1 \chapter{Socket TCP elementari}
2 \label{cha:elem_TCP_sock}
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.
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.
14 \section{Il funzionamento di una connessione TCP}
15 \label{sec:TCPel_connession}
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.
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}.
28 \subsection{La creazione della connessione: il \textit{three way handushake}}
29 \label{sec:TCPel_conn_cre}
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:
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.
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.
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.
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
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
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.
92 \caption{Il \textit{three way handshake} del TCP}
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
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.
114 \subsection{Le opzioni TCP.}
115 \label{sec:TCPel_TCP_opt}
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:
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}.
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).
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
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.
162 \subsection{La terminazione della connessione}
163 \label{sec:TCPel_conn_term}
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
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.
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.
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
189 \item L'altro capo della connessione riceverà il FIN conclusivo e risponderà
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.
204 \caption{Il \textit{three way handshake} del TCP}
205 \label{fig:TCPel_TWH}
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.
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}.
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.
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
233 \subsection{Un esempio di connessione}
234 \label{sec:TCPel_conn_dia}
236 Le operazioni del TCP nella creazione e conclusione di una connessione sono
237 specificate attraverso il diagramma di transizione degli stati riportato in
238 \nfig. TCP prevede l'esistenza di 11 diversi stati per un socket ed un insieme
239 di regole per le transizioni da uno stato all'altro basate sullo stato
240 corrente e sul tipo di segmento ricevuto; i nomi degli stati sono gli stessi
241 che vengono riportati del comando \texttt{netstat} nel campo \textit{State}.
243 Una descrizione completa del funzionamento del protocollo va al di là degli
244 obiettivi di questo libro; un approfondimento sugli aspetti principali si
245 trova in \ref{cha:tcp_protocol}, ma per una trattazione esauriente il miglior
246 riferimento resta (FIXME citare lo Stevens); qui ci limiteremo a descrivere
247 brevemente un semplice esempio di connessione e le transizioni che avvengono
248 nei due casi appena citati (creazione e terminazione della connessione).
250 In assenza di connessione lo stato del TCP è \textsl{CLOSED}; quando una
251 applicazione esegue una apertura attiva il TCP emette un SYN e lo stato
252 diventa \textsl{SYN\_SENT}; quando il TCP riceve la risposta del SYN$+$ACK
253 emette un ACK e passa allo stato \textsl{ESTABLISHED}; questo è lo stato
254 finale in cui avviene la gran parte del trasferimento dei dati.
256 Dal lato server in genere invece il passaggio che si opera con l'apertura
257 passiva è quello di portare il socket dallo stato \textsl{CLOSED} allo
258 stato \textsl{LISTEN} in cui vengono accettate le connessioni.
260 Dallo stato \textsl{ESTABLISHED} si può uscire in due modi; se un'applicazione
261 chiama la \texttt{close} prima di aver ricevuto un end of file (chiusura
262 attiva) la transizione è verso lo stato \textsl{FIN\_WAIT\_1}; se invece
263 l'applicazione riceve un FIN nello stato \textsl{ESTABLISHED} (chiusura
264 passiva) la transizione è verso lo stato \textsl{CLOSE\_WAIT}.
266 In \nfig\ è riportato lo schema dello scambio dei pacchetti che avviene per
267 una un esempio di connessione, insieme ai vari stati che il protocollo viene
268 ad assumere per i due lati, server e client.
273 \caption{Schema dello scambio di pacchetti per un esempio di connessione}
274 \label{fig:TPCel_conn_example}
277 La connessione viene iniziata dal client che annuncia un MSS di 1460 (un
278 valore tipico per IPv4 su ethernet) con linux, il server risponde con lo
279 stesso valore (ma potrebbe essere anche un valore diverso).
281 Una volta che la connessione è stabilita il client scrive al server una
282 richiesta (che assumiamo stare in un singolo segmento, cioè essere minore dei
283 1460 bytes annunciati dal server), quest'ultimo riceve la richiesta e
284 restituisce una risposta (che di nuovo supponiamo stare in un singolo
285 segmento). Si noti che l'acknowledge della richiesta è mandato insieme alla
286 risposta, questo viene chiamato \textit{piggybacking} ed avviene tutte le
287 volte che che il server è sufficientemente veloce a costruire la risposta, in
288 caso contrario si avrebbe prima l'emissione di un ACK e poi l'invio della
291 Infine si ha lo scambio dei quattro segmenti che terminano la connessione
292 secondo quanto visto in \ref{sec:TCPel_conn_term}; si noti che il capo della
293 connessione che esegue la chiusura attiva entra nello stato
294 \textsl{TIME\_WAIT} su cui torneremo fra poco.
296 È da notare come per effettuare uno scambio di due pacchetti (uno di richiesta
297 e uno di risposta) il TCP necessiti di ulteriori otto segmenti, se invece si
298 fosse usato UDP sarebbero stati sufficienti due soli pacchetti. Questo è il
299 costo che occorre pagare per avere l'affidabilità garantita dal TCP, se si
300 fosse usato UDP si sarebbe dovuto trasferire la gestione di tutta una serie di
301 dettagli (come la verifica della ricezione dei pacchetti) dal livello del
302 trasporto all'interno dell'applicazione.
304 Quello che è bene sempre tenere presente è allora quali sono le esigenze che
305 si hanno in una applicazione di rete, perché non è detto che TCP sia la
306 miglior scelta in tutti i casi (ad esempio se si devono solo scambiare dati
307 già organizzati in piccoli pacchetti l'overhead aggiunto può essere eccessivo)
308 per questo esistono applicazioni che usano UDP e lo fanno perché nel caso
309 specifico le sue caratteristiche di velocità e compattezza nello scambio dei
310 dati rispondono meglio alle esigenze che devono essere affrontate.
312 \subsection{Lo stato \texttt{TIME\_WAIT}}
313 \label{sec:TCPel_time_wait}
315 Come riportato da Stevens (FIXME citare) lo stato \texttt{TIME\_WAIT} è
316 probabilmente uno degli aspetti meno compresi del protocollo TCP, è infatti
317 comune trovare nei newsgroup domande su come sia possibile evitare che
318 un'applicazione resti in questo stato lasciando attiva una connessione ormai
319 conclusa; la risposta è che non deve essere fatto, ed il motivo cercheremo di
322 Come si è visto nell'esempio precedente (vedi \curfig) \texttt{TIME\_WAIT} è
323 lo stato finale in cui il capo di una connessione che esegue la chiusura
324 attiva resta prima di passare alla chiusura definitiva della connessione. Il
325 tempo in cui l'applicazione resta in questo stato deve essere due volte la MSL
326 (\textit{Maximum Segment Lifetime}).
328 La MSL è la stima del massimo periodo di tempo che un pacchetto IP può vivere
329 sulla rete; questo tempo è limitato perché ogni pacchetto IP può essere
330 ritrasmesso dai router un numero massimo di volte (detto \textit{hop limit}).
331 Il numero di ritrasmissioni consentito è indicato dal campo TTL dell'header di
332 IP (per maggiori dettagli vedi \ref{sec:appA_xxx}), e viene decrementato ad
333 ogni passaggio da un router; quando si annulla il pacchetto viene scartato.
334 Siccome il numero è ad 8 bit il numero massimo di ``salti'' è di 255, pertanto
335 anche se il TTL (da \textit{time to live}) non è propriamente un limite sul
336 tempo di vita, si stima che un pacchetto IP non possa restare nella rete per
339 Ogni implementazione del TCP deve scegliere un valore per la MSL (l'RFC1122
340 raccomanda 2 minuti, linux usa 30 secondi), questo comporta una durata dello
341 stato \textsl{TIME\_WAIT} che a seconda delle implementazioni può variare fra
344 Lo stato \texttt{TIME\_WAIT} viene utilizzato dal protocollo per due motivi
347 \item implementare in maniera affidabile la terminazione della connessione
348 in entrambe le direzioni.
349 \item consentire l'eliminazione dei segmenti duplicati dalla rete.
352 Il punto è che entrambe le ragioni sono importanti, anche se spesso si fa
353 riferimento solo alla prima; ma è solo se si tiene conto della seconda che si
354 capisce il perché della scelta di un tempo pari al doppio della MSL come
355 durata di questo stato.
357 Il primo dei due motivi precedenti si può capire tornando a \curfig: assumendo
358 che l'ultimo ACK della sequenza (quello del capo che ha eseguito la chiusura
359 attiva) vanga perso, chi esegue la chiusura passiva non ricevndo risposta
360 rimanderà un ulteriore FIN, per questo motivo chi esegue la chiusura attiva
361 deve mantenere lo stato della connessione per essere in grado di reinviare
362 l'ACK e chiuderla correttamente. Se non fosse così la risposta sarebbe un RST
363 (un altro tipo si segmento) che verrebbe interpretato come un errore.
365 Se il TCP deve poter chiudere in maniera pulita entrambe le direzioni della
366 connessione allora deve essere in grado di affrontare la perdita di uno
367 qualunque dei quattro segmenti che costituiscono la chiusura. Per questo
368 motivo lo stato \texttt{TIME\_WAIT} deve essere mantenuto anche dopo l'invio
369 dell'ultimo ACK per poter essere in grado di poterne gestire l'eventuale
370 ritrasmissione in caso di perdita.
373 Il secondo motivo è più complesso da capire, e necessita di spiegare meglio
374 gli scenari in cui accade che i pacchetti si possono perdere nella rete o
375 restare intrappolati, per poi riemergere.
377 Il caso più comune in cui questo avviene è quello di anomalie
378 nell'instradamento; può accadere cioè che un router smetta di funzionare o che
379 una connessione fra due router si interrompa. In questo caso i protocolli di
380 instradamento dei pacchetti possono impiegare diverso temo (anche dell'ordine
381 dei minuti) prima di trovare e stabilire un percorso alternativo per i
382 pacchetti. Nel frattempo possono accadere casi in cui un router manda i
383 pacchetti verso un'altro e quest'ultimo li rispedisce indietro, o li manda ad
384 un terzo router che li rispedisce al primo, si creano cioè dei circoli (i
385 cosiddetti \textit{routing loop}) in cui restano intrappolati i pacchetti.
387 Se uno di questi pacchetti intrappolati è un segmento di TCP chi l'ha inviato,
388 non ricevendo risposta, provvederà alla ritrasmissione e se nel frattempo sarà
389 stata stabilita una strada alternativa il pacchetto ritrasmesso giungerà a
390 destinazione. Ma se dopo un po' di tempo (che non supera il limite dell'MSL)
391 l'anomalia viene a cessare il circolo di instadamento viene spezzato i
392 pacchetti intrappolati potranno essere inviati alla destinazione finale, con
393 la conseguenza di avere dei pacchetti duplicati; questo è un caso che il TCP
394 deve essere in grado di gestire.
396 Allora per capire la seconda ragione per l'esistenza dello stato
397 \texttt{TIME\_WAIT} si consideri il caso seguente: si supponga di avere una
398 connessione fra l'IP 195.110.112.236 porta 1550 e l'IP 192.84.145.100 porta
399 22, che questa venga chiusa e che poco dopo si ristabilisca la stessa
400 connessione fra gli stessi IP sulle stesse porte (quella che viene detta,
401 essendo gli stessi porte e numeri IP, una nuova \textsl{incarnazione} della
402 connessione precedente); in questo caso ci si potrebbe trovare con dei
403 pacchetti duplicati relativi alla precedente connessione che riappaiono nella
406 Ma fintanto che il socket non è chiuso una nuova incarnazione non può essere
407 creata, per questo un socket TCP resta sempre nello stato \texttt{TIME\_WAIT}
408 per un periodo di 2MSL, in modo da attendere MSL secondi per essere sicuri che
409 tutti i pacchetti duplicati in arrivo siano stati ricevuti (e scartati) o che
410 nel frattempo siano stati eliminati dalla rete, e altri MSL secondi per essere
411 sicuri che lo stesso avvenga le risposte nella direzione opposta.
413 In questo modo il TCP si assicura che quando una viene creata una nuova
414 connessione tutti gli eventuali segmenti residui di una precedente connessione
415 che possono causare disturbi sono stati eliminati dalla rete.
418 \subsection{I numeri di porta}
419 \label{sec:TCPel_port_num}
421 In un ambiente multitasking in un dato momento più processi possono dover
422 usare sia UDP che TCP, e ci devono poter essere più connessioni in
423 contemporanea. Per poter tenere distinte le diverse connessioni entrambi i
424 protocolli usano i \textsl{numeri di porta}, che fanno parte, come si può
425 vedere in \ref{sec:sock_sa_ipv4} e \ref{sec:sock_sa_ipv6} pure delle strutture
426 degli indirizzi del socket.
428 Quando un client contatta un server deve poter identificare con quale dei vari
429 possibili server attivi intende parlare. Sia TCP che UDP definiscono un gruppo
430 di \textsl{porte conosciute} (le cosiddette \textit{well-known port}) che
431 identificano una serie di servizi noti (ad esempio la porta 22 identifica il
432 servizio \texttt{ssh}) effettuati da appositi server che rispondono alle
433 connessioni verso tali porte.
435 D'altra parte un client non ha necessità di usare un numero di porta
436 specifico, per cui in genere vengono usate le cosiddette \textsl{porte
437 effimere} (o \textit{ephemeral ports}) cioè porte a cui non è assegnato
438 nessun servizio noto e che vengono assegnate automaticamente dal kernel alla
439 creazione della connessione. Queste sono dette effimere in quanto vengono
440 usate solo per la durata della connessione, e l'unico requisito che deve
441 essere soddisfatto è che ognuna di esse sia assegnata in maniera univoca.
443 La lista delle porte conosciute è definita dall'RFC1700 che contiene l'elenco
444 delle porte assegnate dalla IANA (\textit{Internet Assigned Number Authority})
445 ma l'elenco viene costantemente aggiornato e pubblicato all'indirizzo
446 \texttt{ftp://ftp.isi.edu/in-notes/iana/assignements/port-numbers}, inoltre il
447 file \texttt{/etc/services} contiene un analogo elenco, con la corrispondenza
448 fra i numeri di porta ed il nome simbolico del servizio. I numeri sono divisi
452 \item \textsl{le porte conosciute}. I numeri da 0 a 1023. Queste sono
453 controllate e assegnate dalla IANA. Se è possibile la stessa porta è
454 assegnata allo stesso servizio sia su UDP che su TCP (ad esempio la porta 22
455 è assegnata a ssh su entrambi i protocolli, anche se viene usata solo dal
458 \item \textsl{le porte registrate}. I numeri da 1024 a 49151. Queste porte non
459 sono controllate dalla IANA, che però registra ed elenca chi usa queste
460 porte come servizio agli utenti. Come per le precedenti si assegna una porta
461 ad un servizio sia per TCP che UDP anche se poi il servizio è implementato
462 solo su TCP. Ad esempio X Window usa le porte TCP e UDP dal 6000 al 6063
463 anche se il protocollo è implementato solo tramite TCP.
465 \item \textsl{le porte private} o \textsl{dinamiche}. I numeri da 49152 a
466 65535. La IANA non dice nulla riguardo a queste porte che pertanto
467 sono i candidati naturali ad essere usate come porte effimere.
470 In realtà rispetto a quanto indicato nell'RFC1700 i vari sistemi hanno fatto
471 scelte diverse per le porte effimere, in particolare in \nfig\ sono riportate
472 quelle di BSD, Solaris e linux. Nel caso di linux poi la scelta fra i due
473 intervali possibili viene fatta dinamicamente a seconda della memoria a
474 disposizione del kernel per gestire le rative tabelle.
479 \caption{Allocazione dei numeri di porta}
480 \label{fig:TCPel_port_alloc}
483 I sistemi unix hanno inoltre il concetto di \textsl{porte riservate} (che
484 corrispondono alle porte con numero minore di 1024 e coincidono quindi con le
485 porte conosciute). La loro caratteristica è che possono essere assegnate a un
486 socket solo da un processo con i privilegi di root, per far si che solo
487 l'amministratore possa allocare queste porte per far partire relativi servizi.
489 Si tenga conto poi che ci sono alcuni client (in particolare \texttt{rsh} e
490 \texttt{rlogin}) che richiedono una connessione su una porta riservata anche
491 dal lato client come parte dell'autenticazione. Questo viene fatto tramite la
492 funzione \texttt{rresvport} assegnando al socket una porta libera
493 nell'intervallo fra 512 e 1023.
495 Data una connessione TCP si suole chiamare \textit{socket pair} la
496 combinazione dei quattro numeri che definiscono i due capi della connessione e
497 cioè l'indirizzo IP locale e la porta TCP locale, e l'indirizzo IP remoto e la
498 porta TCP remota; questa combinazione, che scriveremo usando una notazione del
499 tipo $(195.110.112.152:22, 192.84.146.100:20100)$, identifica univocamente una
500 connessione su internet. Questo concetto viene di solito esteso anche a UDP,
501 benché in questo caso non abbia senso parlare di connessione. L'utilizzo del
502 programma \texttt{netstat} permette di visualizzare queste informazioni nei
503 campi \textit{Local Address} e \textit{Foreing Address}.
506 \subsection{Le porte ed il modello client/server}
507 \label{sec:TCPel_port_cliserv}
509 Per capire meglio l'uso delle porte e come vengono utilizzate quando si ha a
510 che fare con un'applicazione client/server (come quella che scriveremo in
511 \ref{sec:TCPel_echo_example}) esaminaremo cosa accade con le connessioni nel
512 caso di un server TCP che deve gestire connessioni multiple.
514 Se esguiamo un \texttt{netstat} su una macchina di prova (che supponiamo avere
515 indirizzo 195.110.112.152) potremo avere un risultato del tipo:
517 Active Internet connections (servers and established)
518 Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
519 tcp 0 0 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN
520 tcp 0 0 0.0.0.0:25 0.0.0.0:* LISTEN
521 tcp 0 0 127.0.0.1:53 0.0.0.0:* LISTEN
523 essendo presenti e attivi un server ssh, un server di posta e un DNS per il
526 Questo ci mostra ad esempio che il server ssh ha compiuto un'apertura passiva
527 mettendosi in ascolto sulla porta 22 riservata a questo servizio e che si è
528 posto in ascolto per connessioni provenienti da uno qualunque degli indirizzi
529 associati alle interfaccie locali; la notazione 0.0.0.0 usata da netstat è
530 equivalente all'asterisco utilizzato per il numero di porta ed indica il
531 valore generico, e corrisponde al valore \texttt{INADDR\_ANY} definito in
532 \texttt{arpa/inet.h}.
534 Inoltre la porta e l'indirizzo di ogni eventuale connessione esterna non sono
535 specificati; in questo caso la \textit{socket pair} associata al socket può
536 essere indicata come $(*:22, *.*)$, usando l'asterisco anche per gli indirizzi
537 come carattere di \textit{wildchard}.
539 In genere avendo le macchine associato un solo IP ci si può chiedere che senso
540 abbia l'utilizzo dell'indirizzo generico per l'indirizzo locale, ma esistono
541 anche macchine che hanno più di un indirizzo IP (il cosiddetto
542 \textit{miltihoming}) in questo modo si possono accettare connessioni
543 indirizzate verso uno qualunque di essi. Ma come si può vedere nell'esempio
544 con il DNS in ascolto sulla porta 53 è anche possibile restringere l'accesso
545 solo alle connessioni che provengono da uno specifico indirizzo, cosa che nel
546 caso è fatta accettando solo connessioni che arrivino sull'interfaccia di
549 Una volta che ci si vorrà collegare a questa macchina da un'altra posta
550 all'indirizzo 192.84.146.100 si potrà lanciare un client \texttt{ssh} per
551 creare una connessione verso la precedente, e il kernel associerà al suddetto
552 una porta effimera che per esempio potrà essere la 21100, la connessione
553 allora sarà espressa dalla socket pair $(192.84.146.100:21100,
554 195.110.112.152.22)$.
556 Alla ricezione della richiesta dal client il server creerà un processo figlio
557 per gestire la connessione, se a questo punto eseguiamo nuovamente il
558 programma netstat otterremo come risultato:
560 Active Internet connections (servers and established)
561 Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
562 tcp 0 0 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN
563 tcp 0 0 0.0.0.0:25 0.0.0.0:* LISTEN
564 tcp 0 0 127.0.0.1:53 0.0.0.0:* LISTEN
565 tcp 0 0 195.110.112.152:22 192.84.146.100:21100 ESTABLISHED
568 Come si può notare il server è ancora in ascolto sulla porta 22, però adesso
569 c'è un nuovo socket (con lo stato \texttt{ESTABLISHED}) che anch'esso utilizza
570 la porta 22, ed ha specificato l'indirizzo locale, questo è il socket con cui
571 il processo figlio gestisce la connessione mentre il padre resta in ascolto
572 sul socket originale.
574 Se a questo punto lanciamo un'altra volta il client ssh per una seconda
575 conessione quello che otterremo usando netstat sarà qualcosa del genere:
577 Active Internet connections (servers and established)
578 Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
579 tcp 0 0 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN
580 tcp 0 0 0.0.0.0:25 0.0.0.0:* LISTEN
581 tcp 0 0 127.0.0.1:53 0.0.0.0:* LISTEN
582 tcp 0 0 195.110.112.152:22 192.84.146.100:21100 ESTABLISHED
583 tcp 0 0 195.110.112.152:22 192.84.146.100:21101 ESTABLISHED
585 cioè il client effettuerà la connessione usando un'altra porta effimera, con
586 questa sarà aperta la connessione, ed il server creerà un'altro processo
587 figlio sarà creato per gestirla.
589 Tutto ciò mostra come TCP, per poter gestire le connessioni con un server
590 concorrente, non può suddividere i pacchetti solo sulla base della porta di
591 destinazione, ma deve usare tutta l'informazione contenuta nella socket pair,
592 compresa la porta dell'indirizzo remoto. E se andassimo a vedere quali sono i
593 processi a cui fanno riferimento i vari socket vedremmo che i pacchetti che
594 arrivano dalla porta remota 21100 vanno al primo figlio e quelli che arrivano
595 alla porta 21101 al secondo.
598 \section{Le funzioni dei socket TCP}
599 \label{sec:TCPel_functions}
601 In questa sezione descriveremo in dettaglio le varie funzioni necessarie per
602 l'uso dei socket TCP già citate in precedenza (e utilizzate nei due esempi
603 \ref{sec:net_cli_sample} e \ref{sec:net_serv_sample}) con l'eccezione della
604 funzione \texttt{socket} che è già stata esaminata in dettaglio in
605 \ref{sec:sock_socket}.
607 In \nfig\ abbiamo un tipico schema di funzionamento di un'applicazione
608 client-server che usa i socket TCP: prima il server viene avviato ed in
609 seguito il client si connette, in questo caso, a differenza di quanto accadeva
610 con gli esempi elementari del Cap.~\ref{cha:network} si assume che sia il
611 client ad effettuare delle richieste a cui il server risponde, il client
612 notifica poi di avere concluso inviando un end-of-file a cui il server
613 risponderà anche lui chiudendo la connessione per aspettarne una nuova.
618 \caption{Struttura delle funzioni dei socket per una semplice applicazione
619 client/server su TCP.}
620 \label{fig:TCPel_cliserv_func}
623 Useremo questo schema per l'esempio di implementazione del servizio
624 \texttt{echo} che illustreremo in \ref{sec:TCPel_echo_example}.
627 \subsection{La funzione \texttt{bind}}
628 \label{sec:TCPel_func_bind}
631 La funzione \texttt{bind} assegna un indirizzo locale ad un socket, è usata
632 cioè per specificare la prima parte dalla socket pair. Viene usata sul lato
633 server per specificare la porta (e gli eventuali indirizzi locali) su cui poi
634 ci si porrà in ascolto.
636 Il prototipo della funzione, definito in \texttt{sys/socket.h}, è il seguente:
639 \item \texttt{int bind(int sockfd, const struct sockaddr *serv\_addr,
640 socklen\_t addrlen) }
642 Il primo argomento è un file descriptor ottenuto da una precedente chiamata
643 a \texttt{socket}, mentre il secondo e terzo argomento sono rispettivamente
644 l'indirizzo (locale) del socket e la dimensione della struttura che lo
645 contiene, secondo quanto già trattato in \ref{sec:sock_sockaddr}.
647 La funzione restituisce zero in caso di successo e -1 per un errore, in caso
648 di errore. La variabile \texttt{errno} viene settata secondo i seguenti
651 \item \texttt{EBADF} Il file descriptor non è valido.
652 \item \texttt{EINVAL} Il socket ha già un indirizzo assegnato.
653 \item \texttt{ENOTSOCK} Il file descriptor non è associato ad un socket.
654 \item \texttt{EACCESS} Si è cercato di usare un indirizzo riservato senza
660 Con il TCP la chiamata \texttt{bind} permette di specificare l'indirizzo, la
661 porta, entrambi o nessuno dei due. In genere i server utilizzano una porta
662 nota che assegnano all'avvio, se questo non viene fatto è il kernel a
663 scegliere una porta effimera quando vengono eseguite la funzioni
664 \texttt{connect} o \texttt{listen}, ma se questo è normale per il client non
665 lo è per il server\footnote{un'eccezione a tutto ciò i server che usano RPC.
666 In questo caso viene fatta assegnare dal kernel una porta effimera che poi
667 viene registrata presso il \textit{portmapper}; quest'ultimo è un altro
668 demone che deve essere contattato dai client per ottenere la porta effimera
669 su cui si trova il server} che in genere viene identificato dalla porta su
672 Con \texttt{bind} si può assegnare un IP specifico ad un socket, purché questo
673 appartenga ad una interfaccia della macchina. Per un client TCP questo
674 diventerà l'indirizzo sorgente usato per i tutti i pacchetti inviati sul
675 socket, mentre per un server TCP questo restringerà l'accesso al socket solo
676 alle connessioni che arrivano verso tale indirizzo.
678 Normalmente un client non specifica mai un indirizzo ad un suo socket, ed il
679 kernel sceglie l'indirizzo di orgine quando viene effettuata la connessione
680 sulla base dell'interfaccia usata per trasmettere i pacchetti, (che dipende
681 dalle regole di instradamento usate per raggiungere il server).
682 Se un server non specifica il suo indirizzo locale il kernel userà come
683 indirizzo di origine l'indirizzo di destinazione specificato dal SYN del
686 Per specificare un indirizzo generico con IPv4 si usa il valore
687 \texttt{INADDR\_ANY}, il cui valore, come visto anche negli esempi precedenti
688 è pari a zero, nell'esempio \ref{fig:net_serv_sample} si è usata
689 un'assegnazione immediata del tipo:
691 serv_add.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* connect from anywhere */
694 Si noti che si è usato \texttt{htonl} per assegnare il valore
695 \texttt{INADDR\_ANY}; benché essendo questo pari a zero il riordinamento sia
696 inutile; ma dato che tutte le constanti \texttt{INADDR\_} sono definite
697 secondo l'ordinamento della macchina è buona norma usare sempre la funzione
700 L'esempio precedete funziona con IPv4 dato che l'indirizzo è rappresentabile
701 anche con un intero a 32 bit; non si può usare lo stesso metodo con IPv6,
702 in cui l'indirizzo è specificato come struttura, perché il linguaggio C non
703 consente l'uso di una struttura costante come operando a destra in una
704 assegnazione. Per questo nell'header \texttt{netinet/in.h} è definita una
705 variabile \texttt{in6addr\_any} (dichiarata come \texttt{extern}, ed
706 inizializzata dal sistema al valore \texttt{IN6ADRR\_ANY\_INIT}) che permette
707 di effettuare una assegnazione del tipo:
709 serv_add.sin6_addr = in6addr_any; /* connect from anywhere */
713 \subsection{La funzione \texttt{connect}}
714 \label{sec:TCPel_func_connect}
716 La funzione \texttt{connect} è usata da un client TCP per stabilire la
717 connessione con un server TCP, il prototipo della funzione, definito in
718 \texttt{sys/socket.h}, è il seguente:
721 \item \texttt{int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv\_addr,
722 socklen\_t addrlen) }
724 Il primo argomento è un file descriptor ottenuto da una precedente chiamata
725 a \texttt{socket}, mentre il secondo e terzo argomento sono rispettivamente
726 l'indirizzo e la dimensione della struttura che contiene l'indirizzo del
727 socket, già descritta in \ref{sec:sock_sockaddr}.
729 La funzione restituisce zero in caso di successo e -1 per un errore, in caso
730 di errore. La variabile \texttt{errno} viene settata secondo i seguenti
733 \item \texttt{EBADF} Il file descriptor non è valido.
734 \item \texttt{EFAULT} L'indirizzo della struttura di indirizzi è al di fuori
735 dello spazio di indirizzi dell'utente.
736 \item \texttt{ENOTSOCK} Il file descriptor non è associato ad un socket.
737 \item \texttt{EISCONN} Il socket è già connesso.
738 \item \texttt{ECONNREFUSED} Non c'è nessuno in ascolto sull'indirizzo remoto.
739 \item \texttt{ETIMEDOUT} Si è avuto timeout durante il tentativo di
741 \item \texttt{ENETUNREACH} La rete non è raggiungibile.
742 \item \texttt{EADDRINUSE} L'indirizzo locale è in uso.
743 \item \texttt{EINPROGRESS} Il socket è non bloccante e la connessione non
744 può essere conclusa immediatamente.
745 \item \texttt{EALREADY} Il socket è non bloccante e un tentativo precedente
746 di connessione non si è ancora concluso.
747 \item \texttt{EAGAIN} Non ci sono più porte locali libere.
748 \item \texttt{EAFNOSUPPORT} L'indirizzo non ha una famiglia di indirizzi
749 corretta nel relativo campo.
750 \item \texttt{EACCESS, EPERM} Si è tentato di eseguire una connessione ad un
751 indirizzo broacast senza che il socket fosse stato abilitato per il
756 La struttura dell'indirizzo deve essere inizializzata con l'indirizzo IP e il
757 numero di porta del server a cui ci si vuole connettere, come mostrato
758 nell'esempio \ref{sec:net_cli_sample} usando le funzioni illustrate in
759 \ref{sec:sock_addr_func}.
761 Nel caso di socket TCP la funzione \texttt{connect} avvia il three way
762 handshake, e ritorna solo quando la connessione è stabilita o si è verificato
763 un errore. Le possibili cause di errore sono molteplici (ed i relativi codici
764 riportati sopra), quelle che però dipendono dalla situazione della rete e non
765 da errori o problemi nella chiamata della funzione sono le seguenti:
768 \item Il client non riceve risposta al SYN: l'errore restituito è
769 \texttt{ETIMEDOUT}. Stevens riporta che BSD invia un primo SYN alla chiamata
770 di \texttt{connect}, un'altro dopo 6 secondi, un terzo dopo 24 secondi, se
771 dopo 75 secondi non ha ricevuto risposta viene ritornato l'errore. Linux
772 invece ripete l'emissione del SYN ad intervalli di 30 secondi per un numero
773 di volte che può essere stabilito dall'utente sia con una opportuna
774 \texttt{sysctl} che attraverso il filesystem \texttt{/proc} scrivendo il
775 valore voluto in \texttt{/proc/sys/net/ipv4/tcp\_syn\_retries}. Il valore di
776 default per la ripetizione dell'invio è di 5 volte, che comporta un timeout
777 dopo circa 180 secondi.
779 % Le informazioni su tutte le opzioni settabili via /proc stanno in
780 % linux/Documentation/networking/ip-sysctl.txt
782 \item Il client riceve come risposta al SYN un RST significa che non c'è
783 nessun programma in ascolto per la connessione sulla porta specificata (il
784 che vuol dire probablmente che o si è sbagliato il numero della porta o che
785 non è stato avviato il server), questo è un errore fatale e la funzione
786 ritorna non appena il RST viene ricevuto riportando un errore
787 \texttt{ECONNREFUSED}.
789 Il flag RST sta per \textit{reset} ed è un segmento inviato direttamente
790 dal TCP quando qualcosa non va. Tre condizioni che generano un RST sono:
791 quando arriva un SYN per una porta che non ha nessun server in ascolto,
792 quando il TCP abortisce una connessione in corso, quandi TCP riceve un
793 segmento per una connessione che non esiste.
795 \item Il SYN del client provoca l'emissione di un messaggio ICMP di
796 destinazione non raggiungibile. In questo caso dato che il messaggio può
797 essere dovuto ad una condizione transitoria si ripete l'emmissione dei SYN
798 come nel caso precedente, fino al timeout, e solo allora si restituisce il
799 codice di errore dovuto al messaggio ICMP, che da luogo ad un
800 \texttt{ENETUNREACH}.
804 Se si fa riferimento al diagramma degli stati del TCP riportato in
805 \ref{fig:appB:tcp_state_diag} la funzione \texttt{connect} porta un socket
806 dallo stato \texttt{CLOSED} (lo stato iniziale in cui si trova un socket
807 appena creato) prima allo stato \texttt{SYN\_SENT} e poi, al ricevimento del
808 ACK, nello stato \texttt{ESTABLISHED}. Se invece la connessione fallisce il
809 socket non è più utilizzabile e deve essere chiuso.
811 Si noti infine che con la funzione \texttt{connect} si è specificato solo
812 indirizzo e porta del server, quindi solo una metà della socket pair; essendo
813 questa funzione usata nei client l'altra metà contentente indirizzo e porta
814 locale viene lasciata all'assegnazione automatica del kernel, e non è
815 necessario effettuare una \texttt{bind}.
818 \subsection{La funzione \texttt{listen}}
819 \label{sec:TCPel_func_listen}
821 La funzione \texttt{listen} è usata per usare un socket in modalità passiva,
822 cioè, come dice il nome, per metterlo in ascolto di eventuali connessioni; in
823 sostanza l'effetto della funzione è di portare il socket dallo stato
824 \texttt{CLOSED} a quello \texttt{LISTEN}.
826 \begin{prototype}{int listen(int sockfd, int backlog)}
828 \item \texttt{EBADF} L'argomento \texttt{sockfd} non è un file descriptor
830 \item \texttt{ENOTSOCK} L'argomento \texttt{sockfd} non è un socket.
831 \item \texttt{EOPNOTSUPP} The socket is not of a type that supports the lis
838 \subsection{La funzione \texttt{accept}}
839 \label{sec:TCPel_func_accept}
842 \section{Una semplice implementazione del servizio \texttt{echo} su TCP}
843 \label{sec:TCPel_echo_example}