Corretti errori per la compilazione, aggiunto Makefile (iniziale, per

[gapil.git] / network.tex

\chapter{Introduzione alla rete}
\label{cha:network}

In questo capitolo sarà fatta un'introduzione ai contetti generali che servono
come prerequisiti per capire la programmazione di rete ed esamineremo a grandi
linee i protocolli di rete e come questi sono organizzati e interagiscono.

In particolare, avendo assunto l'ottica di un'introduzione mirata alla
programmazione di rete, ci concentreremo sul protocollo più diffuso che è
quello che sta alla base di internet, ed in particolare sulle parti più
importanti ai fini della programmazione.  


\section{I protocolli di rete}
\label{sec:net_protocols}

Parlando di reti di computer si parla in genere di un insieme molto vasto ed
eterogeneo di mezzi di comunicazione che vanno dal cavo telefonico, alla fibra
ottica, alle comunicazioni via satellite; per rendere possibile la
comunicazione attraverso un così variegato insieme di mezzi sono stati
adottati una serie di protocolli, il più famoso dei quali, quello alla base
del funzionamento di internet, è il cosiddetto TCP/IP.

\subsection{Il modello ISO/OSI}
\label{sec:net_iso_osi}

Una caratteristica comune dei protocolli di rete è il loro essere strutturati
in livelli sovrapposti; in questo modo un livello superiore esegue richieste
al livello sottostante e da questo riceve responsi, mentre livelli uguali su
macchine diverse conversano tramite lo stesso protocollo. Questo modello di
funzionamento è stato stato standardizzato dalla \textit{International
  Standards Organization} (ISO) che ha preparato fin dal 1984 il Modello di
Riferimento \textit{Open Systems Interconnection} (OSI), strutturato in sette
livelli, secondo la tabella in \ntab.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \begin{tabular}{l c c l} 
    \textbf{Livello} & \multicolumn{2}{c}{\textbf{Nome}} & \\
    \hline
    Livello 7&\textit{Application} &\textsl{Applicazione}& \\ 
    Livello 6&\textit{Presentation} &\textsl{Presentazione}& \\ 
    Livello 5&\textit{Session} &\textsl{Sessione}& \\ 
    Livello 4&\textit{Transport} &\textsl{Trasporto}& \\ 
    Livello 3&\textit{Network} &\textsl{Rete}&   \\ 
    Livello 2&\textit{DataLink} &\textsl{Collegamento Dati}& \\
    Livello 1&\textit{Connection} &\textsl{Connessione Fisica}& \\
    \hline
\end{tabular}
\caption{I sette livelli del protocollo ISO/OSI.}
\label{tab:net_osilayers}
\end{table}

Il modello ISO/OSI è stato sviluppato corrispondentemente alla definizione
della serie di protocolli X.25 per la commutazione di pacchetto. Ma nonostante
il lavoro dettagliato di standardizzazione il modello si è rivelato
sostanzialmente troppo complesso e poco flessibile rispetto a quello,
precedente, su cui si basa TCP/IP che è diventato uno standard de facto;
quest'ultimo viene comunemente chiamato modello DoD (\textit{Department of
  Defense}), dato che fu sviluppato dall'agenzia ARPA per il Dipartimento
della Difesa Americano.

\subsection{Il modello DoD (TCP/IP)}
\label{sec:net_tcpip_overview}

Così come ISO/OSI anche TCP/IP è stato strutturato in livelli (riassunti in
\ntab); un confronto fra i due è riportato in \nfig dove viene evidenziata
anche la corrispondenza fra i rispettivi livelli (che comunque è
approssimativa) e su come essi vanno ad inserirsi all'interno del sistema
operativo rispetto alla divisione fra user space e kernel space spiegata in
\ref{sec:intro_unix_struct}.

\begin{table}[htb]
  \centering
  \begin{tabular}{l c c l} 
    \textbf{Livello} & \multicolumn{2}{c}{\textbf{Nome}} & \textbf{Esempi} \\
    \hline
    Livello 1&\textit{Application} &\textsl{Applicazione}& 
    Telnet, FTP, etc. \\ 
    Livello 2&\textit{Transport} &\textsl{Trasporto}& TCP, UDP \\ 
    Livello 3&\textit{Network} &\textsl{Rete}& IP, (ICMP, IGMP)  \\ 
    Livello 4&\textit{Link} &\textsl{Connessione}& 
    device driver \& scheda di interfaccia  \\
    \hline
\end{tabular}
\caption{I quattro livelli del protocollo TPC/IP.}
\label{tab:net_layers}
\end{table}


Come si può notare TCP/IP è più semplice del modello ISO/OSI e strutturato in
soli quattro livelli. Il suo nome deriva dai due principali protocolli che lo
compongono, il TCP \textit{Trasmission Control Protocol} e l'IP
\textit{Internet Protocol}. Le funzioni dei vari livelli sono le seguenti:

\begin{description}
\item \textbf{Applicazione} É relativo ai programmi di interfaccia utente, in
  genere questi vengono realizzati secondo il modello Client-Server (vedi
  \ref{sec:net_cliserv}.
\item \textbf{Trasporto} Fornisce la comunicazione tra le due stazioni
  terminali su cui girano gli applicativi, regola il flusso delle
  informazioni, e può fornire un trasporto affidabile, cioè con recupero
  errori. Il protocollo principale di questo livello è il TCP.
\item \textbf{Rete} Si occupa dello smistamento dei singoli pacchetti su una
  rete complessa e interconnessa, a questo stesso livello operano i protocolli
  per il reperimento delle informazioni necessarie allo smistamento, per lo
  scambio di messaggi di controllo e per il monitoraggio della rete. Il
  protocollo su cui si basa questo livello è IP (sia nella attuale versione,
  IPv4 che nella nuova IPv6).
\item \textbf{Connessione} È responsabile per l'interfacciamento al
  dispositivo elettronico che effettua la comunicazione fisica, gestendo
  l'invio e la ricezione dall'hardware dei pacchetti.
\end{description}


La comunicazione fra due stazioni avviene pertanto secondo le modalità
illustrate in \nfig. 

Le singole applicazioni si scambieranno i dati secondo un loro formato
specifico, implementando un protocollo di applicazione (esempi possono essere
HTTP, POP, telnet, SMTP, etc). 

Questi dati vengono inviati al livello di trasporto usando un'interfaccia
opportuna (i \textit{socket}, che esamineremo in dettaglio in seguito), i
quali li spezzerà in pacchetti di dimensione opportuna e li incapsulerà
all'interno del suo protocollo di trasporto aggiungendo ad ogni pacchetto le
informazioni necessarie alla gestione di quest'ultimo. Questo processo viene
svolto dirattamente nel kernel ad esempio dallo stack TCP nel caso il
protocollo di trasporto sia questo.

Una volta composto il pacchetto nel formato adatto al protocollo di trasporto
usato questo sarà passato al successivo livello, quello del collegamento che
si occupa di inserire le opportune informazioni per poter effettuare
l'instradamento nella rete ed il recapito alla destinazione finale. In genere
questo è il livello di IP (Internet Protocol), a cui vengono inseriti i numeri
IP che identificano i computer su internet.

L'ultimo passo è il trasferimento del pacchetto al driver della interfaccia di
trasmissione che si incarica di incapsularlo nel relativo protocollo di
trasmissione fisica usato dall'hardware usato per la comunicazione (ad esempio
ethernet per una scheda di rete).


\subsection{Criteri generali del design di TCP/IP}
\label{sec:net_tcpip_design}

La filosofia architetturale di TCP/IP è semplice: costruire una rete che
possa sopportare il carico in transito, ma permettere ai singoli nodi di
scartare pacchetti se il carico è temporaneamente eccessivo, o se risultano
errati o non recapitabili.

L'incarico di rendere il recapito pacchetti affidabile non spetta allo livello
di collegamento, ma ai livelli superiori. Pertanto il protocollo IP è per sua
natura inaffidabile, in quanto non è assicurata né una percentuale di
successo né un limite sui tempi di consegna dei pacchetti.

È il livello di trasporto che si deve occupare (qualora necessiti) del
controllo del flusso dei dati e del recupero degli errori; questo è realizzato
dal protocollo TCP. La sede principale di "intelligenza" della rete è pertanto
al livello di trasporto o superiore.

Infine le singole stazioni collegate alla rete non fungono soltanto da punti
terminali di comunicazione, ma possono anche assumere il ruolo di router, per
l'interscambio di pacchetti da una rete ad un'altra. Questo rende possibile la
flessibilità della rete che è in grado di adattarsi ai mutamenti delle
interconnessioni.

La caratteristica essenziale che rende tutto ciò possibile è la strutturazione
a livelli tramite l'incapsulamento. Ogni pacchetto di dati viene incapsulato
nel formato del livello successivo, fino al livello della connessione fisica.
In questo modo il pacchetto ricevuto ad un livello $n$ dalla stazione di
destinazione è esattamente lo stesso spedito dal livello $n$ dalla sorgente.
Questo rende facile il progettare il software facendo riferimento unicamente a
quanto necessario ad un singolo livello, con la confidenza che questo poi sarà
trattato uniformemente da tutti i nodi della rete.


\section{Il protocollo TCP/IP}
\label{sec:net_tpcip}

Come già affermato il protocollo TCP/IP è un insieme di protocolli diversi,
che operano su 4 livelli diversi. Per gli interessi della programmazione di
rete però sono importanti principalmente i due livelli centrali, e soprattutto
quello di trasporto, su cui è innestata l'interfaccia fra kernel space e user
space. 

Il livello 4 infatti è normalmente gestito dal kernel, e si accede ad esso
solo quando si vogliono fare applicazioni di sistema per il controllo della
rete (locale) a basso livello, un uso quindi molto specialistico. Il livello 1
invece dipende dalle singole applicazioni ed è di nuovo troppo specifico per
essere affrontato qui.

\subsection{Il quadro generale}

Benché si parli di TCP/IP questa famiglia di protocolli è composta anche da
altri membri. In \nfig si è riportato una figura di quadro che mostra un
panorama sull'intera famiglia, e di come i vari protocolli vengano usati dalle
applicazioni.

La figura è da fare  ...

I vari protocolli mostrati in figura sono i seguenti:

\begin{list}{}{}
\item \textsl{IPv4} \textit{Internet Protocol version 4}. È quello che
  comunemente si chiama IP. Ha origine negli anni '80 e da allora è la base su
  cui è cotriuta internet. Usa indirizzi a 32 bit e provvede la trasmissione
  dei pacchetti TCP, UDP, ICMP e IGMP.
\item \textsl{IPv6} \textit{Internet Protocol version 6}. È stato progettato a
  metà degli anni '90 per rimpiazzare IPv4. Ha indirizzi a 128 bit e effettua
  lo stesso servizio di trasporto di IPv4 per i pacchetti TCP, UDP e ICPMv6.
\item \textsl{TCP} \textit{Trasmission Control Protocol}. È un protocollo
  orientato alla connessione che provvede un trasporto affidabile e
  bidirezionale di un flusso di dati. I socket TCP sono esempi di
  \textit{stream socket}. Il protocollo ha cura di tutti gli aspetti del
  trasporto, come l'acknoweledgment, i timout, la ritrasmissione, etc. È usato
  dalla maggior parte delle applicazioni. Può essere usato sia con IPv4 che
  con IPv6.
\item \textsl{UDP} \textit{User Datagram Protocol}. È un protocollo senza
  connessione a pacchetti. I socket UDP sono esempi di \textit{datagram
    socket}. Contrariamente al TCP in protocollo non è affidabile e non c'è
  garanzia che i pacchetti raggiungano la loro destinazione, né sull'eventuale
  ordine di arrivo. Può essere usato sia con IPv4 che con IPv6.
\item \textsl{ICMP} \textit{Internet Control Message Protocol}. Gestisce gli
  errori e trasporta l'informazione di controllo fra stazioni remote e
  instradatori (\textit{router} e \textit{host}). I messaggi sono normalmente
  generati dal software del kernel che gestisce la comunicazione TCP/IP, anche
  se può venire usato direttamente da alcuni programmi come \texttt{ping}. A
  volte ci si riferisce ad esso come ICPMv4 per distinguerlo da ICMPv6.
\item \textsl{ICMP} \textit{Internet Group Management Protocol}. É un
  protocollo usato per il \textit{multicasting} (vedi
  \ref{sec:xxx_multicast}), che è opzionale in IPv4.
\item \textsl{ARP} \textit{Address Resolution Protocol}. È il protocollo che
  mappa un indirizzo IP in un indirizzo hardware (come un indirizzo
  internet). È usato in reti di tipo broadcast come ethernet, token ring o
  FDDI ma non serve in connessioni punto-punto.
\item \textsl{RARP} \textit{Reverse Address Resolution Protocol}. È il
  protocollo che mappa un indirizzo hardware in un indirizzo IP. Viene usato a
  volte per durante il boot per assegnare un indirizzo IP ad una macchina.
\item \textsl{ICMPv6} \textit{Internet Control Message Protocol, version 6}.
  Combina per IPv6 le funzionalità di ICMPv4, IGMP e ARP.
\item \textsl{NETLINK} \textit{Netlink}.
  Provvede l'interfaccia di accesso alla comunicazione a basso livello.
\end{list}

Gran parte delle applicazioni comunicano usando TCP o UDP, ed alcune si
rifanno ad IP (ed i suoi correlati ICMP e IGMP); benché sia TCP che UDP siano
basati su IP e sia possibile intervenire a questo livello con i \textit{raw
  socket} questa tecnica è molto meno diffusa e a parte applicazioni
particolari si preferisce sempre usare i servizi messi a disposizione dai due
protocolli precedenti.  Per questo motivo a parte alcuni brevi accenni su IP
in questa sezione ci concentreremo sul livello di trasporto.

\subsection{Internet Protocol (IP)}
\label{sec:net_ip}

Quando si parla di IP ci si riferisce in genere alla versione attualmente in
uso che è la versione 4 (e viene pertanto chiamato IPv4). Questa versione
venne standardizzata nel 1981 dall'RFC~719.

Internet protocol nasce per disaccoppiare le applicazioni della struttura
hardware delle reti di trasmissione, e creare una interfaccia di trasmissione
dei dati indipendente dal sottostante substrato di rete, che può essere
realizzato con le tecnologie più disparate (Ethernet, Token Ring, FDDI, etc.).
Il compito di IP è pertanto quello di trasmettere i pacchetti da un computer
all'altro della rete; le caratteristiche essenziali con cui questo viene
realizzato in IPv4 sono due:

\begin{itemize}
\item \textit{Universal addressing} la comunicazione avviene fra due host
  identificati univocamente con un indirizzo a 32 bit che può appartenere ad
  una sola interfaccia di rete.
\item \textit{Best effort} viene assicurato il massimo impegno nella
  trasmissione, ma non c'è nessuna garanzia per i livelli superiori né sulla
  percentuale di successo né sul tempo di consegna dei pacchetti di dati.
\end{itemize}

Negli anni '90 la crescita vertiginosa del numero di macchine connesse a
internet ha iniziato a far emergere i vari limiti di IPv4, per risolverne i
problemi si è perciò definita una nuova versione del protocollo, che (saltando
un numero) è diventata la versione 6. IPv6 nasce quindi come evoluzione di
IPv4, mantendone inalterate le funzioni che si sono dimostrate valide,
eliminando quelle inutili e aggiungendone poche altre ponendo al contempo una
grande attenzione a mantenere il protocollo il più snello e veloce possibile.

I cambiamenti apportati sono comunque notevoli e si possono essere riassunti a
grandi linee nei seguenti punti:
\begin{itemize}
\item l'espansione delle capacità di indirizzamento e instradamento, per
  supportare una gerarchia con più livelli di indirizzamento, un numero di
  nodi indirizzabili molto maggiore e una autoconfigurazione degli indirizzi
\item l'introduzione un nuovo tipo di indirizzamento, l'\textit{anycast} che
  si aggiungono agli usuali \textit{unycast} e \textit{multicast}
\item la semplificazione del formato della testata, eliminando o rendendo
  opzionali alcuni dei campi di IPv4, per eliminare la necessità di
  riprocessamento della stessa da parte dei router e contenere l'aumento di
  dimensione dovuto ai nuovi indirizzi
\item un supporto per le opzioni migliorato, per garantire una trasmissione
  più efficiente del traffico normale, limiti meno stringenti sulle dimensioni
  delle opzioni, e la flessibilità necessaria per introdurne di nuove in
  futuro
\item il supporto per delle capacità di qualità di servizio (QoS) che permetta
  di identificare gruppi di dati per i quali si può provvedere un trattamento
  speciale (in vista dell'uso di internet per applicazioni multimediali e/o
  ``real-time'')
\end{itemize}

Per maggiori dettagli riguardo al protocollo si può consultare
\ref{sec:appA_ip}.

 
\subsection{UDP: User Datagram Protocol)}
\label{sec:net_udp}

UDP è un protocollo di trasporto molto semplice, la sua descizione completa è
contenuta dell'RFC768, ma in sostanza esso è una semplice interfaccia a IP dal
livello di trasporto. Quando un'applicazione usa UDP essa scrive un pacchetto
di dati (il cosiddetto \textit{datagram} che da il nome al protocollo) su un
socket, al pacchetto viene aggiunto un header molto semplice
(\ref{sec:appA_udp}, e poi viene passato al livello superiore (IPv4 o IPv6
che sia) che lo spedisce verso la destinazione.  Dato che né IPv4 né IPv6
garantiscono l'affidabilità niente assicura che il pacchetto arrivi a
destinazione, né che più pacchetti arrivino nello stesso ordine in cui sono
stati spediti.

Pertanto il problema principale che si affronta quando si usa UDP è la
mancanza di affidabilità, se si vuole essere sicuri che i pacchetti arrivino 


\subsection{TCP: Transport Control Protocol)}
\label{sec:net_tcp}



\section{Il modello client-server}
\label{sec:net_cliserv}.

La differenza principale fra un'applicazione di rete e un programma normale
è che quest'ultima per definizione concerne la comunicazione fra
``processi'' diversi (che in generale non girano neanche sulla stessa
macchina). Questo già prefigura un cambiamento completo rispetto all'ottica
del ``programma'' monolitico all'interno del quale vengono eseguite tutte le
istruzioni, e presuppone un sistema operativo ``multitasking'' in grado di
eseguire processi diversi.

Il concetto fondamentale si basa la programmazione di rete sotto Linux (e
sotto Unix in generale) è il modello \textit{client-server} in cui un
programma di servizio, il \textit{server} riceve un connessione e risponde a
un programma di utilizzo, il \textit{client}, provvedendo a quest'ultimo un
definito insieme di servizi.

Esempi di questo modello sono il WEB, ftp, telnet, ssh e praticamente ogni
servizio che viene fornito tramite la rete, ma il modello è utilizzato in
generale anche per programmi di uso locale.

Normalmente si dividono i server in due categorie principali,
\textit{concorrenti} e \textit{iterativi}, sulla base del loro comportamento.

Un server iterativo risponde alla richiesta inviando i dati e resta occupato
(non rispondendo ad ulteriori richieste) fintanto che non ha concluso la
richiesta. Una volta completata la richiesta il server diventa di nuovo
disponibile.

Un server concorrente al momento di trattare la richiesta crea un processo
figlio incaricato di fornire i servizi richiesti, per poi porsi in attesa di
ulteriori richieste. In questo modo più richieste possono essere soddisfatte
contemporaneamente, una volta che il processo figlio ha concluso il suo lavoro
viene terminato, mentre il server originale resta sempre attivo.