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# 第二七章:Socket 和 Syslog ## 基本网络 本书的前几张,我们讨论了在网络上进行操作的服务。其中两个例子是数据库客户端/服务器和 web 服务。当需要设计新的协议,或者使用没有现成 Haskell 库的协议通信时,将需要使用 Haskell 库函数提供的底层网络工具。 本章中,我们将讨论这些底层工具。网络通讯是个大题目,可以用一整本书来讨论。本章中,我们将展示如何使用 Haskell 应用你已经掌握的底层网络知识。 Haskell 的网络函数几乎始终与常见的 C 函数调用相符。像其他在 C 上层的语言一样,你将发现其接口很眼熟。 ## 使用 UDP 通信 UDP 将数据拆散为数据包。其不保证数据到达目的地,也不确保同一个数据包到达的次数。其用校验和的方式确保到达的数据包没有损坏。 UDP 适合用在对性能和延迟敏感的应用中,此类场景中系统的整体性能比单个数据包更重要。也可以用在 TCP 表现性能不高的场景,比如发送互不相关的短消息。适合使用 UDP 的系统的例子包括音频和视频会议、时间同步、网络文件系统、以及日志系统。 ## UDP 客户端例子:syslog 传统 Unix syslog 服务允许程序通过网络向某个负责记录的中央服务器发送日志信息。某些程序对性能非常敏感,而且可能会生成大量日志消息。这样的程序,将日志的开销最小化比确保每条日志被记录更重要。此外,在日志服务器无法访问时,使程序依旧可以操作或许是一种可取的设计。因此,UDP 是一种 syslog 支持的日志传输协议。这种协议比较简单,这里有一个 Haskell 实现的客户端: ~~~ -- file: ch27/syslogclient.hs import Data.Bits import Network.Socket import Network.BSD import Data.List import SyslogTypes data SyslogHandle = SyslogHandle {slSocket :: Socket, slProgram :: String, slAddress :: SockAddr} openlog :: HostName -- ^ Remote hostname, or localhost -> String -- ^ Port number or name; 514 is default -> String -- ^ Name to log under -> IO SyslogHandle -- ^ Handle to use for logging openlog hostname port progname = do -- Look up the hostname and port. Either raises an exception -- or returns a nonempty list. First element in that list -- is supposed to be the best option. addrinfos <- getAddrInfo Nothing (Just hostname) (Just port) let serveraddr = head addrinfos -- Establish a socket for communication sock <- socket (addrFamily serveraddr) Datagram defaultProtocol -- Save off the socket, program name, and server address in a handle return $ SyslogHandle sock progname (addrAddress serveraddr) syslog :: SyslogHandle -> Facility -> Priority -> String -> IO () syslog syslogh fac pri msg = sendstr sendmsg where code = makeCode fac pri sendmsg = "<" ++ show code ++ ">" ++ (slProgram syslogh) ++ ": " ++ msg -- Send until everything is done sendstr :: String -> IO () sendstr [] = return () sendstr omsg = do sent <- sendTo (slSocket syslogh) omsg (slAddress syslogh) sendstr (genericDrop sent omsg) closelog :: SyslogHandle -> IO () closelog syslogh = sClose (slSocket syslogh) {- | Convert a facility and a priority into a syslog code -} makeCode :: Facility -> Priority -> Int makeCode fac pri = let faccode = codeOfFac fac pricode = fromEnum pri in (faccode `shiftL` 3) .|. pricode ~~~ 这段程序需要 SyslogTypes.hs ,代码如下: ~~~ -- file: ch27/SyslogTypes.hs module SyslogTypes where {- | Priorities define how important a log message is. -} data Priority = DEBUG -- ^ Debug messages | INFO -- ^ Information | NOTICE -- ^ Normal runtime conditions | WARNING -- ^ General Warnings | ERROR -- ^ General Errors | CRITICAL -- ^ Severe situations | ALERT -- ^ Take immediate action | EMERGENCY -- ^ System is unusable deriving (Eq, Ord, Show, Read, Enum) {- | Facilities are used by the system to determine where messages are sent. -} data Facility = KERN -- ^ Kernel messages | USER -- ^ General userland messages | MAIL -- ^ E-Mail system | DAEMON -- ^ Daemon (server process) messages | AUTH -- ^ Authentication or security messages | SYSLOG -- ^ Internal syslog messages | LPR -- ^ Printer messages | NEWS -- ^ Usenet news | UUCP -- ^ UUCP messages | CRON -- ^ Cron messages | AUTHPRIV -- ^ Private authentication messages | FTP -- ^ FTP messages | LOCAL0 | LOCAL1 | LOCAL2 | LOCAL3 | LOCAL4 | LOCAL5 | LOCAL6 | LOCAL7 deriving (Eq, Show, Read) facToCode = [ (KERN, 0), (USER, 1), (MAIL, 2), (DAEMON, 3), (AUTH, 4), (SYSLOG, 5), (LPR, 6), (NEWS, 7), (UUCP, 8), (CRON, 9), (AUTHPRIV, 10), (FTP, 11), (LOCAL0, 16), (LOCAL1, 17), (LOCAL2, 18), (LOCAL3, 19), (LOCAL4, 20), (LOCAL5, 21), (LOCAL6, 22), (LOCAL7, 23) ] codeToFac = map (\(x, y) -> (y, x)) facToCode {- | We can't use enum here because the numbering is discontiguous -} codeOfFac :: Facility -> Int codeOfFac f = case lookup f facToCode of Just x -> x _ -> error $ "Internal error in codeOfFac" facOfCode :: Int -> Facility facOfCode f = case lookup f codeToFac of Just x -> x _ -> error $ "Invalid code in facOfCode" ~~~ 可以用 ghci 向本地的 syslog 服务器发送消息。服务器可以使用本章实现的例子,也可以使用其它的在 Linux 或者 POSIX 系统中的 syslog 服务器。注意,这些服务器默认禁用了 UDP 端口,你需要启用 UDP 以使 syslog 接收 UDP 消息。 可以使用下面这样的命令向本地 syslog 服务器发送一条消息: ~~~ ghci> :load syslogclient.hs [1 of 2] Compiling SyslogTypes ( SyslogTypes.hs, interpreted ) [2 of 2] Compiling Main ( syslogclient.hs, interpreted ) Ok, modules loaded: SyslogTypes, Main. ghci> h <- openlog "localhost" "514" "testprog" Loading package parsec-2.1.0.0 ... linking ... done. Loading package network-2.1.0.0 ... linking ... done. ghci> syslog h USER INFO "This is my message" ghci> closelog h ~~~ ## UDP Syslog 服务器 UDP 服务器会在服务器上绑定某个端口。其接收直接发到这个端口的包,并处理它们。UDP 是无状态的,面向包的协议,程序员通常使用 recvFrom 这个调用接收消息和发送机信息,在发送响应时会用到发送机信息。 ~~~ -- file: ch27/syslogserver.hs import Data.Bits import Network.Socket import Network.BSD import Data.List type HandlerFunc = SockAddr -> String -> IO () serveLog :: String -- ^ Port number or name; 514 is default -> HandlerFunc -- ^ Function to handle incoming messages -> IO () serveLog port handlerfunc = withSocketsDo $ do -- Look up the port. Either raises an exception or returns -- a nonempty list. addrinfos <- getAddrInfo (Just (defaultHints {addrFlags = [AI_PASSIVE]})) Nothing (Just port) let serveraddr = head addrinfos -- Create a socket sock <- socket (addrFamily serveraddr) Datagram defaultProtocol -- Bind it to the address we're listening to bindSocket sock (addrAddress serveraddr) -- Loop forever processing incoming data. Ctrl-C to abort. procMessages sock where procMessages sock = do -- Receive one UDP packet, maximum length 1024 bytes, -- and save its content into msg and its source -- IP and port into addr (msg, _, addr) <- recvFrom sock 1024 -- Handle it handlerfunc addr msg -- And process more messages procMessages sock -- A simple handler that prints incoming packets plainHandler :: HandlerFunc plainHandler addr msg = putStrLn $ "From " ++ show addr ++ ": " ++ msg ~~~ 这段程序可以在 ghci 中执行。执行 serveLog"1514"plainHandler 将建立一个监听 1514 端口的 UDP 服务器。其使用 plainHandler 将每条收到的 UDP 包打印出来。按下 Ctrl-C 可以终止这个程序。 Note 处理错误。执行时收到了 bind:permissiondenied 消息?要确保端口值比 1024 大。某些操作系统不允许 root 之外的用户使用小于 1024 的端口。 ## 使用 TCP 通信 TCP 被设计为确保互联网上的数据尽可能可靠地传输。 TCP 是数据流传输。虽然流在传输时会被操作系统拆散为一个个单独的包,但是应用程序并不需要关心包的边界。TCP 负责确保如果流被传送到应用程序,它就是完整的、无改动、仅传输一次且保证顺序。显然,如果线缆被破坏会导致流量无法送达,任何协议都无法克服这类限制。 与 UDP 相比,这带来一些折衷。首先,在 TCP 会话开始必须传递一些包以建立连接。其次,对于每个短会话,UDP 将有性能优势。另外,TCP 会努力确保数据到达。如果会话的一端尝试向远端发送数据,但是没有收到响应,它将周期性的尝试重新传输数据直至放弃。这使得 TCP 面对丢包时比较健壮可靠。可是,它同样意味着 TCP 不是实时传输协议(如实况音频或视频传输)的最佳选择。 ## 处理多个 TCP 流 TCP 的连接是有状态的。这意味着每个客户机和服务器之间都有一条专用的逻辑“频道”,而不是像 UDP 一样只是处理一次性的数据包。这简化了客户端开发者的工作。服务器端程序几乎总是需要同时处理多条 TCP 连接。如何做到这一点呢? 在服务器端,首先需要创建一个 socket 并绑定到某个端口,就像 UDP 一样。但这回不是重复监听从任意地址发来的数据,取而代之,你的主循环将围绕 accept 调用编写。每当有一个客户机连接,服务器操作系统为其分配一个新的 socket 。所以我们的主 socket 只用来监听进来的连接,但从不发送数据。我们也获得了多个子 socket 可以同时使用,每个子 socket 从属于一个逻辑上的 TCP 会话。 在 Haskell 中,通常使用 forkIO 创建一个单独的轻量级线程以处理与子 socket 的通信。对此, Haskell 拥有一个高效的内部实现,执行得非常好。 ## TCP Syslog 服务器 让我们使用 TCP 的实现来替换 UDP 的 syslog 服务器。假设一条消息并不是定义为单独的包,而是以一个尾部的字符 ‘n' 结束。任意客户端可以使用 TCP 连接向服务器发送 0 或多条消息。我们可以像下面这样实现: ~~~ -- file: ch27/syslogtcpserver.hs import Data.Bits import Network.Socket import Network.BSD import Data.List import Control.Concurrent import Control.Concurrent.MVar import System.IO type HandlerFunc = SockAddr -> String -> IO () serveLog :: String -- ^ Port number or name; 514 is default -> HandlerFunc -- ^ Function to handle incoming messages -> IO () serveLog port handlerfunc = withSocketsDo $ do -- Look up the port. Either raises an exception or returns -- a nonempty list. addrinfos <- getAddrInfo (Just (defaultHints {addrFlags = [AI_PASSIVE]})) Nothing (Just port) let serveraddr = head addrinfos -- Create a socket sock <- socket (addrFamily serveraddr) Stream defaultProtocol -- Bind it to the address we're listening to bindSocket sock (addrAddress serveraddr) -- Start listening for connection requests. Maximum queue size -- of 5 connection requests waiting to be accepted. listen sock 5 -- Create a lock to use for synchronizing access to the handler lock <- newMVar () -- Loop forever waiting for connections. Ctrl-C to abort. procRequests lock sock where -- | Process incoming connection requests procRequests :: MVar () -> Socket -> IO () procRequests lock mastersock = do (connsock, clientaddr) <- accept mastersock handle lock clientaddr "syslogtcpserver.hs: client connnected" forkIO $ procMessages lock connsock clientaddr procRequests lock mastersock -- | Process incoming messages procMessages :: MVar () -> Socket -> SockAddr -> IO () procMessages lock connsock clientaddr = do connhdl <- socketToHandle connsock ReadMode hSetBuffering connhdl LineBuffering messages <- hGetContents connhdl mapM_ (handle lock clientaddr) (lines messages) hClose connhdl handle lock clientaddr "syslogtcpserver.hs: client disconnected" -- Lock the handler before passing data to it. handle :: MVar () -> HandlerFunc -- This type is the same as -- handle :: MVar () -> SockAddr -> String -> IO () handle lock clientaddr msg = withMVar lock (\a -> handlerfunc clientaddr msg >> return a) -- A simple handler that prints incoming packets plainHandler :: HandlerFunc plainHandler addr msg = putStrLn $ "From " ++ show addr ++ ": " ++ msg ~~~ SyslogTypes 的实现,见 [*UDP 客户端例子:syslog*](#) 。 让我们读一下源码。主循环是 procRequests ,这是一个死循环,用于等待来自客户端的新连接。 accept 调用将一直阻塞,直到一个客户端来连接。当有客户端连接,我们获得一个新 socket 和客户机地址。我们向处理函数发送一条关于新连接的消息,接着使用 forkIO 建立一个线程处理来自客户机的数据。这条线程执行 procMessages 。 处理 TCP 数据时,为了方便,通常将 socket 转换为 Haskell 句柄。我们也同样处理,并明确设置了缓冲 – 一个 TCP 通信的要点。接着,设置惰性读取 socket 句柄。对每个传入的行,我们都将其传给 handle 。当没有更多数据时 – 远端已经关闭了 socket – 我们输出一条会话结束的消息。 因为可能同时收到多条消息,我们需要确保没有将多条消息同时写入一个处理函数。那将导致混乱的输出。我们使用了一个简单的锁以序列化对处理函数的访问,并且编写了一个简单的 handle 函数处理它。 你可以使用下面我们将展示的客户机代码测试,或者直接使用 telnet 程序来连接这个服务器。你向其发送的每一行输入都将被服务器原样返回。我们来试一下: ~~~ ghci> :load syslogtcpserver.hs [1 of 1] Compiling Main ( syslogtcpserver.hs, interpreted ) Ok, modules loaded: Main. ghci> serveLog "10514" plainHandler Loading package parsec-2.1.0.0 ... linking ... done. Loading package network-2.1.0.0 ... linking ... done. ~~~ 此处,服务器从 10514 端口监听新连接。在有某个客户机过来连接之前,它什么事儿都不做。我们可以使用 telnet 来连接这个服务器: ~~~ ~$ telnet localhost 10514 Trying 127.0.0.1... Connected to localhost. Escape character is '^]'. Test message ^] telnet> quit Connection closed. ~~~ 于此同时,在我们运行 TCP 服务器的终端上,你将看到如下输出: ~~~ From 127.0.0.1:38790: syslogtcpserver.hs: client connnected From 127.0.0.1:38790: Test message From 127.0.0.1:38790: syslogtcpserver.hs: client disconnected ~~~ 其显示一个客户端从本机 (127.0.0.1) 的 38790 端口连上了主机。连接之后,它发送了一条消息,然后断开。当你扮演一个 TCP 客户端时,操作系统将分配一个未被使用的端口给你。通常这个端口在你每次运行程序时都不一样。 ## TCP Syslog 客户端 现在,为我们的 TCP syslog 协议编写一个客户端。这个客户端与 UDP 客户端类似,但是有一些变化。首先,因为 TCP 是流式协议,我们可以使用句柄传输数据而不需要使用底层的 socket 操作。其次,不在需要在 SyslogHandle 中保存目的地址,因为我们将使用 connect 建立 TCP 连接。最后,我们需要一个途径,以区分不同的消息。UDP 中,这很容易,因为每条消息都是不相关的逻辑包。TCP 中,我们将仅使用换行符 ‘n' 来作为消息结尾的标识,尽管这意味着不能在单条消息中发送多行信息。这是代码: ~~~ -- file: ch27/syslogtcpclient.hs import Data.Bits import Network.Socket import Network.BSD import Data.List import SyslogTypes import System.IO data SyslogHandle = SyslogHandle {slHandle :: Handle, slProgram :: String} openlog :: HostName -- ^ Remote hostname, or localhost -> String -- ^ Port number or name; 514 is default -> String -- ^ Name to log under -> IO SyslogHandle -- ^ Handle to use for logging openlog hostname port progname = do -- Look up the hostname and port. Either raises an exception -- or returns a nonempty list. First element in that list -- is supposed to be the best option. addrinfos <- getAddrInfo Nothing (Just hostname) (Just port) let serveraddr = head addrinfos -- Establish a socket for communication sock <- socket (addrFamily serveraddr) Stream defaultProtocol -- Mark the socket for keep-alive handling since it may be idle -- for long periods of time setSocketOption sock KeepAlive 1 -- Connect to server connect sock (addrAddress serveraddr) -- Make a Handle out of it for convenience h <- socketToHandle sock WriteMode -- We're going to set buffering to BlockBuffering and then -- explicitly call hFlush after each message, below, so that -- messages get logged immediately hSetBuffering h (BlockBuffering Nothing) -- Save off the socket, program name, and server address in a handle return $ SyslogHandle h progname syslog :: SyslogHandle -> Facility -> Priority -> String -> IO () syslog syslogh fac pri msg = do hPutStrLn (slHandle syslogh) sendmsg -- Make sure that we send data immediately hFlush (slHandle syslogh) where code = makeCode fac pri sendmsg = "<" ++ show code ++ ">" ++ (slProgram syslogh) ++ ": " ++ msg closelog :: SyslogHandle -> IO () closelog syslogh = hClose (slHandle syslogh) {- | Convert a facility and a priority into a syslog code -} makeCode :: Facility -> Priority -> Int makeCode fac pri = let faccode = codeOfFac fac pricode = fromEnum pri in (faccode `shiftL` 3) .|. pricode ~~~ 可以在 ghci 中试着运行它。如果还没有关闭之前的 TCP 服务器,你的会话看上去可能会像是这样: ~~~ ghci> :load syslogtcpclient.hs Loading package base ... linking ... done. [1 of 2] Compiling SyslogTypes ( SyslogTypes.hs, interpreted ) [2 of 2] Compiling Main ( syslogtcpclient.hs, interpreted ) Ok, modules loaded: Main, SyslogTypes. ghci> openlog "localhost" "10514" "tcptest" Loading package parsec-2.1.0.0 ... linking ... done. Loading package network-2.1.0.0 ... linking ... done. ghci> sl <- openlog "localhost" "10514" "tcptest" ghci> syslog sl USER INFO "This is my TCP message" ghci> syslog sl USER INFO "This is my TCP message again" ghci> closelog sl ~~~ 结束时,服务器上将看到这样的输出: ~~~ From 127.0.0.1:46319: syslogtcpserver.hs: client connnected From 127.0.0.1:46319: <9>tcptest: This is my TCP message From 127.0.0.1:46319: <9>tcptest: This is my TCP message again From 127.0.0.1:46319: syslogtcpserver.hs: client disconnected ~~~ <9> 是优先级和设施代码,和之前 UDP 例子中的意思一样。