建立能够被 Client 使用的地址,当地址建立后,Server 等待 Client 请求服务。当一个 Client 通过 socket 连接到 Server 后,Client 与 Server 之间就可以进行信息交换。Client/Server 是通信程序设计的基本模式。从软件开发的角度讲,TCP/IP 应用程序都是基于 Client/Server 方式的。注意本篇文章以下 Client/Server 概念是针对程序内部调用 Socket API 所讲的概念,与针对整个程序甚至针对机器而讲的客户端 / 服务器概念有所不同。用 Server APIs 建立的程序可以被当作客户端使用,用 Client APIs 建立的程序也可以被用作服务器端使用。建立 Server 需要的 APIs 有 socket(), bind(), listen(), accept(),建立 Client 需要的 APIs 有 Socket(), Connect()。在实际应用开发中,同一个程序里往往同时可以有 Client 和 Server 的代码,或者多种形式的组合。在实际应用编程中,针对 Socket APIs 不同有效组合,结合系统调用可以有多种复杂的设计变化。

面向连接的应用编程存在三类基本的不同级别的设计方式范畴,根据 Socket APIs 从上到下顺序依次是:

  • Client/Server 通信建立方式
  • Client/Server 通信连接方式
  • Client/Server 通信发送与接收方式

下面内容以面向连接的 Socket 应用编程为例来说明这几种不同通信范畴的设计实现。

Client/Server 建立方式设计概述

一个 Client 连接一个 Server

        如果只有两台机器之间连接,那么一个是 Client,另一个是 Server,如下面图 3 所示。这是最简单的 TCP/IP 的应用,也是 TCP/IP 应用早期的 Peer to Peer (P2P) 概念。其流程基本如图 4 所示。

点击查看原图

图 3 TCP/IP 应用单点 Client/Server

         图 4 显示了 TCP/IP 应用编程最基本的 Client/Server 模式,显示了基本的 Client/Server 通信所需要调用的 Socket APIs 以及顺序。

点击查看原图

图 4 TCP/IP 应用编程基本 Client/Server 模式

 多个 Client 连接一个 Server

       多个 Client 同时连接一个 Server 是 TCP/IP 应用的主流形式,如图 5 所示,其中 Client 连接数可以从几个到成千上万。

点击查看原图

图 5 TCP/IP 应用多 Client 端的 Client/Server

       由于 socket APIs 缺省方式下都是阻塞方式的,实现多个 Client 同时连接一个 Server 就需要特别的设计。其实现方式可以有多种不同的设计,这其中也涉及 I/O 模式设计。下面将展开介绍其中几种设计形式。

利用一个 Client 连接一个 Server 形式实现多 Client 连接

        从程序设计角度讲,只要 Client 和 Server 端口是一对一形式,那么就属于一个 Client 连接一个 Server 形式。在处理多个 Client 端连接时,Server 端轮流使用多个端口建立多个 Client-Server 连接,连接关闭后,被释放端口可以被循环使用。在这种多连接形式中需要谨慎处理 Client 端如何获取使用 Server 端的可用端口。比如图 6 显示 Server 有一个服务于所有进程的进程可以先把 Server 端的可用端口发送给 Client 端,Client 端再使用该端口建立连接来处理业务。Server 针对每一个 Client 连接用一个专门的进程来处理。由于可用端口数有限,Server 用一个有限循环来处理每一个可用的端口连接。由于新端口需要用 bind() 来绑定,所以需要从 bind() 开始到 close() 结束都需要包含在循环体内。

点击查看原图

 图 6 利用一对一 Client-Server 模式实现多 Client 连接

使用多个 accept() 实现多 Client 连接

       多进程 Server 一般有一个专注进程是服务于每一个连接的。当 Client 端完成连接后,专注进程可以循环被另外的连接使用。使用多个 accept() 也可以实现处理多 Client 连接。多 accept() 的 Server 也只有一个 socket(),一个 bind(),一个 listen(),这与通常情况一样。但是它建立许多工作子进程,每一个工作子进程都有 accept(),这样可以为每一个 Client 建立 socket 描述符。如图 7 所示,由于 accept() 连接成功后,会产生一个新的 socket 描述符,这样通过循环多进程利用 accept() 产生的多 socket 描述符就可以与多个 Client 进行连接通信。循环体是从 accept() 开始到 close() 结束的。

点击查看原图

图 7 使用多 accept() 实现多 Client 连接

使用并发 Server 模式实现多 Client 连接

       并发服务器模式曾经是 TCP/IP 的主流应用程序设计模式,得到广泛使用,目前互联网上仍有相当多的应用使用此种模式。其设计思路是在 accept 之后 fork 出一个子进程。因为 socket 会产生监听 socket 描述符 listenfd,accept 会产生连接 socket 描述符 connfd。连接建立后,子进程继承连接描述符服务于 Client,父进程则继续使用监听描述符等待另外一个 Client 的连接请求,以产生另外一个连接 socket 描述符和子进程。如图 8 所示,accept() 接收到一个 Client 连接后,产生一个新的 socket 描述符,通过 fork() 系统调用,用一个子进程来处理该 socket 描述符的连接服务。而父进程可以立即返回到 accept(),等待一个新的 Client 请求,这就是典型的并发服务器模式。并发服务器模式同时处理的最大并发 Client 连接数由 listen() 的第二个参数来指定。

点击查看原图

图 8 TCP/IP 应用并发 Server

使用 I/O 多路技术实现多 Client 连接

       以上三种连接设计,多 Server 端口、多 accept() 和并发服务器模式,都是通过 fork() 系统调用产生多进程来实现多 Client 连接的。使用 I/O 多路技术也可以同时处理多个输入与输出问题,即用一个进程同时处理多个文件描述符。I/O 多路技术是通过 select() 或 poll() 系统调用实现的。poll() 与 select() 功能完全相同,但是 poll() 可以更少使用内存资源以及有更少的错误发生。select() 调用需要与操作文件描述符集的 APIs 配合使用。select() 系统调用可以使一个进程检测多个等待的 I/O 是否准备好,当没有设备准备好时,select() 处于阻塞状态中,其中任一设备准备好后,select() 函数返回调用。select() API 本身也有一个超时时间参数,超时时间到后,无论是否有设备准备好,都返回调用。其流程如图 9 所示。在 socket APIs listen() 和 accept() 之间插入 select() 调用。使用这三个宏 FD_ZERO()、FD_CLR() 和 FD_SET(),在调用 select() 前设置 socket 描述符屏蔽位,在调用 select() 后使用 FD_ISSET 来检测 socket 描述符集中对应于 socket 描述符的位是否被设置。 FD_ISSET() 就相当通知了一个 socket 描述符是否可以被使用,如果该 socket 描述符可用,则可对该 socket 描述符进行读写通信操作。通常,操作系统通过宏 FD_SETSIZE 来声明在一个进程中 select() 所能操作的文件或 socket 描述符的最大数目。更详细的 I/O 多路技术实现,可以参考其他相关文献。

点击查看原图

图 9 I/O 多路技术实现多连接的 Server

一个 Client 连接多个 Server

         一个 Client 连接多个 Server 这种方式很少见,主要用于一个客户需要向多个服务器发送请求情况,比如一个 Client 端扫描连接多个 Server 端情况。如图 10 所示。此种方式设计主要是 Client 端应用程序的逻辑设计,通常需要在 Client 端设计逻辑循环来连接多个 Server,在此不做更多描述。

点击查看原图

图 10 单 Client 对多 Server

复杂 Client/Server 设计与现代 P2P

        最近几年,对等网络技术 ( Peer-to-Peer,简称 P2P) 迅速成为计算机界关注的热门话题之一,以及影响 Internet 未来的科技之一。与早期点对点 (Peer to Peer) 的 Client/Server 模式不同,现在的 P2P 模式是指每个结点既可充当服务器,为其他结点提供服务,同时也可作为客户端享用其他结点提供的服务。实际上 P2P 模式仍然是基于 Client/Server 模式的,每个通信节点都既是 Server,又是 Client,P2P 是基于复杂 Client/Server 设计的 TCP/IP 应用。图 11 显示 P2P 模式下两个用户 PC 之间的对等连接。

点击查看原图

图 11 P2P 模式

       在技术上,P2P 本身是基于 TCP/IP Client/Server 技术的一种设计模式思想, P2P 也属于网络应用层技术,与 Web 和 FTP 等应用是并列的。只是 P2P 应用在设计实现上更要复杂的多。P2P 技术实现的协同工作是无需专门的服务器支持的 (Serverless),这里的服务器概念与 Client/Server 中的 Server 概念是不一样的。在传统意义上中心服务器机器上往往运行的是 TCP/IP 应用的 Server 端程序,所以传统意义上的 Server 概念在机器与应用上是重合的。如果更改 TCP/IP 的应用设计,使应用程序既可做 Server 又可做 Client,就可以实现无中心服务器的 P2P 模式。

       在设计模式上,P2P 模式实现了网络终端用户不依赖中心服务器或者服务商而直接进行信息和数据交换的可能,因此 P2P 正在改变着整个互联网的一些基础应用,从而极大地增加了用户之间的信息沟通和交流能力。目前互联网的 P2P 应用与网络都正在飞速发展,一些典型的 P2P 应用程序比如有 BitTorrent, eDonkey 等,另外一些即时通信(IM)类软件比如 MSN、QQ 等也正在向无中心服务器模式转变。无中心服务器的 Internet 应用程序大大降低应用提供商的运营成本,而且减少人们对于 Server 稳定性的依赖。

Client/Server 通信连接方式设计

       Client/Server 通信方式建立后,下一步就需要考虑通信连接的方式,主要有两种方式的连接,即长连接通信与短连接通信。通信连接方式涉及到的 APIs 主要是 connect() 和 accept()。要实现某种 Client/Server 方式,就必须考虑用某种特定的连接方式。

短连接通信

       短连接通信是指 Client 方与 Server 方每进行一次通信报文收发交易时才进行通讯连接,交易完毕后立即断开连接。此种方式常用于多个 Client 连接一个 Server 情况,常用于机构与用户之间通信,比如 OLTP(联机事务处理)类应用。在短连接情况下,Client 端完成任务后,就关闭连接并退出。在 Server 端,可以通过循环 accept(),使 Server 不会退出,并连续处理 Client 的请求。图 12 显示了一般情况下短连接通信模式的 Socket 事件流,不同设计的连接多 Client 的 Server 有不同的循环流程。

点击查看原图

图 12 短连接模式通信

长连接通信

       长连接通信是指 Client 方与 Server 方先建立通讯连接,连接建立后不会断开,然后再进行报文发送和接收,报文发送与接收完毕后,原来连接不会断开而继续存在,因此可以连续进行交易报文的发送与接收。这种方式下由于通讯连接一直存在,其 TCP/IP 状态是 Established,可以用操作系统的命令 netstat 查看连接是否建立。由于在长连接情况下,Client 端和 Server 端一样可以固定使用一个端口,所以长连接下的 Client 也需要使用 bind() 来绑定 Client 的端口。在长连接方式下,需要循环读写通信数据。为了区分每一次交易的通信数据,每一次交易数据常常需要在数据头部指定该次交易的长度,接收 API 需要首先读出该长度,然后再按该长度读出指定长度的字节。长连接方式常用于一个 Client 端对一个 Server 端的通讯,一般常用于机构与机构之间的商业应用通信,以处理机构之间连续的大量的信息数据交换。或者说可用于两个系统之间持续的信息交流情况。通常为了加快两个系统之间的信息交流,通常还需要建立几条长连接的并行通信线路。图 13 显示了一般情况下长连接通信模式的 socket 事件流,可见其最大特点是 Client 和 Server 都有循环体,而且循环体只包含读写 APIs。

点击查看原图

图 13 长连接模式通信


Client/Server 通信发送与接收方式设计

       在通信数据发送与接收之间也存在不同的方式,即同步和异步两种方式。这里的同步和异步与 I/O 层次的同异步概念不同。主要涉及 socket APIs recv() 和 send() 的不同组合方式。

同步发送与接收

       从应用程序设计的角度讲,报文发送和接收是同步进行的,既报文发送后,发送方等待接收方返回消息报文。同步方式一般需要考虑超时问题,即报文发出去后发送方不能无限等待,需要设定超时时间,超过该时间后发送方不再处于等待状态中,而直接被通知超时返回。同步发送与接收经常与短连接通信方式结合使用,称为同步短连接通信方式,其 socket 事件流程可如上面的图 12 所示。

异步发送与接收

       从应用程序设计的角度讲,发送方只管发送数据,不需要等待接收任何返回数据,而接收方只管接收数据,这就是应用层的异步发送与接收方式。要实现异步方式,通常情况下报文发送和接收是用两个不同的进程来分别处理的,即发送与接收是分开的,相互独立的,互不影响。异步发送与接收经常与长连接通信方式结合使用,称为异步长连接通信方式。从应用逻辑角度讲,这种方式又可分双工和单工两种情况。

异步双工

       异步双工是指应用通信的接收和发送在同一个程序中,而有两个不同的子进程分别负责发送和接收,异步双工模式是比较复杂的一种通信方式,有时候经常会出现在不同机构之间的两套系统之间的通信。比如银行与银行之间的信息交流。它也可以适用在现代 P2P 程序中。如图 14 所示,Server 和 Client 端分别 fork 出两个子进程,形成两对子进程之间的连接,两个连接都是单向的,一个连接是用于发送,另一个连接用于接收,这样方式的连接就被称为异步双工方式连接。

点击查看原图

图 14 长连接异步双工模式

异步单工

       应用通信的接收和发送是用两个不同的程序来完成,这种异步是利用两对不同程序依靠应用逻辑来实现的。图 15 显示了长连接方式下的异步单工模式,在通信的 A 和 B 端,分别有两套 Server 和 Client 程序,B 端的 Client 连接 A 端的 Server,A 端的 Server 只负责接收 B 端 Client 发送的报文。A 端的 Client 连接 B 端的 Server,A 端 Client 只负责向 B 端 Server 发送报文。

点击查看原图

图 15 长连接异步单工模式


 

典型通信连接模式

       综上所述,在实际 TCP/IP 应用程序设计中,就连接模式而言,我们需要考虑 Client/Server 建立方式、Client/Server 连接方式、Client/Server 发送与接收方式这三个不同级别的设计方式。实际 TCP/IP 应用程序连接模式可以是以上三类不同级别 Client/Server 方式的组合。比如一般 TCP/IP 相关书籍上提供的 TCP/IP 范例程序大都是同步短连接的 Client/Server 程序。有的组合是基本没有实用价值的,比较常用的有价值的组合是以下几种:

       其中异步长连接双工是较为复杂的一种通信方式,有时候经常会出现在不同银行或不同城市之间的两套系统之间的通信,比如国家金卡工程。由于这几种通信方式比较固定,所以可以预先编制这几种通信方式的模板程序。

总结

       本文探讨了 TCP/IP 应用程序中连接模式的设计。在以后的文章中还将继续讨论 TCP/IP 应用程序设计中的其他方面的设计话题,包括地址族模式设计、I/O 模式设计、以及通信数据格式设计等。


参考资料

  • AIX V5.3 中 IPv4 和 IPv6 的网络接口操作 : 通过本文,您将了解更多关于套接字 I/O 控制 (ioctl) 命令的内容,以及如何使用它们完成各种网络相关的操作 . 操作系统为套接字、路由表、ARP 表、全局网络参数和接口提供了相应的控制操作方式。
  • Unix Network Programming Volume 1: 帮助您全面地了解 Unix 网络编程的知识。
  • AIX and UNIX 专区 :developerWorks 的“AIX and UNIX 专区”提供了大量与 AIX 系统管理的所有方面相关的信息,您可以利用它们来扩展自己的 UNIX 技能。
  • AIX and UNIX 新手入门 :访问“AIX and UNIX 新手入门”页面可了解更多关于 AIX 和 UNIX 的内容。
  • AIX and UNIX 专题汇总 :AIX and UNIX 专区已经为您推出了很多的技术专题,为您总结了很多热门的知识点。我们在后面还会继续推出很多相关的热门专题给您,为了方便您的访问,我们在这里为你把本专区的所有专题进行汇总,让您更方便的找到你需要的内容。

阅读全文>>

标签: 同步 TCP ARP 稳定 长连接 短连接 TCP/IP IBM C/S API

评论(0) 引用(0) 浏览(15967)

Powered by 易隐者 基于emlog 皖ICP备12002343号-1