elemtcp.tex

   1 \chapter{Socket TCP elementari}
   2 \label{cha:elem_TCP_sock}
   3
   4 In questo capitolo inizieremo ad approndire la conoscenza dei socket TCP,
   5 tratteremo qui dunque il funzionamento delle varie funzioni che si sono usate
   6 nei due esempi elementari forniti in precedenza (vedi \ref{sec:net_cli_sample}
   7 e \ref{sec:net_serv_sample}), previa una descrizione delle principali
   8 caratteristiche del funzionamento di una connessione TCP.
   9
  10 La seconda parte del capitolo sarà poi dedicata alla scrittura di una prima
  11 semplice applicazione client/server completa, che implementi il servizio
  12 standard \texttt{echo} su TCP.
  13
  14 \section{Il funzionamento di una connessione TCP}
  15 \label{sec:TCPel_connession}
  16
  17 Prima di entrare nei dettagli delle funzioni usate nelle applicazioni che
  18 utilizzano i socket TCP, è fondamentale spiegare alcune basi del funzionamento
  19 del TCP, la conoscenza del funzionamento del protocollo è infatti essenziale
  20 per capire il modello di programmazione ed il funzionamento delle API.
  21
  22 In particolare ci concentreremo sulle modalità con le quali il protocollo da
  23 inizio e conclude una connessione; faremo anche un breve accenno al
  24 significato di alcuni dei vari stati che il protocollo assume durante la vita
  25 di una connessione, che possono essere osservati per ciascun socket attivo con
  26 l'uso del programma \texttt{netstat}.
  27
  28 \subsection{La creazione della connessione: il \textit{three way handushake}}
  29 \label{sec:TCPel_conn_cre}
  30
  31 Il processo che porta a creare una connessione TCP è chiamato \textit{three
  32   way handushake}; la successione tipica degli eventi (la stessa che si
  33 verifica utilizzando il codice dei due precedenti esempi elementari
  34 \ref{fig:net_cli_code} e \ref{fig:net_serv_code}) che porta alla creazione di
  35 una connessione è la seguente:
  36
  37 \begin{itemize}
  38 \item Il server deve essere preparato per accettare le connessioni in arrivo;
  39   il procedimento si chiama \textsl{apertura passiva} del socket (in inglese
  40   \textit{passive open}); questo viene fatto chiamando la sequenza di funzioni
  41   \texttt{socket}, \texttt{bind} e \texttt{listen}. Completata l'apertura
  42   passiva il server chiama la funzione \texttt{accept} e il processo si blocca
  43   in attesa di connessioni.
  44
  45 \item Il client richiede l'inizio della connessione usando la funzione
  46   \texttt{connect}, attraverso un procedimento che viene chiamato
  47   \textsl{apertura attiva}, dall'inglese \textit{active open}. La chiamata di
  48   \texttt{connect} blocca il processo e causa l'invio da parte del client di
  49   un segmento \texttt{SYN}\footnote{Si ricordi che il segmento è l'unità
  50     elementare di dati trasmessa dal protocollo TCP al livello superiore;
  51     tutti i segmenti hanno un header che contiene le informazioni che servono
  52     allo \textit{stack TCP} (così viene di solito chiamata la parte del kernel
  53     che implementa il protocollo) per realizzare la comunicazione, fra questi
  54     dati ci sono una serie di flag usati per gestire la connessione, come
  55     \texttt{SYN}, \texttt{ACK}, \texttt{URG}, \texttt{FIN}, alcuni di essi,
  56     come \texttt{SYN} (che sta per \textit{sincronize}) corrispondono a
  57     funzioni particolari del protocollo e danno il nome al segmento, (per
  58     maggiori dettagli vedere \ref{cha:tcp_protocol})}, in sostanza viene
  59   inviato al server un pacchetto IP che contiene solo gli header IP e TCP (con
  60   il numero di sequenza iniziale e il flag \texttt{SYN}) e le opzioni di TCP.
  61
  62 \item il server deve dare ricevuto (l'\textit{acknowledge}) del \texttt{SYN}
  63   del client, inoltre anche il server deve inviare il suo \texttt{SYN} al
  64   client (e trasmettere il suo numero di sequenza iniziale) questo viene fatto
  65   ritrasmettendo un singolo segmento in cui entrambi i flag \texttt{SYN}
  66   \texttt{ACK} e sono settati.
  67
  68 \item una volta che il client ha ricevuto l'acknowledge dal server la funzione
  69   \texttt{connect} ritorna, l'ultimo passo è dare dare il ricevuto del
  70   \texttt{SYN} del server inviando un \texttt{ACK}. Alla ricezione di
  71   quest'ultimo la funzione \texttt{accept} del server ritorna e la connessione
  72   è stabilita.
  73 \end{itemize}
  74
  75 Il procedimento viene chiamato \textit{three way handshake} dato che per
  76 realizzarlo devono essere scambiati tre segmenti.  In \nfig\ si è
  77 rappresentata graficamente la sequenza di scambio dei segmenti che stabilisce
  78 la connessione.
  79
  80 % Una analogia citata da R. Stevens per la connessione TCP è quella con il
  81 % sistema del telefono. La funzione \texttt{socket} può essere considerata
  82 % l'equivalente di avere un telefono. La funzione \texttt{bind} è analoga al
  83 % dire alle altre persone qual'è il proprio numero di telefono perché possano
  84 % chiamare. La funzione \texttt{listen} è accendere il campanello del telefono
  85 % per sentire le chiamate in arrivo.  La funzione \texttt{connect} richiede di
  86 % conoscere il numero di chi si vuole chiamare. La funzione \texttt{accept} è
  87 % quando si risponde al telefono.
  88
  89 \begin{figure}[htb]
  90   \centering
  91
  92   \caption{Il \textit{three way handshake} del TCP}
  93   \label{fig:TCPel_TWH}
  94 \end{figure}
  95
  96 Si è accennato in precedenza ai \textsl{numeri di sequenza} (che sono anche
  97 riportati in \curfig); per gestire una connessione affidabile infatti il
  98 protocollo TCP prevede nell'header la presenza di un numero a 32 bit (chiamato
  99 appunto \textit{sequence number}) che identifica a quale byte nella sequenza
 100 del flusso corrisponde il primo byte della sezione dati contenuta nel
 101 segmento.
 102
 103 Il numero di sequenza di ciascun segmento viene calcolato a partire da un
 104 \textsl{numero di sequenza iniziale} generato in maniera casuale del kernel
 105 all'inizio della connessione e trasmesso con il SYN; l'acknowledgement di
 106 ciascun segmento viene effettuato dall'altro capo della connessione settando
 107 il flag \texttt{ACK} e restituendo nell'apposito campo dell'header un
 108 \textit{acknowledge number}) pari al numero di sequenza che il ricevente si
 109 aspetta di ricevere con il pacchetto successivo; dato che il primo pacchetto
 110 SYN consuma un byte, nel \textit{three way handshake} il numero di acknowledge
 111 è sempre pari al numero di sequenza iniziale incrementato di uno; lo stesso
 112 varrà anche (vedi \nfig) per l'acknowledgement di un FIN.
 113
 114 \subsection{Le opzioni TCP.}
 115 \label{sec:TCPel_TCP_opt}
 116
 117 Ciascun segmento SYN contiene in genere delle opzioni per il protocollo TCP
 118 (le cosiddette \textit{TCP options}, che vengono inserite fra l'header e i
 119 dati) che servono a comunicare all'altro capo una serie di parametri utili a
 120 regolare la connessione. Normalmente vengono usate le seguenti opzioni:
 121
 122 \begin{itemize}
 123 \item \textit{MSS option} Sta per \textit{maximum segment size}, con questa
 124   opzione ciascun capo della connessione annuncia all'altro il massimo
 125   ammontare di dati che vorrebbe accettare per ciascun segmento nella
 126   connesione corrente. È possibile leggere e scrivere questo valore attraverso
 127   l'opzione del socket \texttt{TCP\_MAXSEG}.
 128
 129 \item \textit{window scale option} come spiegato in \ref{cha:tcp_protocol} il
 130   protocollo TCP implementa il controllo di flusso attraverso una
 131   \textsl{finestra annunciata} (\textit{advertized window}) con la quale
 132   ciascun capo della comunicazione dichiara quanto spazio disponibile ha in
 133   memoria per i dati. Questo è un numero a 16 bit dell'haeader, che così può
 134   indicare un massimo di 65535 bytes (anche se linux usa come massimo 32767
 135   per evitare problemi con alcuni stack bacati che usano l'aritmetica con
 136   segno per implementare lo stack TCP); ma alcuni tipi di connessione come
 137   quelle ad alta velocità (sopra i 45Mbits/sec) e quelle che hanno grandi
 138   ritardi nel cammino dei pacchetti (come i satelliti) richiedono una finestra
 139   più grande per poter ottenere il massimo dalla trasmissione, per questo
 140   esiste questa opzione che indica un fattore di scala da applicare al valore
 141   della finestra annunciata\footnote{essendo una nuova opzione per garantire
 142     la compatibilità con delle vecchie implementazioni del protocollo la
 143     procedura che la attiva prevede come negoziazione che l'altro capo della
 144     connessione riconosca esplicitamente l'opzione inserendola anche lui nel
 145     suo SYN di risposta dell'apertura della connessione} per la connessione
 146   corrente (espresso come numero di bit cui shiftare a sinistra il valore
 147   della finestra annunciata inserito nel pacchetto).
 148
 149 \item \textit{timestamp option} è anche questa una nuova opzione necessaria
 150   per le connessioni ad alta velocità per evitare possibili corruzioni di dati
 151   dovute a pacchetti perduti che riappaiono; anche questa viene negoziata come
 152   la precedente.
 153
 154 \end{itemize}
 155
 156 La MSS è generalmente supportata da quasi tutte le implementazioni del
 157 protocollo, le ultime due opzioni (trattate nell'RFC 1323) sono meno comuni;
 158 vengono anche dette \textit{long fat pipe options} dato che questo è il nome
 159 che viene dato alle connessioni caratterizzate da alta velocità o da ritardi
 160 elevati. In ogni caso linux supporta pienamente entrambe le opzioni.
 161
 162 \subsection{La terminazione della connessione}
 163 \label{sec:TCPel_conn_term}
 164
 165 Mentre per creare una connessione occorre un interscambio di tre segmenti, la
 166 procedura di chiusura ne richede quattro; ancora una volta si può fare
 167 riferimento al codice degli esempi \ref{fig:net_cli_code} e
 168 \ref{fig:net_serv_code}, in questo caso la successione degli eventi è la
 169 seguente:
 170
 171 \begin{enumerate}
 172 \item Un processo ad uno dei due capi chiama la funzione \texttt{close}, dando
 173   l'avvio a quella che viene chiamata \textsl{chiusura attiva} (da
 174   \textit{active close}). Questo comporta l'emissione di un segmento FIN, che
 175   significa che si è finito con l'invio dei dati sulla connessione.
 176
 177 \item L'altro capo della connessione riceve il FIN ed esegue la
 178   \textit{chiusura passiva} (da \textit{passive close}); al FIN, come per
 179   tutti i pacchetti, viene risposto con un ACK. Inoltre il ricevimento del FIN
 180   viene passato al processo che ha aperto il socket come un end of file sulla
 181   lettura (dopo che ogni altro eventuale dato rimasto in coda è stato
 182   ricevuto), dato che il ricevimento di un FIN significa che non si
 183   riceveranno altri dati sulla connessione.
 184
 185 \item Dopo un certo tempo anche il secondo processo chiamerà la funzione
 186   \texttt{close} sul proprio socket, causando l'emissione di un altro segmento
 187   FIN.
 188
 189 \item L'altro capo della connessione riceverà il FIN conclusivo e risponderà
 190   con un ACK.
 191 \end{enumerate}
 192
 193
 194 Dato che in questo caso sono richiesti un FIN ed un ACK per ciascuna direzione
 195 normalmente i segmenti scambiati sono quattro; normalmente giacché in alcune
 196 sitazioni il FIN del passo 1) è inviato insieme a dei dati. Comunque non è
 197 detto, anche se è possibile, che i segmenti inviati nei passi 2 e 3, siano
 198 accorpati in un singolo segmento. In \nfig\ si è rappresentato graficamente lo
 199 sequenza di scambio dei segmenti che stabilisce la connessione.
 200
 201 \begin{figure}[htb]
 202   \centering
 203
 204   \caption{Il \textit{three way handshake} del TCP}
 205   \label{fig:TCPel_TWH}
 206 \end{figure}
 207
 208 Come per il SYN anche il FIN occupa un byte nel numero di sequenza, per cui
 209 l'ACK riporterà un \textit{acknowledge number} incrementato di uno.
 210
 211 Si noti che nella sequenza di chiusura fra i passi 2 e 3 è in teoria possibile
 212 che si mantenga un flusso di dati dal capo della connessione che sta eseguendo
 213 la chiusura passiva a quello che sta eseguendo la chiusura attiva. Nella
 214 sequenza indicata i dati verrebbero persi, dato che si è chiuso il socket, ma
 215 esistono situazione in cui si vuole che avvenga proprio questo, che è chiamato
 216 \textit{half-close}, per cui torneremo su questo aspetto e su come utilizzarlo
 217 più avanti, quando parleremo della funzione \texttt{shutdown}.
 218
 219 La emissione del FIN avviene quando il socket viene chiuso, questo però non
 220 avviene solo per la chiamata della funzione \texttt{close} (come in
 221 \ref{fig:net_serv_code}), ma anche alla terminazione di un processo (come in
 222 \ref{fig:net_cli_code}). Questo vuol dire ad esempio che se un processo viene
 223 terminato da un segnale tutte le connessioni aperte verranno chiuse.
 224
 225 Infine è da sottolineare che, benché nella figura (e nell'esempio che vedremo
 226 in \ref{sec:TCPel_echo_example}) sia il client ad eseguire la chiusura attiva,
 227 nella realtà questa può essere eseguita da uno qualunque dei due capi della
 228 comunicazione (come in fatto in precedenza da \ref{fig:net_serv_code}), e
 229 benché quello del client sia il caso più comune ci sono alcuni servizi, il
 230 principale dei quali è l'HTTP, per i quali è il server ad effettuare la
 231 chiusura attiva.
 232
 233
 234 \subsection{Un esempio di connessione}
 235 \label{sec:TCPel_conn_dia}
 236
 237 Le operazioni del TCP nella creazione e conclusione di una connessione sono
 238 specificate attraverso il diagramma di transizione degli stati riportato in
 239 \nfig. TCP prevede l'esistenza di 11 diversi stati per un socket ed un insieme
 240 di regole per le transizioni da uno stato all'altro basate sullo stato
 241 corrente e sul tipo di segmento ricevuto; i nomi degli stati sono gli stessi
 242 che vengono riportati del comando \texttt{netstat} nel campo \textit{State}.
 243
 244 Una descrizione completa del funzionamento del protocollo va al di là degli
 245 obiettivi di questo libro; un approfondimento sugli aspetti principali si
 246 trova in \ref{cha:tcp_protocol}, ma per una trattazione esauriente il miglior
 247 riferimento resta (FIXME citare lo Stevens); qui ci limiteremo a descrivere
 248 brevemente un semplice esempio di connessione e le transizioni che avvengono
 249 nei due casi appena citati (creazione e terminazione della connessione).
 250
 251 In assenza di connessione lo stato del TCP è \textsl{CLOSED}; quando una
 252 applicazione esegue una apertura attiva il TCP emette un SYN e lo stato
 253 diventa \textsl{SYN\_SENT}; quando il TCP riceve la risposta del SYN$+$ACK
 254 emette un ACK e passa allo stato \textsl{ESTABLISHED}; questo è lo stato
 255 finale in cui avviene la gran parte del trasferimento dei dati.
 256
 257 Dal lato server in genere invece il passaggio che si opera con l'apertura
 258 passiva è quello di portare il socket dallo stato \textsl{CLOSED} allo
 259 stato \textsl{LISTEN} in cui vengono accettate le connessioni.
 260
 261 Dallo stato \textsl{ESTABLISHED} si può uscire in due modi; se un'applicazione
 262 chiama la \texttt{close} prima di aver ricevuto un end of file (chiusura
 263 attiva) la transizione è verso lo stato \textsl{FIN\_WAIT\_1}; se invece
 264 l'applicazione riceve un FIN nello stato \textsl{ESTABLISHED} (chiusura
 265 passiva) la transizione è verso lo stato \textsl{CLOSE\_WAIT}.
 266
 267 In \nfig\ è riportato lo schema dello scambio dei pacchetti che avviene per
 268 una un esempio di connessione, insieme ai vari stati che il protocollo viene
 269 ad assumere per i due lati, server e client.
 270
 271 \begin{figure}[htb]
 272   \centering
 273
 274   \caption{Schema dello scambio di pacchetti per un esempio di connessione}
 275   \label{fig:TPCel_conn_example}
 276 \end{figure}
 277
 278 La connessione viene iniziata dal client che annuncia un MSS di 1460 (un
 279 valore tipico per IPv4 su ethernet) con linux, il server risponde con lo
 280 stesso valore (ma potrebbe essere anche un valore diverso).
 281
 282 Una volta che la connessione è stabilita il client scrive al server una
 283 richiesta (che assumiamo stare in un singolo segmento, cioè essere minore dei
 284 1460 bytes annunciati dal server), quest'ultimo riceve la richiesta e
 285 restituisce una risposta (che di nuovo supponiamo stare in un singolo
 286 segmento). Si noti che l'acknowledge della richiesta è mandato insieme alla
 287 risposta, questo viene chiamato \textit{piggybacking} ed avviene tutte le
 288 volte che che il server è sufficientemente veloce a costruire la risposta, in
 289 caso contrario si avrebbe prima l'emissione di un ACK e poi l'invio della
 290 risposta.
 291
 292 Infine si ha lo scambio dei quattro segmenti che terminano la connessione
 293 secondo quanto visto in \ref{sec:TCPel_conn_term}; si noti che il capo della
 294 connessione che esegue la chiusura attiva entra nello stato
 295 \textsl{TIME\_WAIT} su cui torneremo fra poco.
 296
 297 È da notare come per effettuare uno scambio di due pacchetti (uno di richiesta
 298 e uno di risposta) il TCP necessiti di ulteriori otto segmenti, se invece si
 299 fosse usato UDP sarebbero stati sufficienti due soli pacchetti. Questo è il
 300 costo che occorre pagare per avere l'affidabilità garantita dal TCP, se si
 301 fosse usato UDP si sarebbe dovuto trasferire la gestione di tutta una serie di
 302 dettagli (come la verifica della ricezione dei pacchetti) dal livello del
 303 trasporto all'interno dell'applicazione.
 304
 305 Quello che è bene sempre tenere presente è allora quali sono le esigenze che
 306 si hanno in una applicazione di rete, perché non è detto che TCP sia la
 307 miglior scelta in tutti i casi (ad esempio se si devono solo scambiare dati
 308 già organizzati in piccoli pacchetti l'overhead aggiunto può essere eccessivo)
 309 per questo esistono applicazioni che usano UDP e lo fanno perché nel caso
 310 specifico le sue caratteristiche di velocità e compattezza nello scambio dei
 311 dati rispondono meglio alle esigenze che devono essere affrontate.
 312
 313 \subsection{Lo stato \texttt{TIME\_WAIT}}
 314 \label{sec:TCPel_time_wait}
 315
 316 Come riportato da Stevens (FIXME citare) lo stato \texttt{TIME\_WAIT} è
 317 probabilmente uno degli aspetti meno compresi del protocollo TCP, è infatti
 318 comune trovare nei newsgroup domande su come sia possibile evitare che
 319 un'applicazione resti in questo stato lasciando attiva una connessione ormai
 320 conclusa; la risposta è che non deve essere fatto, ed il motivo cercheremo di
 321 spiegarlo adesso.
 322
 323 Come si è visto nell'esempio precedente (vedi \curfig) \texttt{TIME\_WAIT} è
 324 lo stato finale in cui il capo di una connessione che esegue la chiusura
 325 attiva resta prima di passare alla chiusura definitiva della connessione. Il
 326 tempo in cui l'applicazione resta in questo stato deve essere due volte la MSL
 327 (\textit{Maximum Segment Lifetime}).
 328
 329 La MSL è la stima del massimo periodo di tempo che un pacchetto IP può vivere
 330 sulla rete; questo tempo è limitato perché ogni pacchetto IP può essere
 331 ritrasmesso dai router un numero massimo di volte (detto \textit{hop limit}).
 332 Il numero di ritrasmissioni consentito è indicato dal campo TTL dell'header di
 333 IP (per maggiori dettagli vedi \ref{sec:appA_xxx}), e viene decrementato ad
 334 ogni passaggio da un router; quando si annulla il pacchetto viene scartato.
 335 Siccome il numero è ad 8 bit il numero massimo di ``salti'' è di 255, pertanto
 336 anche se il TTL (da \textit{time to live}) non è propriamente un limite sul
 337 tempo di vita, si stima che un pacchetto IP non possa restare nella rete per
 338 più di MSL secondi.
 339
 340 Ogni implementazione del TCP deve scegliere un valore per la MSL (l'RFC1122
 341 raccomanda 2 minuti, linux usa 30 secondi), questo comporta una durata dello
 342 stato \textsl{TIME\_WAIT} che a seconda delle implementazioni può variare fra
 343 1 a 4 minuti.
 344
 345 Lo stato \texttt{TIME\_WAIT} viene utilizzato dal protocollo per due motivi
 346 principali:
 347 \begin{itemize}
 348 \item implementare in maniera affidabile la terminazione della connessione
 349   in entrambe le direzioni.
 350 \item consentire l'eliminazione dei segmenti duplicati dalla rete.
 351 \end{itemize}
 352
 353 Il punto è che entrambe le ragioni sono importanti, anche se spesso si fa
 354 riferimento solo alla prima; ma è solo se si tiene conto della seconda che si
 355 capisce il perché della scelta di un tempo pari al doppio della MSL come
 356 durata di questo stato.
 357
 358 Il primo dei due motivi precedenti si può capire tornando a \curfig: assumendo
 359 che l'ultimo ACK della sequenza (quello del capo che ha eseguito la chiusura
 360 attiva) vanga perso, chi esegue la chiusura passiva non ricevndo risposta
 361 rimanderà un ulteriore FIN, per questo motivo chi esegue la chiusura attiva
 362 deve mantenere lo stato della connessione per essere in grado di reinviare
 363 l'ACK e chiuderla correttamente. Se non fosse così la risposta sarebbe un RST
 364 (un altro tipo si segmento) che verrebbe interpretato come un errore.
 365
 366 Se il TCP deve poter chiudere in maniera pulita entrambe le direzioni della
 367 connessione allora deve essere in grado di affrontare la perdita di uno
 368 qualunque dei quattro segmenti che costituiscono la chiusura. Per questo
 369 motivo lo stato \texttt{TIME\_WAIT} deve essere mantenuto anche dopo l'invio
 370 dell'ultimo ACK per poter essere in grado di poterne gestire l'eventuale
 371 ritrasmissione in caso di perdita.
 372
 373
 374 Il secondo motivo è più complesso da capire, e necessita di spiegare meglio
 375 gli scenari in cui accade che i pacchetti si possono perdere nella rete o
 376 restare intrappolati, per poi riemergere.
 377
 378 Il caso più comune in cui questo avviene è quello di anomalie
 379 nell'instradamento; può accadere cioè che un router smetta di funzionare o che
 380 una connessione fra due router si interrompa. In questo caso i protocolli di
 381 instradamento dei pacchetti possono impiegare diverso temo (anche dell'ordine
 382 dei minuti) prima di trovare e stabilire un percorso alternativo per i
 383 pacchetti. Nel frattempo possono accadere casi in cui un router manda i
 384 pacchetti verso un'altro e quest'ultimo li rispedisce indietro, o li manda ad
 385 un terzo router che li rispedisce al primo, si creano cioè dei circoli (i
 386 cosiddetti \textit{routing loop}) in cui restano intrappolati i pacchetti.
 387
 388 Se uno di questi pacchetti intrappolati è un segmento di TCP chi l'ha inviato,
 389 non ricevendo risposta, provvederà alla ritrasmissione e se nel frattempo sarà
 390 stata stabilita una strada alternativa il pacchetto ritrasmesso giungerà a
 391 destinazione. Ma se dopo un po' di tempo (che non supera il limite dell'MSL)
 392 l'anomalia viene a cessare il circolo di instadamento viene spezzato i
 393 pacchetti intrappolati potranno essere inviati alla destinazione finale, con
 394 la conseguenza di avere dei pacchetti duplicati; questo è un caso che il TCP
 395 deve essere in grado di gestire.
 396
 397 Allora per capire la seconda ragione per l'esistenza dello stato
 398 \texttt{TIME\_WAIT} si consideri il caso seguente: si supponga di avere una
 399 connessione fra l'IP 195.110.112.236 porta 1550 e l'IP 192.84.145.100 porta
 400 22, che questa venga chiusa e che poco dopo si ristabilisca la stessa
 401 connessione fra gli stessi IP sulle stesse porte (quella che viene detta,
 402 essendo gli stessi porte e numeri IP, una nuova \textsl{incarnazione} della
 403 connessione precedente); in questo caso ci si potrebbe trovare con dei
 404 pacchetti duplicati relativi alla precedente connessione che riappaiono nella
 405 nuova.
 406
 407 Ma fintanto che il socket non è chiuso una nuova incarnazione non può essere
 408 creata, per questo un socket TCP resta sempre nello stato \texttt{TIME\_WAIT}
 409 per un periodo di 2MSL, in modo da attendere MSL secondi per essere sicuri che
 410 tutti i pacchetti duplicati in arrivo siano stati ricevuti (e scartati) o che
 411 nel frattempo siano stati eliminati dalla rete, e altri MSL secondi per essere
 412 sicuri che lo stesso avvenga le risposte nella direzione opposta.
 413
 414 In questo modo il TCP si assicura che quando una viene creata una nuova
 415 connessione tutti gli eventuali segmenti residui di una precedente connessione
 416 che possono causare disturbi sono stati eliminati dalla rete.
 417
 418
 419 \subsection{I numeri di porta}
 420 \label{sec:TCPel_port_num}
 421
 422 In un ambiente multitasking in un dato momento più processi possono dover
 423 usare sia UDP che TCP, e ci devono poter essere più connessioni in
 424 contemporanea. Per poter tenere distinte le diverse connessioni entrambi i
 425 protocolli usano i \textsl{numeri di porta}, che fanno parte, come si può
 426 vedere in \ref{sec:sock_sa_ipv4} e \ref{sec:sock_sa_ipv6} pure delle strutture
 427 degli indirizzi del socket.
 428
 429 Quando un client contatta un server deve poter identificare con quale dei vari
 430 possibili server attivi intende parlare. Sia TCP che UDP definiscono un gruppo
 431 di \textsl{porte conosciute} (le cosiddette \textit{well-known port}) che
 432 identificano una serie di servizi noti (ad esempio la porta 22 identifica il
 433 servizio \texttt{ssh}) effettuati da appositi server che rispondono alle
 434 connessioni verso tali porte.
 435
 436 D'altra parte un client non ha necessità di usare un numero di porta
 437 specifico, per cui in genere vengono usate le cosiddette \textsl{porte
 438   effimere} (o \textit{ephemeral ports}) cioè porte a cui non è assegnato
 439 nessun servizio noto e che vengono assegnate automaticamente dal kernel alla
 440 creazione della connessione. Queste sono dette effimere in quanto vengono
 441 usate solo per la durata della connessione, e l'unico requisito che deve
 442 essere soddisfatto è che ognuna di esse sia assegnata in maniera univoca.
 443
 444 La lista delle porte conosciute è definita dall'RFC1700 che contiene l'elenco
 445 delle porte assegnate dalla IANA (\textit{Internet Assigned Number Authority})
 446 ma l'elenco viene costantemente aggiornato e pubblicato all'indirizzo
 447 \texttt{ftp://ftp.isi.edu/in-notes/iana/assignements/port-numbers}, inoltre il
 448 file \texttt{/etc/services} contiene un analogo elenco, con la corrispondenza
 449 fra i numeri di porta ed il nome simbolico del servizio. I numeri sono divisi
 450 in tre intervalli:
 451
 452 \begin{enumerate}
 453 \item \textsl{le porte conosciute}. I numeri da 0 a 1023. Queste sono
 454   controllate e assegnate dalla IANA. Se è possibile la stessa porta è
 455   assegnata allo stesso servizio sia su UDP che su TCP (ad esempio la porta 22
 456   è assegnata a ssh su entrambi i protocolli, anche se viene usata solo dal
 457   TCP).
 458
 459 \item \textsl{le porte registrate}. I numeri da 1024 a 49151. Queste porte non
 460   sono controllate dalla IANA, che però registra ed elenca chi usa queste
 461   porte come servizio agli utenti. Come per le precedenti si assegna una porta
 462   ad un servizio sia per TCP che UDP anche se poi il servizio è implementato
 463   solo su TCP. Ad esempio X Window usa le porte TCP e UDP dal 6000 al 6063
 464   anche se il protocollo è implementato solo tramite TCP.
 465
 466 \item \textsl{le porte private} o \textsl{dinamiche}. I numeri da 49152 a
 467   65535. La IANA non dice nulla riguardo a queste porte che pertanto
 468   sono i candidati naturali ad essere usate come porte effimere.
 469 \end{enumerate}
 470
 471 In realtà rispetto a quanto indicato nell'RFC1700 i vari sistemi hanno fatto
 472 scelte diverse per le porte effimere, in particolare in \nfig\ sono riportate
 473 quelle di BSD, Solaris e linux. Nel caso di linux poi la scelta fra i due
 474 intervali possibili viene fatta dinamicamente a seconda della memoria a
 475 disposizione del kernel per gestire le rative tabelle.
 476
 477 \begin{figure}[!htb]
 478   \centering
 479
 480   \caption{Allocazione dei numeri di porta}
 481   \label{fig:TCPel_port_alloc}
 482 \end{figure}
 483
 484 I sistemi unix hanno inoltre il concetto di \textsl{porte riservate} (che
 485 corrispondono alle porte con numero minore di 1024 e coincidono quindi con le
 486 porte conosciute). La loro caratteristica è che possono essere assegnate a un
 487 socket solo da un processo con i privilegi di root, per far si che solo
 488 l'amministratore possa allocare queste porte per far partire relativi servizi.
 489
 490 Si tenga conto poi che ci sono alcuni client (in particolare \texttt{rsh} e
 491 \texttt{rlogin}) che richiedono una connessione su una porta riservata anche
 492 dal lato client come parte dell'autenticazione. Questo viene fatto tramite la
 493 funzione \texttt{rresvport} assegnando al socket una porta libera
 494 nell'intervallo fra 512 e 1023.
 495
 496 Data una connessione TCP si suole chiamare \textit{socket pair} la
 497 combinazione dei quattro numeri che definiscono i due capi della connessione e
 498 cioè l'indirizzo IP locale e la porta TCP locale, e l'indirizzo IP remoto e la
 499 porta TCP remota; questa combinazione, che scriveremo usando una notazione del
 500 tipo $(195.110.112.152:22, 192.84.146.100:20100)$, identifica univocamente una
 501 connessione su internet. Questo concetto viene di solito esteso anche a UDP,
 502 benché in questo caso non abbia senso parlare di connessione. L'utilizzo del
 503 programma \texttt{netstat} permette di visualizzare queste informazioni nei
 504 campi \textit{Local Address} e \textit{Foreing Address}.
 505
 506
 507 \subsection{Le porte ed il modello client/server}
 508 \label{sec:TCPel_port_cliserv}
 509
 510 Per capire meglio l'uso delle porte e come vengono utilizzate nella
 511 programmazione di rete consideriamo cosa accade con una serie di esempi, se
 512 esguiamo un \texttt{netstat} su una macchina di prova (che supponiamo avere
 513 indirizzo 195.110.112.152) potremo avere un risultato del tipo:
 514 \begin{verbatim}
 515 Active Internet connections (servers and established)
 516 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
 517 tcp        0      0 0.0.0.0:22              0.0.0.0:*               LISTEN
 518 tcp        0      0 0.0.0.0:25              0.0.0.0:*               LISTEN
 519 tcp        0      0 127.0.0.1:53            0.0.0.0:*               LISTEN
 520 \end{verbatim}
 521 essendo presenti un server ssh, un server di posta e un DNS per il caching
 522 locale.
 523
 524 Questo ci mostra ad esempio che il server ssh ha compiuto un'apertura passiva
 525 mettendosi in ascolto sulla porta 22 riservata a questo servizio e che si è
 526 posto in ascolto per connessioni provenienti da uno qualunque degli indirizzi
 527 associati alle interfaccie locali; la notazione 0.0.0.0 usata da netstat è
 528 equivalente all'asterisco utilizzato per il numero di porta ed indica il
 529 valore generico, e corrisponde al valore \texttt{INADDR\_ANY} definito in
 530 \texttt{arpa/inet.h}.
 531
 532 Inoltre la porta e l'indirizzo di ogni eventuale connessione esterna non sono
 533 specificati; in questo caso la \textit{socket pair} associata al socket può
 534 essere indicata come $(*:22, *.*)$, usando l'asterisco anche per gli indirizzi
 535 come carattere di \textit{wildchard}.
 536
 537 In genere avendo le macchine associato un solo IP ci si può chiedere che senso
 538 abbia l'utilizzo dell'indirizzo generico per l'indirizzo locale, ma esistono
 539 anche macchine che hanno più di un indirizzo IP (il cosiddetto
 540 \textit{miltihoming}) in questo modo si possono accettare connessioni
 541 indirizzate verso uno qualunque di essi. Ma come si può vedere nell'esempio
 542 con il DNS in ascolto sulla porta 53 è anche possibile restringere l'accesso
 543 solo alle connessioni che provengono da uno specifico indirizzo, cosa che nel
 544 caso è fatta accettando solo connessioni che arrivino sull'interfaccia di
 545 loopback.
 546
 547 Una volta che ci si vorrà collegare a questa macchina da un'altra posta
 548 all'indirizzo 192.84.146.100 si potrà lanciare un client \texttt{ssh} per
 549 creare una connessione verso la precedente, e il kernel associerà al suddetto
 550 una porta effimera che per esempio potrà essere la 21100, la connessione
 551 allora sarà espressa dalla socket pair $(192.84.146.100:21100,
 552 195.110.112.152.22)$.
 553
 554 Alla ricezione della richiesta dal client il server creerà un processo figlio
 555 per gestire la connessione, se a questo punto eseguiamo nuovamente il
 556 programma netstat otterremo come risultato:
 557 \begin{verbatim}
 558 Active Internet connections (servers and established)
 559 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
 560 tcp        0      0 0.0.0.0:22              0.0.0.0:*               LISTEN
 561 tcp        0      0 0.0.0.0:25              0.0.0.0:*               LISTEN
 562 tcp        0      0 127.0.0.1:53            0.0.0.0:*               LISTEN
 563 tcp        0      0 195.110.112.152:22      192.84.146.100:21100    ESTABLISHED
 564 \end{verbatim}
 565
 566 Come si può notare il server è ancora in ascolto sulla porta 22, però adesso
 567 c'è un nuovo socket (con lo stato \texttt{ESTABLISHED}) che anch'esso utilizza
 568 la porta 22, ma ha specificato l'indirizzo locale, e che corrisponde al socket
 569 con cui il processo figlio gestisce la connessione mentre il padre resta in
 570 ascolto.
 571
 572 Se a questo lanciamo una seconda volta il client ssh per una seconda
 573 conessione quello che otterremo sarà qualcosa del genere:
 574 \begin{verbatim}
 575 Active Internet connections (servers and established)
 576 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
 577 tcp        0      0 0.0.0.0:22              0.0.0.0:*               LISTEN
 578 tcp        0      0 0.0.0.0:25              0.0.0.0:*               LISTEN
 579 tcp        0      0 127.0.0.1:53            0.0.0.0:*               LISTEN
 580 tcp        0      0 195.110.112.152:22      192.84.146.100:21100    ESTABLISHED
 581 tcp        0      0 195.110.112.152:22      192.84.146.100:21101    ESTABLISHED
 582 \end{verbatim}
 583 cioè al client sarà stata assegnata un'altra porta effimera e con questa sarà
 584 aperta la connessione, ed un nuovo processo figlio sarà creato per gestirla.
 585
 586
 587 Tutto ciò mostra come TCP, per poter gestire le due connessioni, non può
 588 suddividere i pacchetti solo sulla base della porta di destinazione, ma deve
 589 usare tutta l'informazione contenuta nella socket pair, compresa la porta
 590 dell'indirizzo remoto.  E se andassimo a vedere quali sono i processi a cui
 591 fanno riferimento i vari socket vedremmo che i pacchetti che arrivano dalla
 592 porta remota 21100 vanno al primo figlio e quelli che arrivano alla porta
 593 21101 al secondo.
 594
 595
 596 \section{Le funzioni dei socket TCP}
 597 \label{sec:TCPel_functions}
 598
 599 In questa sezione descriveremo in dettaglio le varie funzioni necessarie per
 600 l'uso dei socket TCP già citate in precedenza (e utilizzate nei due esempi
 601 \ref{sec:net_cli_sample} e \ref{sec:net_serv_sample}) con l'eccezione della
 602 funzione \texttt{socket} che è già stata esaminata in dettaglio in
 603 \ref{sec:sock_socket}.
 604
 605 In \nfig\ abbiamo un tipico schema di funzionamento di un'applicazione
 606 client-server che usa i socket TCP: prima il server viene avviato ed in
 607 seguito il client si connette, in questo caso, a differenza di quanto accadeva
 608 con gli esempi elementari del Cap.~\ref{cha:network} si assume che sia il
 609 client ad effettuare delle richieste a cui il server risponde, il client
 610 notifica poi di avere concluso inviando un end-of-file a cui il server
 611 risponderà anche lui chiudendo la connessione per aspettarne una nuova.
 612
 613 \begin{figure}[!htb]
 614   \centering
 615
 616   \caption{Struttura delle funzioni dei socket per una semplice applicazione
 617     client/server su TCP.}
 618   \label{fig:TCPel_cliserv_func}
 619 \end{figure}
 620
 621 Useremo questo schema per l'esempio di implementazione del servizio
 622 \texttt{echo} che illustreremo in \ref{sec:TCPel_echo_example}.
 623
 624 \subsection{La funzione \texttt{connect}}
 625 \label{sec:TCPel_func_connect}
 626
 627 La funzione \texttt{connect} è usata da un client TCP per stabilire la
 628 connessione con un server TCP, il prototipo della funzione, definito in
 629 \texttt{sys/socket.h}, è il seguente:
 630
 631 \begin{itemize}
 632 \item \texttt{int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr,
 633     socklen_t addrlen) }
 634
 635   Il primo argomento è un file descriptor ottenuto da una precedente chiamata
 636   a \texttt{socket}, mentre il secondo e terzo argomento sono rispettivamente
 637   l'indirizzo e la dimensione della struttura che contiene l'indirizzo del
 638   socket, già descritta in \ref{sec:sock_sockaddr}.
 639
 640   La funzione restituisce zero in caso di successo e -1 per un errore, in caso
 641   di errore. La variabile \texttt{errno} viene settata secondo i seguenti
 642   codici di errore
 643
 644   \begin{itemize}
 645   \item \texttt{EBADF} Il file descriptor non è valido.
 646   \item \texttt{EFAULT} L'indirizzo della struttura di indirizzi è al di fuori
 647     dello spazio di indirizzi dell'utente.
 648   \item \texttt{ENOTSOCK} Il file descriptor non è associato ad un socket
 649   \item \texttt{EISCONN} Il socket è già connesso.
 650   \item \texttt{ECONNREFUSED} Non c'è nessuno in ascolto sull'indirizzo remoto.
 651   \item \texttt{ETIMEDOUT} Si è avuto timeout durante il tentativo di
 652     connessione.
 653   \item \texttt{ENETUNREACH} La rete non è rggiungibile/
 654   \item \texttt{EADDRINUSE} L'indirizzo locale è in uso.
 655   \item \texttt{EINPROGRESS} Il socket è non bloccante e la connessione non
 656     può essere conclusa immediatamente.
 657   \item \texttt{EALREADY} Il socket è non bloccante e un tentativo precedente
 658     di connessione non si è ancora concluso.
 659   \item \texttt{EAGAIN} Non ci sono più porte locali libere.
 660   \item \texttt{EAFNOSUPPORT} L'indirizzo non ha una famiglia di indirizzi
 661     corretta nel relativo campo.
 662   \item \texttt{EACCESS, EPERM}
 663   \end{itemize}
 664 \end{itemize}
 665
 666 La struttura dell'indirizzo deve essere inizializzata con l'indirizzo IP e il
 667 numero di porta del server a cui ci si vuole connettere, come mostrato
 668 nell'esempio \ref{sec:net_cli_sample} usando le funzioni illustrate in
 669 \ref{sec:sock_addr_func}.
 670
 671 Nel caso di socket TCP la funzione \texttt{connect} avvia il three way
 672 handshake, e ritorna solo quando la connessione è stabilita o si è verificato
 673 un errore. Le possibili cause di errore sono molteplici (e brevemente
 674 riassunte sopra), in particolare le principali sono:
 675
 676 \begin{enumerate}
 677 \item Se il client non riceve risposta al SYN l'errore restituito è
 678   \texttt{ETIMEDOUT}. Stevens riporta che BSD invia un primo SYN alla chiamata
 679   di \texttt{connect}, un'altro dopo 6 secondi, un terzo dopo 24 secondi, se
 680   dopo 75 secondi non ha ricevuto risposta viene ritornato l'errore. Linux
 681   invece ripete l'emissione del SYN ad intervalli di 30 secondi per un numero
 682   di volte che può essere stabilito dall'utente sia con una opportuna
 683   \texttt{sysctl} che attraverso il filesystem \texttt{/proc} scrivendo il
 684   valore voluto in \texttt{/proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries}. Il valore di
 685   default per la ripetizione dell'invio è di 5 volte, che comporta un timeout
 686   dopo circa 180 secondi.
 687 %
 688 % Le informazioni su tutte le opzioni settabili via /proc stanno in
 689 % linux/Documentation/networking/ip-sysctl.txt
 690 %
 691 \item Se il client riceve come risposta al SYN un RST significa che non c'è
 692   nessun programma in ascolto per la connessione sulla porta specificata (il
 693   che vuol dire probablmente che o si è sbagliato il numero della porta o che
 694   non è stato avviato il server), questo è un errore fatale e la funzione
 695   ritorna non appena il RST viene ricevuto riportando un errore
 696   \texttt{ECONNREFUSED}.
 697
 698   Il flag RST sta per \textit{reset} ed è un segmento inviato direttamente
 699   dal TCP quando qualcosa non va. Tre condizioni che generano un RST sono:
 700   quando arriva un SYN per una porta che non ha nessun server in ascolto,
 701   quando il TCP abortisce una connessione in corso, quandi TCP riceve un
 702   segmento per una connessione che non esiste.
 703
 704 \item Il SYN del client provoca l'emissione di un messaggio ICMP di
 705   destinazione non raggiungibile.
 706
 707 \end{enumerate}
 708
 709 \subsection{La funzione \texttt{bind}}
 710 \label{sec:TCPel_func_bind}
 711
 712
 713
 714 \subsection{La funzione \texttt{listen}}
 715 \label{sec:TCPel_func_listen}
 716
 717 \subsection{La funzione \texttt{accept}}
 718 \label{sec:TCPel_func_accept}
 719
 720
 721 \section{Una semplice implementazione del servizio \textt{echo} su TCP}
 722 \label{sec:TCPel_echo_example}
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