othersock.tex

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