Aggiornamento anno note di copyright, dimenticato da gennaio...
[gapil.git] / othersock.tex
1 %% othersock.tex
2 %%
3 %% Copyright (C) 2004-2008 Simone Piccardi.  Permission is granted to
4 %% copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free
5 %% Documentation License, Version 1.1 or any later version published by the
6 %% Free Software Foundation; with the Invariant Sections being "Un preambolo",
7 %% with no Front-Cover Texts, and with no Back-Cover Texts.  A copy of the
8 %% license is included in the section entitled "GNU Free Documentation
9 %% License".
10 %%
11
12 \chapter{Gli altri tipi di socket}
13 \label{cha:other_socket}
14
15 Dopo aver trattato in cap.~\ref{cha:TCP_socket} i socket TCP, che
16 costituiscono l'esempio più comune dell'interfaccia dei socket, esamineremo in
17 questo capitolo gli altri tipi di socket, a partire dai socket UDP, e i socket
18 \textit{Unix domain} già incontrati in sez.~\ref{sec:ipc_socketpair}.
19
20
21 \section{I socket UDP}
22 \label{sec:UDP_socket}
23
24 Dopo i socket TCP i socket più utilizzati nella programmazione di rete sono i
25 socket UDP: protocolli diffusi come NFS o il DNS usano principalmente questo
26 tipo di socket. Tratteremo in questa sezione le loro caratteristiche
27 principali e le modalità per il loro utilizzo.
28
29
30 \subsection{Le caratteristiche di un socket UDP}
31 \label{sec:UDP_characteristics}
32
33 Come illustrato in sez.\ref{sec:net_udp} UDP è un protocollo molto semplice che
34 non supporta le connessioni e non è affidabile: esso si appoggia direttamente
35 sopra IP (per i dettagli sul protocollo si veda sez.~\ref{sec:udp_protocol}).
36 I dati vengono inviati in forma di pacchetti, e non ne è assicurata né la
37 effettiva ricezione né l'arrivo nell'ordine in cui vengono inviati. Il
38 vantaggio del protocollo è la velocità, non è necessario trasmettere le
39 informazioni di controllo ed il risultato è una trasmissione di dati più
40 veloce ed immediata.
41
42 Questo significa che a differenza dei socket TCP i socket UDP non supportano
43 una comunicazione di tipo \textit{stream} in cui si ha a disposizione un
44 flusso continuo di dati che può essere letto un po' alla volta, ma piuttosto
45 una comunicazione di tipo \textit{datagram}, in cui i dati arrivano in singoli
46 blocchi che devono essere letti integralmente.
47
48 Questo diverso comportamento significa anche che i socket UDP, pur
49 appartenendo alla famiglia \const{PF\_INET}\footnote{o \const{PF\_INET6}
50   qualora si usasse invece il protocollo IPv6, che pure supporta UDP.} devono
51 essere aperti quando si usa la funzione \func{socket} (si riveda quanto
52 illustrato a suo tempo in tab.~\ref{tab:sock_sock_valid_combinations})
53 utilizzando per il tipo di socket il valore \const{SOCK\_DGRAM}.
54
55 Questa differenza comporta ovviamente che anche le modalità con cui si usano i
56 socket UDP sono completamente diverse rispetto ai socket TCP, ed in
57 particolare non esistendo il concetto di connessione non esiste il meccanismo
58 del \itindex{three~way~handshake} \textit{three way handshake} né quello degli
59 stati del protocollo. In realtà tutto quello che avviene nella comunicazione
60 attraverso dei socket UDP è la trasmissione di un pacchetto da un client ad un
61 server o viceversa, secondo lo schema illustrato in
62 fig.~\ref{fig:UDP_packet-exchange}.
63
64 \begin{figure}[htb]
65   \centering
66   \includegraphics[width=10cm]{img/udp_connection}  
67   \caption{Lo schema di interscambio dei pacchetti per una comunicazione via
68      UDP.}
69   \label{fig:UDP_packet-exchange}
70 \end{figure}
71
72 Come illustrato in fig.~\ref{fig:UDP_packet-exchange} la struttura generica di
73 un server UDP prevede, una volta creato il socket, la chiamata a \func{bind}
74 per mettersi in ascolto dei dati. Questa è l'unica parte comune con un server
75 TCP: non essendovi il concetto di connessione le funzioni \func{listen} ed
76 \func{accept} non sono mai utilizzate nel caso di server UDP. La ricezione dei
77 dati dal client avviene attraverso la funzione \func{recvfrom}, mentre una
78 eventuale risposta sarà inviata con la funzione \func{sendto}.
79
80 Da parte del client invece, una volta creato il socket non sarà necessario
81 connettersi con \func{connect} (anche se, come vedremo in
82 sez.~\ref{sec:UDP_connect}, è possibile usare questa funzione, con un
83 significato comunque diverso) ma si potrà effettuare direttamente una
84 richiesta inviando un pacchetto con la funzione \func{sendto} e si potrà
85 leggere una eventuale risposta con la funzione \func{recvfrom}.
86
87 Anche se UDP è completamente diverso rispetto a TCP resta identica la
88 possibilità di gestire più canali di comunicazione fra due macchine
89 utilizzando le porte. In questo caso il server dovrà usare comunque la
90 funzione \func{bind} per scegliere la porta su cui ricevere i dati, e come nel
91 caso dei socket TCP si potrà usare il comando \cmd{netstat} per
92 verificare quali socket sono in ascolto:
93 \begin{verbatim}
94 [piccardi@gont gapil]# netstat -anu
95 Active Internet connections (servers and established)
96 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
97 udp        0      0 0.0.0.0:32768           0.0.0.0:*
98 udp        0      0 192.168.1.2:53          0.0.0.0:*
99 udp        0      0 127.0.0.1:53            0.0.0.0:*
100 udp        0      0 0.0.0.0:67              0.0.0.0:*
101 \end{verbatim}
102 in questo caso abbiamo attivi il DNS (sulla porta 53, e sulla 32768 per la
103 connessione di controllo del server \cmd{named}) ed un server DHCP (sulla
104 porta 67).
105
106 Si noti però come in questo caso la colonna che indica lo stato sia vuota. I
107 socket UDP infatti non hanno uno stato. Inoltre anche in presenza di traffico
108 non si avranno indicazioni delle connessioni attive, proprio perché questo
109 concetto non esiste per i socket UDP, il kernel si limita infatti a ricevere i
110 pacchetti ed inviarli al processo in ascolto sulla porta cui essi sono
111 destinati, oppure a scartarli inviando un messaggio \textit{ICMP port
112   unreachable} qualora non vi sia nessun processo in ascolto.
113
114
115 \subsection{Le funzioni \func{sendto} e \func{recvfrom}}
116 \label{sec:UDP_sendto_recvfrom}
117
118 Come accennato in sez.~\ref{sec:UDP_characteristics} le due funzioni
119 principali usate per la trasmissione di dati attraverso i socket UDP sono
120 \func{sendto} e \func{recvfrom}. La necessità di usare queste funzioni è
121 dovuta al fatto che non esistendo con UDP il concetto di connessione, non si
122 ha neanche a disposizione un \textsl{socket connesso} su cui sia possibile
123 usare direttamente \func{read} e \func{write} avendo già stabilito (grazie
124 alla chiamata ad \func{accept} che lo associa ad una connessione) quali sono
125 sorgente e destinazione dei dati.
126
127 Per questo motivo nel caso di UDP diventa essenziale utilizzare queste due
128 funzioni, che sono comunque utilizzabili in generale per la trasmissione di
129 dati attraverso qualunque tipo di socket. Esse hanno la caratteristica di
130 prevedere tre argomenti aggiuntivi attraverso i quali è possibile specificare
131 la destinazione dei dati trasmessi o ottenere l'origine dei dati ricevuti. La
132 prima di queste funzioni è \funcd{sendto} ed il suo prototipo\footnote{il
133   prototipo illustrato è quello utilizzato dalle \acr{glibc}, che seguono le
134   \textit{Single Unix Specification}, l'argomento \param{flags} era di tipo
135   \texttt{int} nei vari BSD4.*, mentre nelle \acr{libc4} e \acr{libc5} veniva
136   usato un \texttt{unsigned int}; l'argomento \param{len} era \texttt{int} nei
137   vari BSD4.* e nelle \acr{libc4}, ma \type{size\_t} nelle \acr{libc5}; infine
138   l'argomento \param{tolen} era \texttt{int} nei vari BSD4.* nelle \acr{libc4}
139   e nelle \acr{libc5}.} è:
140 \begin{functions}
141   \headdecl{sys/types.h}
142   \headdecl{sys/socket.h}
143   
144   \funcdecl{ssize\_t sendto(int sockfd, const void *buf, size\_t len, int
145     flags, const struct sockaddr *to, socklen\_t tolen)}
146   
147   Trasmette un messaggio ad un altro socket.
148   
149   \bodydesc{La funzione restituisce il numero di caratteri inviati in caso di
150     successo e -1 per un errore; nel qual caso \var{errno} viene impostata al
151     rispettivo codice di errore:
152   \begin{errlist}
153   \item[\errcode{EAGAIN}] il socket è in modalità non bloccante, ma
154     l'operazione richiede che la funzione si blocchi.
155   \item[\errcode{ECONNRESET}] l'altro capo della comunicazione ha resettato la
156     connessione.
157   \item[\errcode{EDESTADDRREQ}] il socket non è di tipo connesso, e non si è
158     specificato un indirizzo di destinazione.
159   \item[\errcode{EISCONN}] il socket è già connesso, ma si è specificato un
160     destinatario.
161   \item[\errcode{EMSGSIZE}] il tipo di socket richiede l'invio dei dati in un
162     blocco unico, ma la dimensione del messaggio lo rende impossibile.
163   \item[\errcode{ENOBUFS}] la coda di uscita dell'interfaccia è già piena (di
164     norma Linux non usa questo messaggio ma scarta silenziosamente i
165     pacchetti).
166   \item[\errcode{ENOTCONN}] il socket non è connesso e non si è specificata
167     una destinazione.
168   \item[\errcode{EOPNOTSUPP}] il valore di \param{flag} non è appropriato per
169     il tipo di socket usato.
170   \item[\errcode{EPIPE}] il capo locale della connessione è stato chiuso, si
171     riceverà anche un segnale di \const{SIGPIPE}, a meno di non aver impostato
172     \const{MSG\_NOSIGNAL} in \param{flags}.
173   \end{errlist}
174   ed anche \errval{EFAULT}, \errval{EBADF}, \errval{EINVAL}, \errval{EINTR},
175   \errval{ENOMEM}, \errval{ENOTSOCK} più gli eventuali altri errori relativi
176   ai protocolli utilizzati.}
177 \end{functions}
178
179 I primi tre argomenti sono identici a quelli della funzione \func{write} e
180 specificano il socket \param{sockfd} a cui si fa riferimento, il buffer
181 \param{buf} che contiene i dati da inviare e la relativa lunghezza
182 \param{len}.  Come per \func{write} la funzione ritorna il numero di byte
183 inviati; nel caso di UDP però questo deve sempre corrispondere alla dimensione
184 totale specificata da \param{len} in quanto i dati vengono sempre inviati in
185 forma di pacchetto e non possono essere spezzati in invii successivi.  Qualora
186 non ci sia spazio nel buffer di uscita la funzione si blocca (a meno di non
187 avere aperto il socket in modalità non bloccante), se invece non è possibile
188 inviare il messaggio all'interno di un unico pacchetto (ad esempio perché
189 eccede le dimensioni massime del protocollo sottostante utilizzato) essa
190 fallisce con l'errore di \errcode{EMSGSIZE}. 
191
192 I due argomenti \param{to} e \param{tolen} servono a specificare la
193 destinazione del messaggio da inviare, e indicano rispettivamente la struttura
194 contenente l'indirizzo di quest'ultima e la sua dimensione; questi argomenti
195 vanno specificati stessa forma in cui li si sarebbero usati con
196 \func{connect}. Nel nostro caso \param{to} dovrà puntare alla struttura
197 contenente l'indirizzo IP e la porta di destinazione verso cui si vogliono
198 inviare i dati (questo è indifferente rispetto all'uso di TCP o UDP, usando
199 socket diversi si sarebbero dovute utilizzare le rispettive strutture degli
200 indirizzi).
201
202 Se il socket è di un tipo che prevede le connessioni (ad esempio un socket
203 TCP), questo deve essere già connesso prima di poter eseguire la funzione, in
204 caso contrario si riceverà un errore di \errcode{ENOTCONN}. In questo
205 specifico caso in cui gli argomenti \param{to} e \param{tolen} non servono
206 essi dovranno essere inizializzati rispettivamente a \const{NULL} e 0;
207 normalmente quando si opera su un socket connesso essi vengono ignorati, ma
208 qualora si sia specificato un indirizzo è possibile ricevere un errore di
209 \errcode{EISCONN}.
210
211 Finora abbiamo tralasciato l'argomento \param{flags}; questo è un intero usato
212 come maschera binaria che permette di impostare una serie di modalità di
213 funzionamento della comunicazione attraverso il socket (come
214 \const{MSG\_NOSIGNAL} che impedisce l'invio del segnale \const{SIGPIPE} quando
215 si è già chiuso il capo locale della connessione). Torneremo con maggiori
216 dettagli sul significato di questo argomento in sez.~\ref{sec:net_sendmsg},
217 dove tratteremo le funzioni avanzate dei socket, per il momento ci si può
218 limitare ad usare sempre un valore nullo.
219
220 La seconda funzione utilizzata nella comunicazione fra socket UDP è
221 \funcd{recvfrom}, che serve a ricevere i dati inviati da un altro socket; il
222 suo prototipo\footnote{il prototipo è quello delle \acr{glibc} che seguono le
223   \textit{Single Unix Specification}, i vari BSD4.*, le \acr{libc4} e le
224   \acr{libc5} usano un \texttt{int} come valore di ritorno; per gli argomenti
225   \param{flags} e \param{len} vale quanto detto a proposito di \func{sendto};
226   infine l'argomento \param{fromlen} è \texttt{int} per i vari BSD4.*, le
227   \acr{libc4} e le \acr{libc5}.} è:
228 \begin{functions}
229   \headdecl{sys/types.h}
230   \headdecl{sys/socket.h}
231   
232   \funcdecl{ssize\_t recvfrom(int sockfd, const void *buf, size\_t len, int
233     flags, const struct sockaddr *from, socklen\_t *fromlen)}
234   
235   Riceve un messaggio ad un socket.
236   
237   \bodydesc{La funzione restituisce il numero di byte ricevuti in caso di
238     successo e -1 in caso di errore; nel qual caso \var{errno} assumerà il
239     valore:
240   \begin{errlist}
241   \item[\errcode{EAGAIN}] il socket è in modalità non bloccante, ma
242     l'operazione richiede che la funzione si blocchi, oppure si è impostato un
243     timeout in ricezione e questo è scaduto.
244   \item[\errcode{ECONNREFUSED}] l'altro capo della comunicazione ha rifiutato
245     la connessione (in genere perché il relativo servizio non è disponibile).
246   \item[\errcode{ENOTCONN}] il socket è di tipo connesso, ma non si è eseguita
247     la connessione.
248   \end{errlist}
249   ed anche \errval{EFAULT}, \errval{EBADF}, \errval{EINVAL}, \errval{EINTR},
250   \errval{ENOMEM}, \errval{ENOTSOCK} più gli eventuali altri errori relativi
251   ai protocolli utilizzati.}
252 \end{functions}
253
254 Come per \func{sendto} i primi tre argomenti sono identici agli analoghi di
255 \func{read}: dal socket vengono letti \param{len} byte che vengono salvati nel
256 buffer \param{buf}. A seconda del tipo di socket (se di tipo \textit{datagram}
257 o di tipo \textit{stream}) i byte in eccesso che non sono stati letti possono
258 rispettivamente andare persi o restare disponibili per una lettura successiva.
259 Se non sono disponibili dati la funzione si blocca, a meno di non aver aperto
260 il socket in modalità non bloccante, nel qual caso si avrà il solito errore di
261 \errcode{EAGAIN}.  Qualora \param{len} ecceda la dimensione del pacchetto la
262 funzione legge comunque i dati disponibili, ed il suo valore di ritorno è
263 comunque il numero di byte letti.
264
265 I due argomenti \param{from} e \param{fromlen} sono utilizzati per ottenere
266 l'indirizzo del mittente del pacchetto che è stato ricevuto, e devono essere
267 opportunamente inizializzati con i puntatori alle variabili dove la struttura
268 contenente quest'ultimo e la relativa lunghezza saranno scritti (si noti che
269 \param{fromlen} è un valore intero ottenuto come
270 \itindex{value~result~argument} \textit{value result argument}).  Se non si è
271 interessati a questa informazione, entrambi gli argomenti devono essere
272 inizializzati al valore \const{NULL}.
273
274 Una differenza fondamentale del comportamento di queste funzioni rispetto alle
275 usuali \func{read} e \func{write} che abbiamo usato con i socket TCP è che in
276 questo caso è perfettamente legale inviare con \func{sendto} un pacchetto
277 vuoto (che nel caso conterrà solo le intestazioni di IP e di UDP),
278 specificando un valore nullo per \param{len}. Allo stesso modo è possibile
279 ricevere con \func{recvfrom} un valore di ritorno di 0 byte, senza che questo
280 possa configurarsi come una chiusura della connessione\footnote{dato che la
281   connessione non esiste, non ha senso parlare di chiusura della connessione,
282   questo significa anche che con i socket UDP non è necessario usare
283   \func{close} o \func{shutdown} per terminare la comunicazione.} o come una
284 cessazione delle comunicazioni.
285
286
287
288 \subsection{Un client UDP elementare}
289 \label{sec:UDP_daytime_client}
290
291 Vediamo allora come implementare un primo client elementare con dei socket
292 UDP.  Ricalcando quanto fatto nel caso dei socket TCP prenderemo come primo
293 esempio l'uso del servizio \textit{daytime}, utilizzando questa volta UDP. Il
294 servizio è definito nell'\href{http://www.ietf.org/rfc/rfc0862.txt}{RFC~867},
295 che nel caso di uso di UDP prescrive che il client debba inviare un pacchetto
296 UDP al server (di contenuto non specificato), il quale risponderà a inviando a
297 sua volta un pacchetto UDP contenente la data.
298
299 \begin{figure}[!htb] 
300   \footnotesize \centering
301   \begin{minipage}[c]{15.6cm}
302     \includecodesample{listati/UDP_daytime.c}
303   \end{minipage} 
304   \normalsize
305   \caption{Sezione principale del client per il servizio \textit{daytime} su
306     UDP.}
307   \label{fig:UDP_daytime_client}
308 \end{figure}
309
310 In fig.~\ref{fig:UDP_daytime_client} è riportato la sezione principale del
311 codice del nostro client, il sorgente completo si trova nel file
312 \file{UDP\_daytime.c} distribuito con gli esempi allegati alla guida; al
313 solito si è tralasciato di riportare in figura la sezione relativa alla
314 gestione delle opzioni a riga di comando (nel caso praticamente assenti).
315
316 Il programma inizia (\texttt{\small 9--12}) con la creazione del socket, al
317 solito uscendo dopo aver stampato un messaggio in caso errore. Si noti come in
318 questo caso, rispetto all'analogo client basato su socket TCP di
319 fig.~\ref{fig:TCP_daytime_client_code} si sia usato per il tipo di socket il
320 valore \const{SOCK\_DGRAM}, pur mantenendosi nella stessa famiglia data da
321 \const{AF\_INET}.
322
323 Il passo successivo (\texttt{\small 13--21}) è l'inizializzazione della
324 struttura degli indirizzi; prima (\texttt{\small 14}) si cancella
325 completamente la stessa con \func{memset}, (\texttt{\small 15}) poi si imposta
326 la famiglia dell'indirizzo ed infine (\texttt{\small 16} la porta. Infine
327 (\texttt{\small 18--21}) si ricava l'indirizzo del server da contattare
328 dall'argomento passato a riga di comando, convertendolo con \func{inet\_pton}.
329 Si noti come questa sezione sia identica a quella del client TCP di
330 fig.~\ref{fig:TCP_daytime_client_code}, in quanto la determinazione dell'uso
331 di UDP al posto di TCP è stata effettuata quando si è creato il socket.
332
333 Una volta completate le inizializzazioni inizia il corpo principale del
334 programma, il primo passo è inviare, come richiesto dal protocollo, un
335 pacchetto al server. Questo lo si fa (\texttt{\small 16}) inviando un
336 pacchetto vuoto (si ricordi quanto detto in
337 sez.~\ref{sec:UDP_sendto_recvfrom}) con \func{sendto}, avendo cura di passare
338 un valore nullo per il puntatore al buffer e la lunghezza del messaggio. In
339 realtà il protocollo non richiede che il pacchetto sia vuoto, ma dato che il
340 server comunque ne ignorerà il contenuto, è inutile inviare dei dati.
341
342 Verificato (\texttt{\small 24--27}) che non ci siano stati errori nell'invio
343 si provvede (\texttt{\small 28}) ad invocare \func{recvfrom} per ricevere la
344 risposta del server. Si controlla poi (\texttt{\small 29--32}) che non vi
345 siano stati errori in ricezione (uscendo con un messaggio in caso contrario);
346 se è tutto a posto la variabile \var{nread} conterrà la dimensione del
347 messaggio di risposta inviato dal server che è stato memorizzato su
348 \var{buffer}, se (\texttt{\small 34}) pertanto il valore è positivo si
349 provvederà (\texttt{\small 35}) a terminare la stringa contenuta nel buffer di
350 lettura\footnote{si ricordi che, come illustrato in
351   sez.~\ref{sec:TCP_daytime_client}, il server invia in risposta una stringa
352   contenente la data, terminata dai due caratteri CR e LF, che pertanto prima
353   di essere stampata deve essere opportunamente terminata con un NUL.} e a
354 stamparla (\texttt{\small 36}) sullo standard output, controllando anche in
355 questo caso (\texttt{\small 36--38}) l'esito dell'operazione, ed uscendo con
356 un messaggio in caso di errore.
357
358 Se pertanto si è avuto cura di attivare il server del servizio
359 \textit{daytime}\footnote{di norma questo è un servizio standard fornito dal
360   \textsl{superdemone} \cmd{inetd}, per cui basta abilitarlo nel file di
361   configurazione di quest'ultimo, avendo cura di predisporre il servizio su
362   UDP.} potremo verificare il funzionamento del nostro client interrogando
363 quest'ultimo con:
364 \begin{verbatim}
365 [piccardi@gont sources]$ ./daytime 127.0.0.1
366 Sat Mar 20 23:17:13 2004
367 \end{verbatim}%$
368 ed osservando il traffico con uno sniffer potremo effettivamente vedere lo
369 scambio dei due pacchetti, quello vuoto di richiesta, e la risposta del
370 server:
371 \begin{verbatim}
372 [root@gont gapil]# tcpdump -i lo
373 tcpdump: listening on lo
374 23:41:21.645579 localhost.32780 > localhost.daytime: udp 0 (DF)
375 23:41:21.645710 localhost.daytime > localhost.32780: udp 26 (DF)
376 \end{verbatim}
377
378 Una differenza fondamentale del nostro client è che in questo caso, non
379 disponendo di una connessione, è per lui impossibile riconoscere errori di
380 invio relativi alla rete. La funzione \func{sendto} infatti riporta solo
381 errori locali, i dati vengono comunque scritti e la funzione ritorna senza
382 errori anche se il server non è raggiungibile o non esiste un server in
383 ascolto sull'indirizzo di destinazione. Questo comporta ad esempio che se si
384 usa il nostro programma interrogando un server inesistente questo resterà
385 perennemente bloccato nella chiamata a \func{recvfrom}, fin quando non lo
386 interromperemo. Vedremo in sez.~\ref{sec:UDP_connect} come si può porre rimedio
387 a questa problematica.
388
389
390 \subsection{Un server UDP elementare}
391 \label{sec:UDP_daytime_server}
392
393 Nella sezione precedente abbiamo visto come scrivere un client elementare per
394 servizio \textit{daytime}, vediamo in questa come deve essere scritto un
395 server.  Si ricordi che il compito di quest'ultimo è quello di ricevere un
396 pacchetto di richiesta ed inviare in risposta un pacchetto contenente una
397 stringa con la data corrente. 
398
399 \begin{figure}[!htb] 
400   \footnotesize \centering
401   \begin{minipage}[c]{15.6cm}
402     \includecodesample{listati/UDP_daytimed.c}
403   \end{minipage} 
404   \normalsize
405   \caption{Sezione principale del server per il servizio \textit{daytime} su
406     UDP.}
407   \label{fig:UDP_daytime_server}
408 \end{figure}
409
410 In fig.~\ref{fig:UDP_daytime_server} è riportato la sezione principale del
411 codice del nostro client, il sorgente completo si trova nel file
412 \file{UDP\_daytimed.c} distribuito con gli esempi allegati alla guida; anche
413 in questo caso si è omessa la sezione relativa alla gestione delle opzioni a
414 riga di comando (la sola presente è \texttt{-v} che permette di stampare a
415 video l'indirizzo associato ad ogni richiesta).
416
417 Anche in questo caso la prima parte del server (\texttt{\small 9--23}) è
418 sostanzialmente identica a quella dell'analogo server per TCP illustrato in
419 fig.~\ref{fig:TCP_daytime_cunc_server_code}; si inizia (\texttt{\small 10})
420 con il creare il socket, uscendo con un messaggio in caso di errore
421 (\texttt{\small 10--13}), e di nuovo la sola differenza con il caso precedente
422 è il diverso tipo di socket utilizzato. Dopo di che (\texttt{\small 14--18})
423 si inizializza la struttura degli indirizzi che poi (\texttt{\small 20}) verrà
424 usata da \func{bind}; si cancella (\texttt{\small 15}) preventivamente il
425 contenuto, si imposta (\texttt{\small 16}) la famiglia dell'indirizzo, la
426 porta (\texttt{\small 17}) e l'indirizzo (\texttt{\small 18}) su cui si
427 riceveranno i pacchetti.  Si noti come in quest'ultimo sia l'indirizzo
428 generico \const{INADDR\_ANY}; questo significa (si ricordi quanto illustrato
429 in sez.~\ref{sec:TCP_func_bind}) che il server accetterà pacchetti su uno
430 qualunque degli indirizzi presenti sulle interfacce di rete della macchina.
431
432 Completata l'inizializzazione tutto quello che resta da fare è eseguire
433 (\texttt{\small 20--23}) la chiamata a \func{bind}, controllando la presenza
434 di eventuali errori, ed uscendo con un avviso qualora questo fosse il caso.
435 Nel caso di socket UDP questo è tutto quello che serve per consentire al
436 server di ricevere i pacchetti a lui indirizzati, e non è più necessario
437 chiamare successivamente \func{listen}. In questo caso infatti non esiste il
438 concetto di connessione, e quindi non deve essere predisposta una coda delle
439 connessioni entranti. Nel caso di UDP i pacchetti arrivano al kernel con un
440 certo indirizzo ed una certa porta di destinazione, il kernel controlla se
441 corrispondono ad un socket che è stato \textsl{legato} ad essi con
442 \func{bind}, qualora questo sia il caso scriverà il contenuto all'interno del
443 socket, così che il programma possa leggerlo, altrimenti risponderà alla
444 macchina che ha inviato il pacchetto con un messaggio ICMP di tipo
445 \textit{port unreachable}.
446
447 Una volta completata la fase di inizializzazione inizia il corpo principale
448 (\texttt{\small 24--44}) del server, mantenuto all'interno di un ciclo
449 infinito in cui si trattano le richieste. Il ciclo inizia (\texttt{\small 26})
450 con una chiamata a \func{recvfrom}, che si bloccherà in attesa di pacchetti
451 inviati dai client. Lo scopo della funzione è quello di ritornare tutte le
452 volte che un pacchetto viene inviato al server, in modo da poter ricavare da
453 esso l'indirizzo del client a cui inviare la risposta in \var{addr}. Per
454 questo motivo in questo caso (al contrario di quanto fatto in
455 fig.~\ref{fig:UDP_daytime_client}) si è avuto cura di passare gli argomenti
456 \var{addr} e \var{len} alla funzione.  Dopo aver controllato (\texttt{\small
457   27--30}) la presenza di eventuali errori (uscendo con un messaggio di errore
458 qualora ve ne siano) si verifica (\texttt{\small 31}) se è stata attivata
459 l'opzione \texttt{-v} (che imposta la variabile \var{verbose}) stampando nel
460 caso (\texttt{\small 32--35}) l'indirizzo da cui si è appena ricevuto una
461 richiesta (questa sezione è identica a quella del server TCP illustrato in
462 fig.~\ref{fig:TCP_daytime_cunc_server_code}).
463
464 Una volta ricevuta la richiesta resta solo da ottenere il tempo corrente
465 (\texttt{\small 36}) e costruire (\texttt{\small 37}) la stringa di risposta,
466 che poi verrà inviata (\texttt{\small 38}) al client usando \func{sendto},
467 avendo al solito cura di controllare (\texttt{\small 40--42}) lo stato di
468 uscita della funzione e trattando opportunamente la condizione di errore.
469
470 Si noti come per le peculiarità del protocollo si sia utilizzato un server
471 iterativo, che processa le richieste una alla volta via via che gli arrivano.
472 Questa è una caratteristica comune dei server UDP, conseguenza diretta del
473 fatto che non esiste il concetto di connessione, per cui non c'è la necessità
474 di trattare separatamente le singole connessioni. Questo significa anche che è
475 il kernel a gestire la possibilità di richieste multiple in contemporanea;
476 quello che succede è semplicemente che il kernel accumula in un buffer in
477 ingresso i pacchetti UDP che arrivano e li restituisce al processo uno alla
478 volta per ciascuna chiamata di \func{recvfrom}; nel nostro caso sarà poi
479 compito del server distribuire le risposte sulla base dell'indirizzo da cui
480 provengono le richieste.
481
482
483 \subsection{Le problematiche dei socket UDP}
484 \label{sec:UDP_problems}
485
486 L'esempio del servizio \textit{daytime} illustrato nelle precedenti sezioni
487 è in realtà piuttosto particolare, e non evidenzia quali possono essere i
488 problemi collegati alla mancanza di affidabilità e all'assenza del concetto di
489 connessione che sono tipiche dei socket UDP. In tal caso infatti il protocollo
490 è estremamente semplice, dato che la comunicazione consiste sempre in una
491 richiesta seguita da una risposta, per uno scambio di dati effettuabile con un
492 singolo pacchetto, per cui tutti gli eventuali problemi sarebbero assai più
493 complessi da rilevare.
494
495 Anche qui però possiamo notare che se il pacchetto di richiesta del client, o
496 la risposta del server si perdono, il client resterà permanentemente bloccato
497 nella chiamata a \func{recvfrom}. Per evidenziare meglio quali problemi si
498 possono avere proviamo allora con un servizio leggermente più complesso come
499 \textit{echo}. 
500
501 \begin{figure}[!htb] 
502   \footnotesize \centering
503   \begin{minipage}[c]{15.6cm}
504     \includecodesample{listati/UDP_echo_first.c}
505   \end{minipage} 
506   \normalsize
507   \caption{Sezione principale della prima versione client per il servizio
508     \textit{echo} su UDP.}
509   \label{fig:UDP_echo_client}
510 \end{figure}
511
512 In fig.~\ref{fig:UDP_echo_client} è riportato un estratto del corpo principale
513 del nostro client elementare per il servizio \textit{echo} (al solito il
514 codice completo è con i sorgenti allegati). Le uniche differenze con l'analogo
515 client visto in fig.~\ref{fig:TCP_echo_client_1} sono che al solito si crea
516 (\texttt{\small 14}) un socket di tipo \const{SOCK\_DGRAM}, e che non è
517 presente nessuna chiamata a \func{connect}. Per il resto il funzionamento del
518 programma è identico, e tutto il lavoro viene effettuato attraverso la
519 chiamata (\texttt{\small 28}) alla funzione \func{ClientEcho} che stavolta
520 però prende un argomento in più, che è l'indirizzo del socket.
521
522 \begin{figure}[!htb] 
523   \footnotesize \centering
524   \begin{minipage}[c]{15.6cm}
525     \includecodesample{listati/UDP_ClientEcho_first.c}
526   \end{minipage}
527   \normalsize
528   \caption{Codice della funzione \func{ClientEcho} usata dal client per il
529     servizio \textit{echo} su UDP.}
530   \label{fig:UDP_echo_client_echo}
531 \end{figure}
532
533 Ovviamente in questo caso il funzionamento della funzione, il cui codice è
534 riportato in fig.~\ref{fig:UDP_echo_client_echo}, è completamente diverso
535 rispetto alla analoga del server TCP, e dato che non esiste una connessione
536 questa necessita anche di un terzo argomento, che è l'indirizzo del server cui
537 inviare i pacchetti.
538
539 Data l'assenza di una connessione come nel caso di TCP il meccanismo è molto
540 più semplice da gestire. Al solito si esegue un ciclo infinito (\texttt{\small
541   6--30}) che parte dalla lettura (\texttt{\small 7}) sul buffer di invio
542 \var{sendbuff} di una stringa dallo standard input, se la stringa è vuota
543 (\texttt{\small 7--9}), indicando che l'input è terminato, si ritorna
544 immediatamente causando anche la susseguente terminazione del programma.
545
546 Altrimenti si procede (\texttt{\small 10--11}) all'invio della stringa al
547 destinatario invocando \func{sendto}, utilizzando, oltre alla stringa appena
548 letta, gli argomenti passati nella chiamata a \func{ClientEcho}, ed in
549 particolare l'indirizzo del server che si è posto in \var{serv\_addr}; qualora
550 (\texttt{\small 12}) si riscontrasse un errore si provvederà al solito
551 (\texttt{\small 13--14}) ad uscire con un messaggio di errore.
552
553 Il passo immediatamente seguente (\texttt{\small 17}) l'invio è quello di
554 leggere l'eventuale risposta del server con \func{recvfrom}; si noti come in
555 questo caso si sia scelto di ignorare l'indirizzo dell'eventuale pacchetto di
556 risposta, controllando (\texttt{\small 18--21}) soltanto la presenza di un
557 errore (nel qual caso al solito si ritorna dopo la stampa di un adeguato
558 messaggio). Si noti anche come, rispetto all'analoga funzione
559 \func{ClientEcho} utilizzata nel client TCP illustrato in
560 sez.~\ref{sec:TCP_echo_client} non si sia controllato il caso di un messaggio
561 nullo, dato che, nel caso di socket UDP, questo non significa la terminazione
562 della comunicazione.
563
564 L'ultimo passo (\texttt{\small 17}) è quello di terminare opportunamente la
565 stringa di risposta nel relativo buffer per poi provvedere alla sua stampa
566 sullo standard output, eseguendo il solito controllo (ed eventuale uscita con
567 adeguato messaggio informativo) in caso di errore.
568
569 In genere fintanto che si esegue il nostro client in locale non sorgerà nessun
570 problema, se però si proverà ad eseguirlo attraverso un collegamento remoto
571 (nel caso dell'esempio seguente su una VPN, attraverso una ADSL abbastanza
572 congestionata) e in modalità non interattiva, la probabilità di perdere
573 qualche pacchetto aumenta, ed infatti, eseguendo il comando come:
574 \begin{verbatim}
575 [piccardi@gont sources]$ cat UDP_echo.c | ./echo 192.168.1.120
576 /* UDP_echo.c
577  *
578  * Copyright (C) 2004 Simone Piccardi
579 ...
580 ...
581 /*
582  * Include needed headers
583
584 \end{verbatim}%$
585 si otterrà che, dopo aver correttamente stampato alcune righe, il programma si
586 blocca completamente senza stampare più niente. Se al contempo si fosse tenuto
587 sotto controllo il traffico UDP diretto o proveniente dal servizio
588 \textit{echo} con \cmd{tcpdump} si sarebbe ottenuto:
589 \begin{verbatim}
590 [root@gont gapil]# tcpdump  \( dst port 7 or src port 7 \)
591 ...
592 ...
593 18:48:16.390255 gont.earthsea.ea.32788 > 192.168.1.120.echo: udp 4 (DF)
594 18:48:17.177613 192.168.1.120.echo > gont.earthsea.ea.32788: udp 4 (DF)
595 18:48:17.177790 gont.earthsea.ea.32788 > 192.168.1.120.echo: udp 26 (DF)
596 18:48:17.964917 192.168.1.120.echo > gont.earthsea.ea.32788: udp 26 (DF)
597 18:48:17.965408 gont.earthsea.ea.32788 > 192.168.1.120.echo: udp 4 (DF)
598 \end{verbatim}
599 che come si vede il traffico fra client e server si interrompe dopo l'invio di
600 un pacchetto UDP per il quale non si è ricevuto risposta.
601
602 Il problema è che in tutti i casi in cui un pacchetto di risposta si perde, o
603 una richiesta non arriva a destinazione, il nostro programma si bloccherà
604 nell'esecuzione di \func{recvfrom}. Lo stesso avviene anche se il server non è
605 in ascolto, in questo caso però, almeno dal punto di vista dello scambio di
606 pacchetti, il risultato è diverso, se si lancia al solito il programma e si
607 prova a scrivere qualcosa si avrà ugualmente un blocco su \func{recvfrom} ma
608 se si osserva il traffico con \cmd{tcpdump} si vedrà qualcosa del tipo:
609 \begin{verbatim}
610 [root@gont gapil]# tcpdump  \( dst 192.168.0.2 and src 192.168.1.120 \) \
611    or \( src 192.168.0.2 and dst 192.168.1.120 \)
612 tcpdump: listening on eth0
613 00:43:27.606944 gont.earthsea.ea.32789 > 192.168.1.120.echo: udp 6 (DF)
614 00:43:27.990560 192.168.1.120 > gont.earthsea.ea: icmp: 192.168.1.120 udp port 
615 echo unreachable [tos 0xc0]
616 \end{verbatim}
617 cioè in questo caso si avrà in risposta un pacchetto ICMP di destinazione
618 irraggiungibile che ci segnala che la porta in questione non risponde. 
619
620 Ci si può chiedere allora perché, benché la situazione di errore sia
621 rilevabile, questa non venga segnalata. Il luogo più naturale in cui
622 riportarla sarebbe la chiamata di \func{sendto}, in quanto è a causa dell'uso
623 di un indirizzo sbagliato che il pacchetto non può essere inviato; farlo in
624 questo punto però è impossibile, dato che l'interfaccia di programmazione
625 richiede che la funzione ritorni non appena il kernel invia il
626 pacchetto,\footnote{questo è il classico caso di \textsl{errore asincrono},
627   una situazione cioè in cui la condizione di errore viene rilevata in maniera
628   asincrona rispetto all'operazione che l'ha causata, una eventualità
629   piuttosto comune quando si ha a che fare con la rete, tutti i pacchetti ICMP
630   che segnalano errori rientrano in questa tipologia.} e non può bloccarsi in
631 una attesa di una risposta che potrebbe essere molto lunga (si noti infatti
632 che il pacchetto ICMP arriva qualche decimo di secondo più tardi) o non
633 esserci affatto.
634
635 Si potrebbe allora pensare di riportare l'errore nella \func{recvfrom} che è
636 comunque bloccata in attesa di una risposta che nel caso non arriverà mai.  La
637 ragione per cui non viene fatto è piuttosto sottile e viene spiegata da
638 Stevens in \cite{UNP2} con il seguente esempio: si consideri un client che
639 invia tre pacchetti a tre diverse macchine, due dei quali vengono regolarmente
640 ricevuti, mentre al terzo, non essendo presente un server sulla relativa
641 macchina, viene risposto con un messaggio ICMP come il precedente. Detto
642 messaggio conterrà anche le informazioni relative ad indirizzo e porta del
643 pacchetto che ha fallito, però tutto quello che il kernel può restituire al
644 programma è un codice di errore in \var{errno}, con il quale è impossibile di
645 distinguere per quale dei pacchetti inviati si è avuto l'errore; per questo è
646 stata fatta la scelta di non riportare un errore su un socket UDP, a meno che,
647 come vedremo in sez.~\ref{sec:UDP_connect}, questo non sia connesso.
648
649
650
651 \subsection{L'uso della funzione \func{connect} con i socket UDP}
652 \label{sec:UDP_connect}
653
654 Come illustrato in sez.~\ref{sec:UDP_characteristics} essendo i socket UDP
655 privi di connessione non è necessario per i client usare \func{connect} prima
656 di iniziare una comunicazione con un server. Ciò non di meno abbiamo accennato
657 come questa possa essere utilizzata per gestire la presenza di errori
658 asincroni.
659
660 Quando si chiama \func{connect} su di un socket UDP tutto quello che succede è
661 che l'indirizzo passato alla funzione viene registrato come indirizzo di
662 destinazione del socket. A differenza di quanto avviene con TCP non viene
663 scambiato nessun pacchetto, tutto quello che succede è che da quel momento in
664 qualunque cosa si scriva sul socket sarà inviata a quell'indirizzo; non sarà
665 più necessario usare l'argomento \param{to} di \func{sendto} per specificare
666 la destinazione dei pacchetti, che potranno essere inviati e ricevuti usando
667 le normali funzioni \func{read} e \func{write}.\footnote{in realtà si può
668   anche continuare ad usare la funzione \func{sendto}, ma in tal caso
669   l'argomento \param{to} deve essere inizializzato a \const{NULL}, e
670   \param{tolen} deve essere inizializzato a zero, pena un errore.}
671
672 Una volta che il socket è connesso cambia però anche il comportamento in
673 ricezione; prima infatti il kernel avrebbe restituito al socket qualunque
674 pacchetto ricevuto con un indirizzo di destinazione corrispondente a quello
675 del socket, senza nessun controllo sulla sorgente; una volta che il socket
676 viene connesso saranno riportati su di esso solo i pacchetti con un indirizzo
677 sorgente corrispondente a quello a cui ci si è connessi.
678
679 Infine quando si usa un socket connesso, venendo meno l'ambiguità segnalata
680 alla fine di sez.~\ref{sec:UDP_problems}, tutti gli eventuali errori asincroni
681 vengono riportati alle funzioni che operano su di esso; pertanto potremo
682 riscrivere il nostro client per il servizio \textit{echo} con le modifiche
683 illustrate in fig.~\ref{fig:UDP_echo_conn_cli}.
684
685 \begin{figure}[!htb] 
686   \footnotesize \centering
687   \begin{minipage}[c]{15.6cm}
688     \includecodesample{listati/UDP_echo.c}
689   \end{minipage}
690   \normalsize
691   \caption{Seconda versione del client del servizio \textit{echo} che utilizza
692     socket UDP connessi.}
693   \label{fig:UDP_echo_conn_cli}
694 \end{figure}
695
696 Ed in questo caso rispetto alla precedente versione, il solo cambiamento è
697 l'utilizzo (\texttt{\small 17}) della funzione \func{connect} prima della
698 chiamata alla funzione di gestione del protocollo, che a sua volta è stata
699 modificata eliminando l'indirizzo passato come argomento e sostituendo le
700 chiamata a \func{sendto} e \func{recvfrom} con chiamate a \func{read} e
701 \func{write} come illustrato dal nuovo codice riportato in
702 fig.~\ref{fig:UDP_echo_conn_echo_client}.
703
704 \begin{figure}[!htb] 
705   \footnotesize \centering
706   \begin{minipage}[c]{15.6cm}
707     \includecodesample{listati/UDP_ClientEcho.c}
708   \end{minipage}
709   \normalsize
710   \caption{Seconda versione della funzione \func{ClientEcho}.}
711   \label{fig:UDP_echo_conn_echo_client}
712 \end{figure}
713
714 Utilizzando questa nuova versione del client si può verificare che quando ci
715 si rivolge verso un indirizzo inesistente o su cui non è in ascolto un server
716 si è in grado rilevare l'errore, se infatti eseguiamo il nuovo programma
717 otterremo un qualcosa del tipo:
718 \begin{verbatim}
719 [piccardi@gont sources]$ ./echo 192.168.1.1
720 prova
721 Errore in lettura: Connection refused
722 \end{verbatim}%$
723
724 Ma si noti che a differenza di quanto avveniva con il client TCP qui l'errore
725 viene rilevato soltanto dopo che si è tentato di inviare qualcosa, ed in
726 corrispondenza al tentativo di lettura della risposta. Questo avviene perché
727 con UDP non esiste una connessione, e fintanto che non si invia un pacchetto
728 non c'è traffico sulla rete. In questo caso l'errore sarà rilevato alla
729 ricezione del pacchetto ICMP \textit{destination unreachable} emesso dalla
730 macchina cui ci si è rivolti, e questa volta, essendo il socket UDP connesso,
731 il kernel potrà riportare detto errore in user space in maniera non ambigua,
732 ed esso apparirà alla successiva lettura sul socket.
733
734 Si tenga presente infine che l'uso dei socket connessi non risolve l'altro
735 problema del client, e cioè il fatto che in caso di perdita di un pacchetto
736 questo resterà bloccato permanentemente in attesa di una risposta. Per
737 risolvere questo problema l'unico modo sarebbe quello di impostare un
738 \textit{timeout} o riscrivere il client in modo da usare l'I/O non bloccante.
739
740
741
742 \index{socket!locali|(}
743
744
745 \section{I socket \textit{Unix domain}}
746 \label{sec:unix_socket}
747
748 Benché i socket Unix domain, come meccanismo di comunicazione fra processi che
749 girano sulla stessa macchina, non siano strettamente attinenti alla rete, li
750 tratteremo comunque in questa sezione. Nonostante le loro peculiarità infatti,
751 l'interfaccia di programmazione che serve ad utilizzarli resta sempre quella
752 dei socket.
753
754
755
756 \subsection{Il passaggio di file descriptor}
757 \label{sec:sock_fd_passing}
758
759
760
761 \index{socket!locali|)}
762
763
764 \section{Altri socket}
765 \label{sec:socket_other}
766
767 Tratteremo in questa sezione gli altri tipi particolari di socket supportati
768 da Linux, come quelli relativi a particolare protocolli di trasmissione, i
769 socket \textit{netlink} che definiscono una interfaccia di comunicazione con
770 il kernel, ed i \textit{packet socket} che consentono di inviare pacchetti
771 direttamente a livello delle interfacce di rete. 
772
773 \subsection{I socket \textit{raw}}
774 \label{sec:socket_raw}
775
776 Tratteremo in questa sezione i cosiddetti \textit{raw socket}, con i quali si
777 possono \textsl{forgiare} direttamente i pacchetti a tutti i livelli dello
778 stack dei protocolli. 
779
780 \subsection{I socket \textit{netlink}}
781 \label{sec:socket_netlink}
782
783
784 \subsection{I \textit{packet socket}}
785 \label{sec:packet_socket}
786
787
788 % articoli interessanti:
789 % http://www.linuxjournal.com/article/5617
790 % http://www.linuxjournal.com/article/4659
791
792
793
794 % LocalWords:  socket cap TCP UDP domain sez NFS DNS stream datagram PF INET to
795 % LocalWords:  IPv tab SOCK DGRAM three way handshake client fig bind listen AF
796 % LocalWords:  accept recvfrom sendto connect netstat named DHCP kernel ICMP CR
797 % LocalWords:  port unreachable read write glibc Specification flags int BSD LF
798 % LocalWords:  libc unsigned len size tolen sys ssize sockfd const void buf MSG
799 % LocalWords:  struct sockaddr socklen errno EAGAIN ECONNRESET EDESTADDRREQ RFC
800 % LocalWords:  EISCONN EMSGSIZE ENOBUFS ENOTCONN EOPNOTSUPP EPIPE SIGPIPE EBADF
801 % LocalWords:  NOSIGNAL EFAULT EINVAL EINTR ENOMEM ENOTSOCK NULL fromlen from
802 % LocalWords:  ECONNREFUSED value result argument close shutdown daytime nell'
803 % LocalWords:  memset inet pton nread NUL superdemone inetd sniffer daytimed
804 % LocalWords:  INADDR ANY addr echo ClientEcho sendbuff serv VPN tcpdump l'I
805 % LocalWords:  Stevens destination descriptor raw stack netlink packet
806
807
808
809 %%% Local Variables: 
810 %%% mode: latex
811 %%% TeX-master: "gapil"
812 %%% End: