Python: međuprocesna komunikacija: utičnice

• BSD utičnice ili POSIX utičnice (engl. sockets), poznate i pod nazivima Berkeley sockets i Unix sockets, su de facto standardno sučelje za međuprocesnu komunikaciju lokalno i putem računalne mreže

  • koriste model komunikacije klijent-poslužitelj bez obzira izvodi li se komunikacija izvodi lokalno ili putem računalne mreže
  • koriste se na operacijskim sustavima sličnim Unixu i na Windowsima

  • nastaju kao aplikacijsko programsko sučelje za pristup TCP-u i IP-u 1983. godine kad Bill Joy i kolege iz Computer Systems Research Group s Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyu izbacuju 4.2BSD; BSD je u to doba razvojna platforma za TCP/IP, o čemu detaljnije govori Marshall Kirk McKusick u svojim izlaganjima o povijesti razvoja Unixa na Berkeleyu:

    • u članku Twenty Years of Berkeley Unix: From AT&T-Owned to Freely Redistributable (Open Sources: Voices from the Open Source Revolution)
    • u predavanju MeetBSD 2018: Dr. Kirk McKusick - A Narrative History of BSD
    • u predavanju A Narrative History of BSD
    • u predavanju Kirk McKusick - A Narrative History of BSD
    • u predavanju A Narrative History of BSD, Dr. Kirk McKusick

  • standardizirane su 2008. godine uz male razlike u imenovanju funkcija i preimenovane u POSIX utičnice

• podjela prema adresiranju (AF_*)

  • Unix domain sockets koriste datotečni sustav (obitelj adresa AF_UNIX)
  • Unix network sockets koriste IPv4 (obitelj adresa AF_INET) i IPv6 (obitelj adresa AF_INET6)

• podjela prema pouzdanosti (SOCK_*)

  • datagramski (tip SOCK_DGRAM), kod TCP/IP-a koriste se za UDP
  • tokovni (tip SOCK_STREAM), kod TCP/IP-a koriste se za TCP

• module socket (službena dokumentacija) nudi pristup BSD socket sučelju

  • koristi objekte tipa bytes u komunikaciji; kad šaljete objekte tipa str, za konverziju između tipova str i bytes koriste se str.encode() i bytes.decode()

    s1 = 'Bill Joy'
    b1 = s1.encode() # b1 ima vrijednost b'Bill Joy'
    b2 = b'uti\xc4\x8dnica' # u kodiranju UTF-8 0xc4 0x8d (c48d) je 'č'
    s2 = b2.decode() # s2 ima vrijednost 'utičnica'
    

• socket.AF_UNIX mrežne utičnice formalno koriste datotečni sustav kao prostor adresa (interna implementacija je efikasnija od pisanja i čitanja iz datoteka)

  • procesi međusobno mogu slati podatke i opisnike datoteka; mi ćemo se ograničiti na slanje podataka, a Keith Packard u članku fd-passing objašnjava kako se opisnici datoteka šalju putem utičnica i koja je primjena tih tehnika u X Window Systemu

• socket.AF_INET mrežne utičnice koriste IPv4, a socket.AF_INET6 mrežne utičnice koriste IPv6 kao prostor adresa

  • primjer para IPv4 adrese i TCP/UDP vrata je oblika ('127.0.0.1', 5000)
  • primjer para IPv6 adrese i TCP/UDP vrata je oblika ('::1', 5000)
  • za IPv4 i IPv6 možemo koristiti i domene umjesto adresa, npr. ('localhost', 5000)

• socket.SOCK_DGRAM su datagramske utičnice

  • omogućuju jednosmjernu komunikaciju kod koje klijent šalje, a poslužitelj prima prima podatke
  • nema mogućnosti baratanja s više klijenata, svi podaci stižu na jednu utičnicu bez obzira koji od klijenata ih šalje
  • nema osiguranja da će poslani podaci stići

• socket.bind(address) se povezuje na adresu address (poslužiteljska strana)

• socket.recv(size) čita podatke s utičnice do veličine size i njih vraća
• socket.recvfrom(size) čita podatke s utičnice do veličine size i vraća uređeni par (data, address)

• socket.close() zatvara utičnicu; potrebno je napraviti nakon završetka rada s utičnicom, slično kao kod datoteka

  # poslužiteljska strana, pokreće se prva
  import socket
  
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
  sock.bind(('localhost', 5000))
  podaci = sock.recv(1024)
  sock.close()
  pozdrav = podaci.decode()
  print(pozdrav)
  

• ako želimo koristiti datoteke umjesto IP adresa, u primjeru poslužitelja iznad treba promijeniti dvije linije

  sock = socket.socket(socket.AF_UNIX, socket.SOCK_DGRAM)
  sock.bind('socket1') # ovu datoteku će biti potrebno ručno izbrisati nakon završetka izvođenja programa
  

• socket.connect(address) se povezuje na adresu address (klijentska strana)

• socket.send(data) šalje podatke data na adresu na koju je utičnica povezana i vraća veličinu poslanih podataka

• socket.sendto(data, address) šalje podatke data na adresu address i vraća veličinu poslanih podataka

  # klijentska strana, pokreće se nakon pokretanja poslužitelja
  import socket
  
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
  sock.connect(('localhost', 5000))
  pozdrav = "Pozdrav svijetu!"
  podaci = pozdrav.encode()
  sock.send(podaci)
  sock.close()
  

• ako želimo koristiti datoteke umjesto IP adresa, u primjeru klijenta iznad treba promijeniti dvije linije

  sock = socket.socket(socket.AF_UNIX, socket.SOCK_DGRAM)
  sock.bind('socket1') # ovu datoteku će biti potrebno ručno izbrisati nakon završetka izvođenja programa
  

• socket.SOCK_STREAM su tokovne utičnice

  • omogućuju dvosmjernu komunikaciju
  • garantiraju dostavu poruka
  • postoji konekcija dvaju strana

• poslužiteljska utičnica stvara utičnice na strani poslužitelja za klijente koji se povezuju

• socket.listen(backlog) poslužiteljska utičnica osluškuje za povezivanja od strane klijenata; prima klijente koji se žele povezati dok broj ne naraste do backlog klijenata, a nakon toga odbija nova povezivanja sve do prihvaćanja dotad primljenih klijenata korištenjem funkcije socket.accept()

• socket.accept() prihvaća klijenta i vraća uređeni par (socket object, address info) za svakog klijenta; socket object se koristi za komunikaciju s točno tim klijentom; kad se koristi socket.AF_UNIX, address info je prazan

  # poslužiteljska strana, pokreće se prva
  import socket
  
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  sock.bind(('localhost', 5000))
  sock.listen(1)
  clisock, addr = sock.accept()
  while True:
      podaci = clisock.recv(1024)
      if not podaci:
          break
      pozdrav = podaci.decode()
      print(pozdrav)
      poslani_podaci = pozdrav.encode()
      clisock.send(poslani_podaci)
  clisock.close()
  sock.close()
  

• klijentska utičnica se povezuje na poslužitelj isto kao kod datagramskih

  # klijentska strana, pokreće se nakon pokretanja poslužitelja
  import socket
  
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  sock.connect(('localhost', 5000))
  pozdrav = "Pozdrav svijetu!"
  podaci = pozdrav.encode()
  sock.send(podaci)
  primljeni_podaci = sock.recv(1024)
  primljeni_pozdrav = primljeni_podaci.decode()
  print(primljeni_pozdrav)
  sock.close()
  

• poslužiteljska aplikacija može primiti više od jednog klijenta korištenjem poziva select() iz modula select za provjeru postoji li novi klijent ili novi podaci za čitanje na nekoj od postojećih klijentskih utičnica

  • obzirom da se za komunikaciju sa svakim od klijenata koristi posebna utičnica, vrlo je lako razlikovati poruke različitih klijenata

  # poslužiteljska strana
  import socket
  import select
  
  sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  sock.bind(('localhost', 5000))
  sockets = [sock] # ova lista će nam trebat ispod za select()
  while True:
      sock.listen(1)
      readready, writeready, exceptready = select.select(sockets, [], [])
      for readysock in readready:
          if readysock == sock:
              # klijent se želi povezati
              clisock, addr = readysock.accept()
              sockets.append(clisock)
          else:
              # neki od klijenata ima podatke za razmijeniti
              while True:
                  podaci = readysock.recv(1024)
                  if not podaci:
                      break
                  pozdrav = podaci.decode()
                  print(pozdrav)
                  poslani_podaci = pozdrav.encode()
                  readysock.send(poslani_podaci)
              readysock.close()
  sock.close()
  

Author: Vedran Miletić