Sockets

Allgemein

• Ein Socket ist ein vom Betriebssystem bereitgestelltes Objekt, das als Kommunikationsendpunkt dient.
• Ein Programm verwendet Sockets, um Daten mit anderen Programmen auszutauschen.
• Das andere Programm kann sich dabei auf demselben Computer (Interprozesskommunikation) befinden
• Oder einem anderen, via Netzwerk erreichbaren Computer befinden.
• Die Kommunikation über Sockets erfolgt in der Regel bidirektional,
• Daten können über das Socket können Daten sowohl empfangen als auch gesendet werden.

Allgemeines Funktionsprinzip

• Sockets bilden eine plattformunabhängige standardisierte Schnittstelle zwischen der Netzwerkprotokoll-Implementierung des Betriebssystems und der eigentlichen Anwendungssoftware.
• Ein Computerprogramm fordert einen Socket vom Betriebssystem an.
• Das Betriebssystem hat die Aufgabe, alle benutzten Sockets sowie die zugehörigen Verbindungsinformationen zu verwalten.

Internet-Sockets

• Internet-Sockets ermöglichen die Kommunikation mittels bestimmter Kommunikationsprotokolle.
• Generell kann man unterscheiden zwischen Stream Sockets und Datagram Sockets
• Stream Sockets kommunizieren über einen Zeichen-Datenstrom
• Datagramm Sockets über einzelne Nachrichten.
• In der Netzwerkkommunikation verwenden Stream Sockets meist TCP
• Datagramm Sockets üblicherweise UDP.
• Ein Socket ist normalerweise die Verbindungsstelle zu einem bestimmten entfernten Programm, repräsentiert durch dessen Adressinformation (z. B. IP-Adresse und Portnummer).
• Dem Socket selbst ist natürlich auch die eigene Adressinformation zugeordnet.

Ein Server kann entweder auf Anfragen von einer bestimmten Adresse warten (und bindet sich von vornherein an diese Adresse) oder er wartet auf allen Adressen seines Rechners auf Anfragen. Dafür gibt es bei einigen Protokollen eine sogenannte Wildcard-Adresse, bei der ein oder mehrere Teile der Adressinformation nicht spezifisch sind. Im Beispiel von TCP/IP und UDP/IP ist bei einer Wildcard-Adresse nur die Port-Nummer relevant, das heißt, es wird eine spezielle (ungültige) IP-Adresse angegeben, um zu signalisieren, dass Verbindungen auf allen IP-Adressen akzeptiert werden sollen. Unter Linux ist diese Wildcardadresse 0.0.0.0 (symbolische Konstante INADDR_ANY).

Wenn der Server eine Anfrage von einem Client erhält, wird aus dem lauschenden („listening“) Server-Socket der in Verbindung stehende („connected“) Server-Socket abgeleitet: Der ursprüngliche Server-Socket bleibt erhalten und wartet weiterhin auf neue Verbindungen, während ein neuer, auf den bestimmten Client gerichteter Socket geöffnet wird, der nur für die Kommunikation mit diesem einen Client verwendet wird. Dieser bleibt solange bestehen, bis die Verbindung zum Client von einer der beiden Seiten beendet wird. Dieses Ableiten kann dazu genutzt werden, eine parallelisierte Serverarchitektur zu schaffen, in der sich der Server bei einer Anfrage forkt und ein Kindprozess die Anfrage selbst beantwortet.

Das heißt, dass ein mit einem Client-Socket verbundener („connected“) Server-Socket genau die gleiche IP-Adresse und Port-Nummer trägt wie der lauschende („listen“) Server-Socket. Die Unterscheidung von gleichzeitigen Client-Verbindungen zum selben Server erfolgt daher durch das Paar von Server-Socket und Client-Socket. Dieses Paar muss zu jedem Zeitpunkt eindeutig auf jedem der beteiligten Kommunikationspartner sein. Als Beispiel sei ein HTTP-Server gegeben, der auf Port 80 lauscht. Die Verbindungen des Servers zu verschiedenen Clients führt zu folgenden eindeutigen „Connected“-Socket-Paaren auf dem Server-Rechner:

(<Server-IP>:80;<Client_A-IP>:<Client_A_Port_1>), (<Server-IP>:80;<Client_A-IP>:<Client_A_Port_2>), (<Server-IP>:80;<Client_B-IP>:<Client_B_Port_1>) usw.

Ablauf der Socket-Kommunikation Stream Sockets Client-seitig:

Socket erstellen erstellten Socket mit der Server-Adresse verbinden, von welcher Daten angefordert werden sollen Senden und Empfangen von Daten evtl. Socket herunterfahren (shutdown(), close()) Verbindung trennen, Socket schließen Server-seitig:

Server-Socket erstellen Binden des Sockets an eine Adresse (Port), über welche Anfragen akzeptiert werden auf Anfragen warten Anfrage akzeptieren und damit ein neues Socket-Paar für diesen Client erstellen Bearbeiten der Client-Anfrage auf dem neuen Client-Socket Client-Socket wieder schließen. Datagram Sockets Client-seitig:

Socket erstellen An Adresse senden Server-seitig:

Socket erstellen Socket binden warten auf Pakete Sockets und Interprozesskommunikation Unix-Betriebssysteme verwenden zur lokalen Interprozesskommunikation sogenannte POSIX Local Inter-Process Communication Sockets (auch IPC Sockets, von "inter-process communication sockets", oder Unix Domain Sockets). Auch hier gibt es Datagram und Stream Sockets; da die Kommunikation aber im Kernel stattfindet, verhalten sich Stream und Datagram Sockets sehr ähnlich (z. B. besteht hier auch bei Datagram Sockets keine Gefahr von Datenverlust). Ein Unix Domain Socket wird als Spezialdatei im Dateisystem repräsentiert. Anstelle von IP-Adresse und Port-Nummer dient der vollständige Pfad des Sockets als eindeutige Identifikation (z. B. /var/run/snmpd.sock). Unix Domain Sockets haben für die IPC gegenüber Verbindungen, die die Loopback-Schnittstelle nutzen, den Vorteil eines wesentlich höheren Durchsatzes.

• TCP Sockets
• UDP Sockets
• Unix Sockets