Socket Programming. Socket Programming. Università di Palermo

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1 Socket Programming Socket Programming 1

2 Architettura Processo (Messagi) HTTP, SMTP, DNS, IMAP,... Trasporto (Messagi) TCP UDP Rete (Pacchetti) ARP IP ICMP Data link (Frames) Ethernet, FDDI, ,... 2

3 Sockets Socket già noti I socket sono un metodo per la creazione di connessioni tra processi, che è indipendente dal protocollo utilizzato I processi che vengono connessi possono essere sullo stesso host o su host differenti connessi via network Connection based (virtual circuit) Connectionless (datagram) Possibile classificare i Packet based socket in diversi modi: Stream based Reliable Unreliable 3

4 Sockets (2) Altra classificazione in base al dominio AF_UNIX AF_INET Formato dell address UNIX pathname Formato dell address costituito da host e porta Ciascun tipo di socket ha uno o più protocolli TCP UDP 4

5 Sockets (3) Definizione alternativa Un Socket è una API usata per le Interprocess Communications Si tratta di un metodo ben definito per connettere due processi, localmente o attraverso una rete Si tratta di qualcosa di indipendente dal protocollo e dal linguaggio Conosciuti spesso come Berkeley sockets 5

6 Byte ordering Nel corso di una trasmissione si deve seguire un qualche ordine Una variabile nella memoria deve essere strutturata in un qualche ordine Network byte order (Big Endian order) big end of egg cracked Increasing addresses MSB First transmitted LSB Host byte order (Little Endian order) little end of egg cracked Increasing addresses LSB First transmitted MSB 6

7 Address Information Per comunicare usando i socket devono specificare address e porta Si usa un tipo di dati generico: struttura pacchettizzata sockaddr struct sockaddr { unsigned short sa_family; char }; // Address family sa_data[14]; // Family specific address information sa_family spazio a cui appartiene l address (2 byte) In altri termini identifica il formato dei dati seguenti sa_data[14] insieme di bit la cui forma dipende dalla family (14 byte) 7

8 Address Information (2) sockaddr sa_family Family sa_data Blob 2 byte 2 byte 4 byte 8 byte sockaddr_in Family Port Internet address Unused sin_family sin_port sin_addr sin_zero sa_family può avere diversi valori come AF_INET, AF_FILE, AF_UNSPEC, noi useremo solo AF_INET che si riferisce a Internet IP address formato da porta e address Esiste una struttura parallela a sockaddr e più dettagliata: sockaddr_in struct sockaddr_in { short int sin_family; // Address family unsigned short sin_port; // Port number struct in_addr sin_addr; // Internet address char sin_zero[8]; // Not used }; 8

9 Address Information (3) La struct sockaddr_in contiene a sua volta una struct del tipo in_addr struct in_addr { unsigned long s_addr; // Internet address [8 byte] }; Tre fatti importanti La struct sockaddr_in non è diversa da sockaddr ma è una versione specializzata per Internet Quindi con un cast si può passare dall una all altra sin_zero deve essere effettivamente posta a zero sin_port e sin_addr devono essere in Network Byte Order 9

10 System Calls In Unix ogni applicazione è eseguita come processo user level Un applicazione interagisce con il S.O. facendo delle System Call Una system call è praticamente una Procedure Call Procedure call ricevono argomenti e restituiscono risultati Argomenti e risultati possono essere valori o puntatori Le primitive per operazioni di I/O di Unix seguono il paradigma Open-Read-Write-Close 10 10

11 System Calls (2) Un sistema operativo dovrebbe fare girare i programmi di utente in restricted mode ossia non dovrebbero effettuare direttamente operazioni di I/O Uno user program per effettuare un operazione di I/O dovrebbe effettuare una system call In UNIX, funzioni come open(), read(), write(), close() sono system call Una system call UNIX è una transizione dallo user mode al kernel mode Il codice per TCP/IP è richiamato tramite system call 11

12 Unix features In Unix tutti i devices sono mappati in files Quindi impossibile distinguere operazioni su file da quelle su device Un processo di utente che deve compiere un operazione di I/O inizia con una call del tipo open La call ritorna un intero che è il file descriptor Lo user process usa il file descriptor per aprire l oggetto Dopo di ciò lo user process effettua una o più call read e/o write 12

13 Unix features (2) File descriptor di tipo int Call read e write prendono 3 argomenti File descriptor Buffer address Numero di bytes da trasferire L ultima operazione di una primitiva è sempre una call Close 13

14 UNIX & TCP/IP Le operazioni di I/O con i socket sono simili a quelle con i file I socket TCP/IP sono identificati usando i socket descriptor Primitive read() e write() funzionano con i socket TCP/IP open() non adeguata per effettuare connessioni Per permettere ad un server di attendere una connessione è necessaria una call I dati UDP sono sempre sotto forma di datagram e non di byte stream 14

15 Funzionalità richieste Allocare le risorse necessarie per le comunicazioni Specificare gli endpoint locale e remoto Iniziare la connessione per un client Attendere la connessione di un client Tramettere o ricevere dati Rivelare l arrivo di dati Generare dati urgent Manipolare i dati urgent ricevuti Terminare una connessione Abort Gestione degli errori Rilascio delle risorse 15

16 API API sono le routine fornite dal S.O che operano come interfaccia tra un applicazione e il protocol software Le API dipendono dall implementazione Per UNIX - socket e TLI (Transport Layer Interface) per BSD e System V Esisono diversi classi che racchiudono le librerie necessarie per lavorare con i socket. Si farà riferimento alle classi che fanno parte della GNU library In ogni modo l header da usare dipende dall environment 16

17 Socket library functions Tre tipi di funzioni System call Inizio/Fine Trasferimento dati Controllo opzioni Altre Network configuration lookup Indirizzo host Porte per i servizi Altre Utility functions Conversione formato Manipolazioni address Gestione errori 17

18 Sockets calls socket() bind() connect() send() recv() accept() listen() close() crea un nuovo socket e ritorna il suo descriptor associa un socket a coppia porta-address inizia una connessione ad un host remoto (server) invia dati a un socket descriptor riceve dati da un socket descriptor accetta una richiesta di connessione definisce la coda per la richiesta di connessioni chiusura one-way di un socket descriptor shutdown() disabilita ricezione e/o trasmissione 18

19 Network functions gethostbyname() getservbyname() gethostname() getservbyport() getservent() getprotbyname() getprotbynumber() getprotbyent() getnetbyname() getnetbyaddr() getnetent() ottiene gli host parameters a partire dall hostname ottiene i service parameters a partire da nome e protocollo ottiene l hostaname di un host locale 19

20 Utility functions htons() - host to network short htonl() - host to network long ntohs() - network to host short Conversioni solo tra tipi con lunghezza 2 e 4 byte ntohl() - network to host long inet_ntoa() - conversione da address IPv4 a stringa formato dotted-decimal inet_addr() - conversione da stringa formato dotted-decimal ad address IPv4 perror() - scrive un messaggio di errore su stderr (basato su errno) herror() - scrive un messaggio di errore su stderr (basato su h_errno) 20

21 GNU sockets La GNU library fornisce il supporto per diversi differenti tipi di socket, ciascuno con caratteristiche proprie Le costanti simboliche sono definite in alcuni header come `sys/socket.h' 21

22 Connessioni e associazioni Nella terminologia dei socket una connessione tra due processi è chiamata una associazione Una associazione può essere definita astrattamente come un insieme di 5 parametri che specificano i due processi e il metodo di comunicazione Per esempio: {protocol, local-addr, local-process, foreign-addr, foreign-process} Una semiassociazione è la parte dell insieme che riguarda un lato {protocol, addr, process} 22

23 Porte I protocolli TCP e UDP utilizzano degli identificatori a 16 bit denominati porte per identificare in modo univoco i processi interessati ad un socket In UNIX le prime 1024 porte per ambedue i protocolli sono dette well known e sono definite nel file /etc/services. I programmi che si connettono a queste porte richiedono un accesso con privilegi di root I numeri di queste porte sono assegnati dalla IANA 23

24 TCP Server socket() bind() listen() Client socket() accept() Connection establishment connect() recv() send() Data request/replay send() recv() close() close() 24

25 UDP socket() bind() sendto() recvfrom() close() 25

26 Headers Principali file header: <sys/types.h> Include le definizioni per una lunga serie di tipi come clock_t, dev_t, gid_t, pid_t, time_t, uid_t e molti altri <errno.h> Fornisce i nomi per i valori di errno <sys/socket.h> Include le definizioni di struct sockaddr; prototipi di sistema e costanti <netdb.h> Definizioni per operazioni su database di rete <netinet/in.h> Definisce la struct sockaddr_in e macro per il byte ordering <arpa/inet.h> Definisce prototipi per utilty functions 26

27 Servers Server Stateful Stateless Server stateful ricorda i dati del client (state) tra le request successive Server stateless non conserva alcuna informazione circa lo state Nel caso di server stateless il client deve: Specificare in ogni request i file name completi Riautenticarsi a ogni request Specificare la posizione per le operazioni di lettura e scrittura Nel caso di server stateful: Il client deve inviare meno dati in ogni request Il server è meno robusto di uno stateless Il server è meno semplice di uno stateless Un reboot del server o del client può mandare in crisi il server 27

28 API socket #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> int socket(int domain, int type, int protocol) In caso di successo ritorna un file descriptor (un socket ID) diversamente un -1. Per noi domain è sempre AF_INET Type può assumere i valori: SOCK_STREAM SOCK_DGRAM SOCK_SEQPACKET (solo su poche macchine) Protocol ha usualmente il valore 0 con il che viene definito implicitamente da Type 28

29 Creazione di un socket INET, STREAM Creazione socket s = socket.socket(socket.af_inet, socket.sock_stream) Connessione al socket (porta 80) Client s.connect((" 80)) Creazione di un socket INET, STREAM ss = socket.socket(socket.af_inet, socket.sock_stream) Bind del socket ad un host public e ad una porta well-known ss.bind((socket.gethostname(), 80)) Attivazione come server socket s.listen(5) Server 29