Socket

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Sockets

Ein Socket (wörtlich übersetzt „Sockel“ oder „Steckverbindungen“) ist eine bi-direktionale Software-Schnittstelle zur Interprozess- (IPC) oder Netzwerk-Kommunikation. Sockets sind die vollduplexfähige Alternative zu Pipes, FiFos oder Shared Memory.

Sockets bilden eine standardisierte Schnittstelle (API) zwischen der Netzwerk-Protokoll-Implementierung des Betriebssystems und der eigentlichen Applikationssoftware.

Arten von Sockets

BSD verwendet Netzwerk-Sockets seit 1983 in Form der Berkeley Sockets API. Auch Linux oder Solaris verwenden BSD-Sockets. Der Zugriff erfolgt ähnlich wie auf Dateien. Windows verwendet eine den Berkeley Sockets nachempfundene API, Windows Sockets.

Unix verwendet Sockets auch zur lokalen Interprozess-Kommunikation, sog. Unix Domain Sockets. Sie sind Teil des POSIX-Standards. Auch hier wird auf Sockets wie auf Dateien zugegriffen.

Geschichte

Der Kommunikationsablauf heutiger Netzwerkapplikationen, beispielsweise von Client-Server-Anwendungen folgt einem einfachen Konzept:

Verbindungsaufbau
Datenaustausch
Verbindungsabbau

Um die für diesen Ablauf nötige Funktionalität dem Programmierer zur Verfügung zu stellen, wurden im Laufe der Zeit einige Schnittstellen entwickelt, von denen das Sockets-Interface wohl das erfolgreichste ist. Ihren Ursprung hat diese Schnittstelle im traditionellen everything-is-a-file-Konzept von Unix. Die Eingabe/Ausgabe-Behandlung (I/O) unter Unix folgt dem sogenannten Open-Read-Write-Close-Algorithmus. 'Open' überprüft die Berechtigung bzw. gewährleistet den Zugriff auf I/O-Ressourcen. Darauf folgen eine oder mehrere Read/Write-Zyklen, wobei 'Read' Daten von der I/O-Ressource liest und dem User zur Verfügung stellt, 'Write' hingegen Daten schreibt (z. B. Speichervorgang). Zum Abschluss des Vorgangs erfolgt das Kommando 'Close'. Als Netzwerksupport in Unix-Systemen integriert wurde, wollte man die Kommunikation ähnlich diesem ORWC-Algorithmus gestalten. Aus diesen Bemühungen entstand unter BSD-Unix die Sockets-Schnittstelle.

Sockets wurden ursprünglich nur für das BSD-Unix-Betriebssystem entwickelt, definieren jedoch mittlerweile einen De facto-Standard. So modellierte auch Microsoft das Windows Socket Interface der Windows-Betriebssysteme auf Basis der Berkeley-Sockets.

Allgemeines

Bei einem Socket handelt es sich um ein Ende einer Kommunikationsschnittstelle zwischen zwei Programmen, welche Daten über ein Netzwerk austauschen. Eine Applikation fordert einen Socket vom Betriebssystem an, und kann über diesen anschließend Daten verschicken und empfangen. Das Betriebssystem hat die Aufgabe, alle benutzten Sockets sowie die zugehörigen Verbindungsinformationen zu verwalten. Verschiedene Socket-Klassen repräsentieren die Verbindung auf der Client- wie auf der Serverseite. Eine Socket-Adresse kann z. B. definiert sein durch:

Identifikationsnummer des Remote-Host
Portnummer des Remote-Host (siehe Port (Protokoll))
Identifikationsnummer des Local-Host
Portnummer des Local-Host

Diese Informationen sind allerdings vom verwendeten Protokoll abhängig, so ist die Adress-Information für einen UNIX Domain Socket (wird benutzt für Interprozesskommunikation) ein Dateipfad. Typischerweise handelt es sich bei der Adress-Information im Internet um die IP-Adresse und den Port.

Die Vergabe der Portnummern erfolgt beim Verbindungsaufbau. Die Portnummern werden großteils vom System beliebig vergeben. Ausnahmen sind die sogenannten Well-Known-Ports welche von bekannten Applikationen fix verwendet werden.

Stream Sockets und Datagram Sockets

Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Typen besteht darin, dass Stream Sockets über einen kontinuierlichen Zeichen-Datenstrom kommunizieren, wohingegen Datagram Sockets auf dem Senden von einzelnen Nachrichten basieren.

Stream Sockets verwenden meist TCP, was aufgrund der Eigenschaften von TCP zu einer hohen Verlässlichkeit führt. Andere Transportprotokolle als TCP sind denkbar, aber wenig verbreitet. Datagram Sockets arbeiten üblicherweise über UDP, also verbindungslos. Dies impliziert schnellen Datenaustausch, jedoch geringe Verlässlichkeit. Auch hier sind natürlich alternative Protokolle möglich.

Server Sockets

Ein Socket ist normalerweise die Verbindungsstelle zu einem bestimmten entfernten Programm, repräsentiert durch dessen Adress-Information (z. B. IP-Adresse und Portnummer). Dem Socket selbst ist natürlich auch die eigene Adress-Information zugeordnet.

Ein Server muss jedoch auf Anfragen von unbekannten Rechnern warten können. Er kann sich auf eine bestimmte Adresse binden und auf Anfragen an diese Adresse warten. Allerdings muss ein Server auch auf vielen Adressen Anfragen bearbeiten können. Um dies effizienter zu gestalten, gibt es bei einigen Protokollen auch eine sogenannte Wildcard Adresse, bei der ein oder mehrere Teile der Adress-Information nicht spezifisch sind. Im Beispiel von TCP/IP und UDP/IP ist bei einer Wildcard Adresse nur die Portnummer relevant, es wird eine spezielle (ungültige) IP-Adresse angegeben, um zu signalisieren, dass Verbindungen auf allen dem Server zugeordneten IP-Adressen akzeptiert werden sollen.

Wenn der Server eine Anfrage von einem Client erhält, dann wird vom Server-Socket die 'normale' Socketverbindung abgeleitet. Das heißt, dass der ursprüngliche Server-Socket erhalten bleibt und weiterhin auf neue Verbindungen wartet 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.

Unterschiede beim Aufbau von Sockets auf Client- bzw. Serverseite:

Client-seitig:

Socket erstellen
Erstellten Socket mit der Serveradresse verbinden, von welcher Daten angefordert werden sollen
Senden und Empfangen von Daten
Verbindung trennen, Socket beenden

Server-seitig:

Server-Socket erstellen
Binden des Sockets an eine Adresse (Port) über welche Anfragen akzeptiert werden
Auf Anfragen warten
Anfragen akzeptieren und damit einen neuen Socket für diesen Client erstellen
Bearbeiten des Client-Wunsches auf dem neuen Client-Socket
Client-Socket wieder schließen.

Socket-Programmierung in Java

Java als plattformunabhängige Programmiersprache unterstützt im Package java.net unmittelbar die Socket-Programmierung. Das zeigt die Betriebssystemunabhängigkeit des Socket-Konzeptes. Die Implementierung der Sockets für die verschiedenen Plattformen (Linux, Windows, Spezialsysteme) erfolgt in der Klassenbibliothek der virtuellen Maschine.

Die Klassen für die Socket-Programmierung sind Socket und ServerSocket. Folgendes Kurzbeispiel zeigt die Verwendung: ServerSocket theServerSocket = new ServerSocket(port); //Serversocket mit bestimmter Portnummer erstellen while(true) { Socket clientSocket = theServerSocket.accept(); //auf Anfragen warten InputStream input = clientSocket.getInputStream(); //InputStream-Objekt öffnen int data = input.read(); //Daten lesen clientSocket.close(); //Verbindung schließen }

Weblinks

Unix Socket FAQ
Socket Programming HOWTO
Socket Programmierung, Socket Tipps
Raw Sockets unter Unix
c-worker.ch – Winsock Tutorials, C++ Code u. Dokus, Win32 API, PHP Text File Database
Beej's Network Guide (englisch); Erläuterung des Socket-API (Unix/Linux & Windows)
Tecchannel Gute Erläuterung

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