Мережна взаємодія та сокети

Моделі взаємодії в розподілених системах

У темах 2–7 паралельні обчислення виконувалися в одному процесі на спільній пам’яті. Розподілена система (distributed system) – це кілька процесів на одному чи різних комп’ютерах, які не мають спільної пам’яті й обмінюються повідомленнями через мережу. Так побудовані вебсервіси, кластери (теми 12–13), брокери повідомлень (тема 15) і хмарні застосунки (теми 16–17).

Основні моделі взаємодії:

• клієнт–сервер (client–server): сервер очікує запити на відомій адресі, клієнти самі встановлюють з’єднання; сервер обслуговує багатьох клієнтів одночасно;
• багаторівнева архітектура (multi-tier): клієнт звертається до сервера застосунку, а той – до сервера бази даних чи інших сервісів; кожен рівень є клієнтом для наступного;
• однорангова модель (peer-to-peer, P2P): кожен вузол водночас клієнт і сервер (обмін файлами, блокчейн, розподілені хеш-таблиці).

За способом очікування взаємодія буває синхронною (клієнт чекає відповіді, як у звичайному виклику методу) та асинхронною (клієнт надсилає повідомлення й продовжує роботу, відповідь надходить пізніше або не потрібна зовсім). У .NET синхронну за логікою взаємодію реалізують асинхронним кодом async/await (тема 5), щоб очікування мережі не займало потоків.

Хибні припущення розподілених обчислень

Л. Пітер Дойч і його колеги із Sun Microsystems сформулювали вісім помилкових припущень, які роблять початківці: мережа надійна; затримка нульова; пропускна здатність нескінченна; мережа безпечна; топологія не змінюється; є один адміністратор; транспортування безкоштовне; мережа однорідна. Кожне з них у реальній системі хибне, тому мережевий код завжди має таймаути, повторні спроби, перевірку даних і захист каналу.

Стек протоколів TCP/IP

Мережеві програми працюють над стеком TCP/IP: канальний рівень (Ethernet, Wi-Fi), мережевий (IP – доставка пакетів між вузлами), транспортний (TCP або UDP – доставка між процесами) і прикладний (HTTP, SMTP, gRPC або власний протокол).

• IP-адреса визначає вузол: IPv4 – 32 біти (192.168.0.10, петлева адреса 127.0.0.1), IPv6 – 128 бітів (2001:db8::1, петлева ::1). Адреса 0.0.0.0 (IPAddress.Any) під час прив’язки означає «усі мережеві інтерфейси».
• Порт (0–65535) визначає процес на вузлі. Порти до 1023 зарезервовані для відомих служб (80 – HTTP, 443 – HTTPS); у прикладах цієї теми використано порти 5000–5055.
• Кінцева точка (endpoint) – пара «адреса, порт», у .NET клас IPEndPoint.
• DNS перетворює ім’я на адреси: await Dns.GetHostAddressesAsync("localhost") на комп’ютері автора повернув дві адреси: ::1 (InterNetworkV6) і 127.0.0.1 (InterNetwork).

Транспортні протоколи порівнює табл. 14.1.

Таблиця 14.1. Порівняння протоколів TCP і UDP

Властивість	TCP	UDP
з’єднання	встановлюється (трикрокове рукостискання SYN, SYN-ACK, ACK)	немає: кожна дейтаграма незалежна
надійність	підтвердження, повторне надсилання, контрольні суми	дейтаграма може загубитися або надійти двічі
порядок	байти надходять у порядку відправлення	порядок не гарантовано
межі повідомлень	немає: потік байтів	зберігаються: одна дейтаграма – одне повідомлення (до 65 507 байтів у IPv4)
керування потоком	так (вікно, контроль перевантаження)	ні
застосування	HTTP/1.1, HTTP/2, gRPC, бази даних, SSH	DNS, потокове відео, ігри, виявлення сервісів, HTTP/3 (QUIC)

Діагностичні утиліти

Перевірити, чи слухає сервер порт, можна командами (рис. 14.1):

Get-NetTCPConnection -LocalPort 5000 -State Listen
Test-NetConnection 127.0.0.1 -Port 5000   # TcpTestSucceeded : True
ss -tlnp | grep 5000                      # Linux (bash)

Get-NetTCPConnection показує адресу, порт, стан Listen і номер процесу (OwningProcess), Test-NetConnection пробує з’єднатися, а ss у Linux замінює застарілий netstat. Пакети переглядають аналізатором Wireshark (https://www.wireshark.org/docs/); у Windows трафік localhost захоплюють на адаптері Adapter for loopback traffic capture.

Знімок екрана

Windows Terminal: dotnet run -c Release -- server of the echo example in one tab; in another Get-NetTCPConnection -LocalPort 5000 -State Listen and Test-NetConnection 127.0.0.1 -Port 5000; optionally Ubuntu ss -tlnp | grep 5000

Рис. 14.1. Сервер, що слухає порт 5000

Сокети в .NET

Сокет (socket) – об’єкт операційної системи, через який процес надсилає та отримує дані мережею. У .NET є два рівні API (https://learn.microsoft.com/dotnet/fundamentals/networking/sockets/sockets-overview):

• клас Socket з простору імен System.Net.Sockets – тонка обгортка над сокетами ОС (Winsock у Windows, BSD-сокети в Linux): Bind, Listen, AcceptAsync, ConnectAsync, SendAsync, ReceiveAsync, Shutdown;
• класи TcpListener, TcpClient, UdpClient – спрощені обгортки для типових сценаріїв; TcpClient дає NetworkStream, тобто звичайний Stream, з яким працюють StreamReader, StreamWriter, CopyToAsync та серіалізатори.

Послідовність викликів TCP-сервера й клієнта показано на рис. 14.2. Сервер створює сокет, прив’язує його до кінцевої точки (Bind), переводить у режим очікування (Listen, параметр – довжина черги непринятих з’єднань) і приймає з’єднання (AcceptAsync). Кожне прийняте з’єднання – новий сокет, а слухаючий сокет знову чекає наступного клієнта.

Рис. 14.2. Послідовність викликів TCP-сокетів

// Сервер: один запит і одна відповідь.
using Socket listener = new(AddressFamily.InterNetwork,
    SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
listener.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 5000));
listener.Listen(backlog: 100);
using Socket handler = await listener.AcceptAsync();
byte[] buffer = new byte[1024];
int received = await handler.ReceiveAsync(buffer, SocketFlags.None);
string request = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, received);
byte[] reply = Encoding.UTF8.GetBytes($"pong: {request}");
await handler.SendAsync(reply, SocketFlags.None);
handler.Shutdown(SocketShutdown.Both);    // коректне закриття

Клієнт створює такий самий сокет, викликає ConnectAsync(endpoint), надсилає "ping" і отримує pong: ping; наступний ReceiveAsync клієнта повертає 0.

ReceiveAsync повертає кількість прочитаних байтів; нуль означає, що інша сторона закрила з’єднання. Метод може повернути менше байтів, ніж надіслано: TCP не зберігає межі повідомлень (розділ «Протокол прикладного рівня»). Для IPv6 створюють сокет AddressFamily.InterNetworkV6; властивість DualMode = true дозволяє такому сокету приймати й IPv4-з’єднання (типово false).

Обслуговування багатьох клієнтів

Сервер, який обробляє клієнта в циклі прийому, обслуговує лише одного клієнта за раз. Класичне рішення «потік на клієнта» (тема 2) погано масштабується: тисяча клієнтів – тисяча потоків зі стеками. У .NET кожне з’єднання обслуговує асинхронна задача: цикл прийому викликає sessions.Add(ServeAsync(client, token)) без await і одразу повертається до AcceptTcpClientAsync, а ServeAsync читає й пише через await. Поки клієнт мовчить, задача не займає потоку, тому сервер на кількох потоках пулу обслуговує тисячі з’єднань. Задачі зберігають у списку, щоб під час зупинки дочекатися їх (Task.WhenAll) і не втратити винятки (приклад «Відлуння TCP»). Опис класів TcpListener і TcpClient: https://learn.microsoft.com/dotnet/fundamentals/networking/sockets/tcp-classes.

Пастка

Спільні дані сервера (список клієнтів, лічильники, кімнати чату) змінюються з різних задач одночасно, тому потребують синхронізації або потокобезпечних колекцій (теми 3–4). Запис у той самий NetworkStream з двох задач одночасно перемішує байти повідомлень: у кожного з’єднання має бути один записувач або блокування на запис.