simpltcp.tex

   1 \chapter{Un esempio completo di client/server TCP}
   2 \label{cha:simple_TCP_sock}
   3
   4 In questo capitolo riprenderemo le funzioni trattate nel precedente, usandole
   5 per scrivere una prima applicazione client/server che usi i socket TCP per una
   6 comunicazione in entrambe le direzioni.
   7
   8 Inoltre prenderemo in esame, oltre al comportamento in condizioni normali,
   9 anche tutti i possibili scenari particolari (errori, sconnessione della rete,
  10 crash del client o del server durante la connessione) che possono avere luogo
  11 durante l'impiego di un'applicazione di rete.
  12
  13
  14 \section{Il servizio \texttt{echo}}
  15 \label{sec:TCPsimp_echo}
  16
  17 L'applicazione scelta come esempio sarà un'implementazione elementare, ma
  18 completa, del servizio \texttt{echo}. Il servizio \texttt{echo} è uno dei
  19 servizi standard solitamente provvisti direttamente dal superserver
  20 \cmd{inetd}, ed è definito dall'RFC~862. Come dice il nome il servizio deve
  21 rimandare indietro sulla connessione i dati che gli vengono inviati; l'RFC
  22 descrive le specifiche sia per TCP che UDP, e per il primo stabilisce che una
  23 volta stabilita la connessione ogni dato in ingresso deve essere rimandato in
  24 uscita, fintanto che il chiamante non ha chiude la connessione; il servizio
  25 opera sulla porta 7.
  26
  27 Nel nostro caso l'esempio sarà costituito da un client che legge una linea di
  28 caratteri dallo standard input e la scrive sul server, il server leggerà la
  29 linea dalla connessione e la riscriverà all'indietro; sarà compito del client
  30 leggere la risposta del server e stamparla sullo standard output.
  31
  32 Si è scelto di usare questo servizio, seguendo l'esempio di \cite{UNP1},
  33 perché costituisce il prototipo ideale di una generica applicazione di rete in
  34 cui un server risponde alle richieste di un client; tutto quello che cambia
  35 nel caso si una applicazione più complessa è la elaborazione dell'input del
  36 client da parte del server nel fornire le risposte in uscita.
  37
  38 Partiremo da un'implementazione elementare che dovrà essere rimaneggiata di
  39 volta in volta per poter tenere conto di tutte le evenienze che si possono
  40 manifestare nella vita reale di un'applicazione di rete, fino ad arrivare ad
  41 un'implementazione completa.
  42
  43 \subsection{La struttura del server}
  44 \label{sec:TCPsimp_server_main}
  45
  46 La prima versione del server, \file{ElemEchoTCPServer.c}, si compone di un
  47 corpo principale, costituito dalla funzione \code{main}.  Questa si incarica
  48 di creare il socket, metterlo in ascolto di connessioni in arrivo e creare un
  49 processo figlio a cui delegare la gestione di ciascuna connessione.  Questa
  50 parte, riportata in \figref{fig:TCPsimpl_serv_code}, è analoga a quella vista
  51 nel precedente esempio esaminato in \secref{sec:TCPel_cunc_serv}.
  52
  53 \begin{figure}[!htb]
  54   \footnotesize
  55   \begin{lstlisting}{}
  56 /* Subroutines declaration */
  57 void ServEcho(int sockfd);
  58 /* Program beginning */
  59 int main(int argc, char *argv[])
  60 {
  61     int list_fd, conn_fd;
  62     pid_t pid;
  63     struct sockaddr_in serv_add;
  64      ...
  65     /* create socket */
  66     if ( (list_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
  67         perror("Socket creation error");
  68         exit(-1);
  69     }
  70     /* initialize address */
  71     memset((void *)&serv_add, 0, sizeof(serv_add)); /* clear server address */
  72     serv_add.sin_family = AF_INET;                  /* address type is INET */
  73     serv_add.sin_port = htons(13);                  /* daytime port is 13 */
  74     serv_add.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   /* connect from anywhere */
  75     /* bind socket */
  76     if (bind(list_fd, (struct sockaddr *)&serv_add, sizeof(serv_add)) < 0) {
  77         perror("bind error");
  78         exit(-1);
  79     }
  80     /* listen on socket */
  81     if (listen(list_fd, BACKLOG) < 0 ) {
  82         perror("listen error");
  83         exit(-1);
  84     }
  85     /* handle echo to client */
  86     while (1) {
  87         /* accept connection */
  88         if ( (conn_fd = accept(list_fd, NULL, NULL)) < 0) {
  89             perror("accept error");
  90             exit(-1);
  91         }
  92         /* fork to handle connection */
  93         if ( (pid = fork()) < 0 ){
  94             perror("fork error");
  95             exit(-1);
  96         }
  97         if (pid == 0) {      /* child */
  98             close(list_fd);          /* close listening socket */
  99             SockEcho(conn_fd);       /* handle echo */
 100             exit(0);
 101         } else {             /* parent */
 102             close(conn_fd);          /* close connected socket */
 103         }
 104     }
 105     /* normal exit, never reached */
 106     exit(0);
 107 }
 108   \end{lstlisting}
 109   \caption{Codice della funzione \code{main} della prima versione del server
 110     per il servizio \texttt{echo}.}
 111   \label{fig:TCPsimpl_serv_code}
 112 \end{figure}
 113
 114 La struttura di questa prima versione del server è sostanzialmente identica a
 115 quella dell'esempio citato, ed ad esso si applicano le considerazioni fatte in
 116 \secref{sec:TCPel_cunc_daytime}. Le uniche differenze rispetto all'esempio in
 117 \figref{fig:TCPel_serv_code} sono che in questo caso per il socket in ascolto
 118 viene usata la porta 7 e che tutta la gestione della comunicazione è delegata
 119 alla funzione \code{ServEcho}.
 120 %  Per ogni connessione viene creato un
 121 % processo figlio, il quale si incarica di lanciare la funzione
 122 % \texttt{SockEcho}.
 123
 124 Il codice della funzione \code{ServEcho} è invece mostrata in
 125 \figref{fig:TCPsimpl_server_elem_sub}, la comunicazione viene gestita
 126 all'interno del ciclo (linee \texttt{\small 6--8}).  I dati inviati dal client
 127 vengono letti dal socket con una semplice \func{read} (che ritorna solo in
 128 presenza di dati in arrivo), la riscrittura viene invece gestita dalla
 129 funzione \func{SockWrite} (descritta in \figref{fig:sock_SockWrite_code}) che
 130 si incarica di tenere conto automaticamente della possibilità che non tutti i
 131 dati di cui è richiesta la scrittura vengano trasmessi con una singola
 132 \func{write}.
 133
 134 \begin{figure}[!htb]
 135   \footnotesize
 136   \begin{lstlisting}{}
 137 void ServEcho(int sockfd) {
 138     char buffer[MAXLINE];
 139     int nread, nwrite;
 140
 141     /* main loop, reading 0 char means client close connection */
 142     while ( (nread = read(sockfd, buffer, MAXLINE)) != 0) {
 143         nwrite = SockWrite(sockfd, buffer, nread);
 144     }
 145     return;
 146 }
 147   \end{lstlisting}
 148   \caption{Codice della prima versione della funzione \code{ServEcho} per la
 149     gestione del servizio \texttt{echo}.}
 150   \label{fig:TCPsimpl_server_elem_sub}
 151 \end{figure}
 152
 153 Quando il client chiude la connessione il ricevimento del FIN fa ritornare la
 154 \func{read} con un numero di byte letti pari a zero, il che causa l'uscita
 155 dal ciclo e il ritorno della funzione, che a sua volta causa la terminazione
 156 del processo figlio.
 157
 158
 159 \subsection{Il client}
 160 \label{sec:TCPsimp_client_main}
 161
 162 Il codice del client è riportato in \figref{fig:TCPsimpl_client_elem}, anche
 163 esso ricalca la struttura del precedente client per il servizio
 164 \texttt{daytime} (vedi \secref{sec:net_cli_sample}) ma, come per il server, lo
 165 si è diviso in due parti, inserendo la parte relativa alle operazioni
 166 specifiche previste per il protocollo \texttt{echo} in una funzione a parte.
 167 \begin{figure}[!htb]
 168   \footnotesize
 169   \begin{lstlisting}{}
 170 int main(int argc, char *argv[])
 171 {
 172 /*
 173  * Variables definition
 174  */
 175     int sock_fd, i;
 176     struct sockaddr_in serv_add;
 177     ...
 178     /* create socket */
 179     if ( (sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
 180         perror("Socket creation error");
 181         return -1;
 182     }
 183     /* initialize address */
 184     memset((void *) &serv_add, 0, sizeof(serv_add)); /* clear server address */
 185     serv_add.sin_family = AF_INET;                   /* address type is INET */
 186     serv_add.sin_port = htons(7);                    /* echo port is 7 */
 187     /* build address using inet_pton */
 188     if ( (inet_pton(AF_INET, argv[optind], &serv_add.sin_addr)) <= 0) {
 189         perror("Address creation error");
 190         return -1;
 191     }
 192     /* extablish connection */
 193     if (connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&serv_add, sizeof(serv_add)) < 0) {
 194         perror("Connection error");
 195         return -1;
 196     }
 197     /* read daytime from server */
 198     ClientEcho(stdin, sock_fd);
 199     /* normal exit */
 200     return 0;
 201 }
 202   \end{lstlisting}
 203   \caption{Codice della prima versione del client \texttt{echo}.}
 204   \label{fig:TCPsimpl_client_elem}
 205 \end{figure}
 206
 207 La funzione \code{main} si occupa della creazione del socket e della
 208 connessione (linee \texttt{\small 10--27}) secondo la stessa modalità spiegata
 209 in \secref{sec:net_cli_sample}, il client si connette sulla porta 7
 210 all'indirizzo specificato dalla linea di comando (a cui si è aggiunta una
 211 elementare gestione delle opzioni non riportata in figura).
 212
 213 Completata la connessione, al ritrno fiììdi  \func{connect} è ritornata, la
 214 funzione \code{ClientEcho}, riportata in
 215 \figref{fig:TCPsimpl_client_echo_sub}, si preoccupa di gestire la
 216 comunicazione, leggendo una riga alla volta dallo \file{stdin}, scrivendola
 217 sul socket e ristampando su \file{stdout} quanto ricevuto in risposta dal
 218 server.
 219
 220 \begin{figure}[!htb]
 221   \footnotesize
 222   \begin{lstlisting}{}
 223 void ClientEcho(FILE * filein, int socket)
 224 {
 225     char sendbuff[MAXLINE], recvbuff[MAXLINE];
 226     int nread;
 227     while (fgets(sendbuff, MAXLINE, filein) != NULL) {
 228         SockWrite(socket, sendbuff, strlen(sendbuff));
 229         nread = SockRead(socket, recvbuff, strlen(sendbuff));
 230         recvbuff[nread] = 0;
 231         fputs(recvbuff, stdout);
 232     }
 233     return;
 234 }
 235   \end{lstlisting}
 236   \caption{Codice della prima versione della funzione \texttt{ClientEcho} per
 237     la gestione del servizio \texttt{echo}.}
 238   \label{fig:TCPsimpl_client_echo_sub}
 239 \end{figure}
 240
 241 La funzione utilizza due buffer per gestire i dati inviati e letti sul socket
 242 (\texttt{\small 3}).  La comunicazione viene gestita all'interno di un ciclo
 243 (linee \texttt{\small 5--10}), i dati da inviare sulla connessione vengono
 244 presi dallo \file{stdin} usando la funzione \func{fgets} che legge una
 245 linea di testo (terminata da un \texttt{CR} e fino al massimo di
 246 \macro{MAXLINE} caratteri) e la salva sul buffer di invio, la funzione
 247 \func{SockWrite} (\texttt{\small 3}) scrive detti dati sul socket (gestendo
 248 l'invio multiplo qualora una singola \func{write} non basti, come spiegato
 249 in \secref{sec:sock_io_behav}).
 250
 251 I dati che vengono riletti indietro con una \func{SockRead} sul buffer di
 252 ricezione e viene inserita la terminazione della stringa (\texttt{\small
 253   7--8}) e per poter usare la funzione \func{fputs} per scriverli su
 254 \file{stdout}.
 255
 256 Un end of file inviato su \file{stdin} causa il ritorno di \func{fgets}
 257 con un puntatore nullo e l'uscita dal ciclo, al che la subroutine ritorna ed
 258 il client esce.
 259
 260
 261 \section{Il funzionamento del servizio}
 262 \label{sec:TCPsimpl_normal_work}
 263
 264 Benché il codice dell'esempio precedente sia molto ridotto, esso ci permetterà
 265 di considerare in dettaglio tutte le problematiche che si possono incontrare
 266 nello scrivere un'applicazione di rete. Infatti attraverso l'esame delle sue
 267 modalità di funzionamento normali, all'avvio e alla terminazione, e di quello
 268 che avviene nelle varie situazioni limite, da una parte potremo approfondire
 269 la comprensione del protocollo TCP/IP e dall'altra ricavare le indicazioni
 270 necessarie per essere in grado di scrivere applicazioni robuste, in grado di
 271 gestire anche i casi limite.
 272
 273
 274 \subsection{L'avvio e il funzionamento}
 275 \label{sec:TCPsimpl_startup}
 276
 277 Il primo passo è compilare e lanciare il server (da root, per poter usare la
 278 porta 7 che è riservata), alla partenza esso eseguirà l'apertura passiva con
 279 la sequenza delle chiamate a \func{socket}, \func{bind}, \func{listen} e poi
 280 si bloccherà nella \func{accept}. A questo punto si potrà controllarne lo
 281 stato con \cmd{netstat}:
 282 \begin{verbatim}
 283 [piccardi@roke piccardi]$ netstat -at
 284 Active Internet connections (servers and established)
 285 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
 286 ...
 287 tcp        0      0 *:echo                  *:*                     LISTEN
 288 ...
 289 \end{verbatim} %$
 290 che ci mostra come il socket sia in ascolto sulla porta richiesta, accettando
 291 connessioni da qualunque indirizzo e da qualunque porta e su qualunque
 292 interfaccia locale.
 293
 294 A questo punto si può lanciare il client, esso chiamerà \func{socket} e
 295 \func{connect}; una volta completato il three way handshake la connessione è
 296 stabilita; la \func{connect} ritornerà nel client\footnote{si noti che è
 297   sempre la \func{connect} del client a ritornare per prima, in quanto
 298   questo avviene alla ricezione del secondo segmento (l'ACK del server) del
 299   three way handshake, la \func{accept} del server ritorna solo dopo
 300   un altro mezzo RTT quando il terzo segmento (l'ACK del client) viene
 301   ricevuto.} e la \func{accept} nel server, ed usando di nuovo
 302 \cmd{netstat} otterremmo che:
 303 \begin{verbatim}
 304 Active Internet connections (servers and established)
 305 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
 306 tcp        0      0 *:echo                  *:*                     LISTEN
 307 tcp        0      0 roke:echo               gont:32981              ESTABLISHED
 308 \end{verbatim}
 309 mentre per quanto riguarda l'esecuzione dei programmi avremo che:
 310 \begin{itemize}
 311 \item il client chiama la funzione \code{ClientEcho} che si blocca sulla
 312   \func{fgets} dato che non si è ancora scritto nulla sul terminale.
 313 \item il server eseguirà una \func{fork} facendo chiamare al processo figlio
 314   la funzione \code{ServEcho}, quest'ultima si bloccherà sulla \func{read}
 315   dal socket sul quale ancora non sono presenti dati.
 316 \item il processo padre del server chiamerà di nuovo \func{accept}
 317   bloccandosi fino all'arrivo di un'altra connessione.
 318 \end{itemize}
 319 e se usiamo il comando \cmd{ps} per esaminare lo stato dei processi otterremo
 320 un risultato del tipo:
 321 \begin{verbatim}
 322 [piccardi@roke piccardi]$ ps ax
 323   PID TTY      STAT   TIME COMMAND
 324  ...  ...      ...    ...  ...
 325  2356 pts/0    S      0:00 ./echod
 326  2358 pts/1    S      0:00 ./echo 127.0.0.1
 327  2359 pts/0    S      0:00 ./echod
 328 \end{verbatim} %$
 329 (dove si sono cancellate le righe inutili) da cui si evidenzia la presenza di
 330 tre processi, tutti in stato di \textit{sleep} (vedi
 331 \tabref{tab:proc_proc_states}).
 332
 333 Se a questo punto si inizia a scrivere qualcosa sul client non sarà trasmesso
 334 niente fin tanto che non si prema il tasto di a capo (si ricordi quanto detto
 335 in \secref{sec:file_line_io} a proposito dell'I/O su terminale), solo allora
 336 \func{fgets} ritornerà ed il client scriverà quanto immesso sul socket, per
 337 poi passare a rileggere quanto gli viene inviato all'indietro dal server, che
 338 a sua volta sarà inviato sullo standard output, che nel caso ne provoca
 339 l'immediatamente stampa a video.
 340
 341
 342 \subsection{La conclusione normale}
 343 \label{sec:TCPsimpl_conclusion}
 344
 345 Tutto quello che scriveremo sul client sarà rimandato indietro dal server e
 346 ristampato a video fintanto che non concluderemo l'immissione dei dati; una
 347 sessione tipica sarà allora del tipo:
 348 \begin{verbatim}
 349 [piccardi@roke sources]$ ./echo 127.0.0.1
 350 Questa e` una prova
 351 Questa e` una prova
 352 Ho finito
 353 Ho finito
 354 \end{verbatim} %$
 355 che termineremo inviando un EOF dal terminale (usando la combinazione di tasti
 356 ctrl-D, che non compare a schermo); se eseguiamo un \cmd{netstat} a questo
 357 punto avremo:
 358 \begin{verbatim}
 359 [piccardi@roke piccardi]$ netstat -at
 360 tcp        0      0 *:echo                  *:*                     LISTEN
 361 tcp        0      0 localhost:33032         localhost:echo          TIME_WAIT
 362 \end{verbatim} %$
 363 con il client che entra in \texttt{TIME\_WAIT}.
 364
 365 Esaminiamo allora in dettaglio la sequenza di eventi che porta alla
 366 terminazione normale della connessione, che ci servirà poi da riferimento
 367 quando affronteremo il comportamento in caso di conclusioni anomale:
 368
 369 \begin{enumerate}
 370 \item inviando un carattere di EOF da terminale la \func{fgets} ritorna
 371   restituendo un puntatore nullo che causa l'uscita dal ciclo di
 372   \code{while}, così la \code{ClientEcho} ritorna.
 373 \item al ritorno di \code{ClientEcho} ritorna anche la funzione \code{main}, e
 374   come parte del processo terminazione tutti i file descriptor vengono chiusi
 375   (si ricordi quanto detto in \secref{sec:proc_term_conclusion}); questo causa
 376   la chiusura del socket di comunicazione; il client allora invierà un FIN al
 377   server a cui questo risponderà con un ACK.  A questo punto il client verrà a
 378   trovarsi nello stato \texttt{FIN\_WAIT\_2} ed il server nello stato
 379   \texttt{CLOSE\_WAIT} (si riveda quanto spiegato in
 380   \secref{sec:TCPel_conn_term}).
 381 \item quando il server riceve il FIN la \func{read} del processo figlio che
 382   gestisce la connessione ritorna restituendo 0 causando così l'uscita dal
 383   ciclo e il ritorno di \code{ServEcho}, a questo punto il processo figlio
 384   termina chiamando \func{exit}.
 385 \item all'uscita del figlio tutti i file descriptor vengono chiusi, la
 386   chiusura del socket connesso fa sì che venga effettuata la sequenza finale
 387   di chiusura della connessione, viene emesso un FIN dal server che riceverà
 388   un ACK dal client, a questo punto la connessione è conclusa e il client
 389   resta nello stato \texttt{TIME\_WAIT}.
 390
 391 \end{enumerate}
 392
 393
 394 \subsection{La gestione dei processi figli}
 395 \label{sec:TCPsimpl_child_hand}
 396
 397 Tutto questo riguarda la connessione, c'è però da tenere conto dell'effetto
 398 del procedimento di chiusura del processo figlio nel server (si veda quanto
 399 esaminato in \secref{sec:proc_termination}). In questo caso avremo l'invio del
 400 segnale \macro{SIGCHLD} al padre, ma dato che non si è installato un
 401 manipolatore e che l'azione predefinita per questo segnale è quella di essere
 402 ignorato, non avendo predisposto la ricezione dello stato di terminazione,
 403 otterremo che il processo figlio entrerà nello stato di zombie (si riveda
 404 quanto illustrato in \secref{sec:sig_sigchld}), come risulterà ripetendo il
 405 comando \cmd{ps}:
 406 \begin{verbatim}
 407  2356 pts/0    S      0:00 ./echod
 408  2359 pts/0    Z      0:00 [echod <defunct>]
 409 \end{verbatim}
 410
 411 Poiché non è possibile lasciare processi zombie che pur inattivi occupano
 412 spazio nella tabella dei processi e a lungo andare saturerebbero le risorse
 413 del kernel, occorrerà ricevere opportunamente lo stato di terminazione del
 414 processo (si veda \secref{sec:proc_wait}), cosa che faremo utilizzando
 415 \macro{SIGCHLD} secondo quanto illustrato in \secref{sec:sig_sigchld}.
 416
 417 La prima modifica al nostro server è pertanto quella di inserire la gestione
 418 della terminazione dei processi figli attraverso l'uso di un manipolatore.
 419 Per questo useremo la funzione \code{Signal}, illustrata in
 420 \figref{fig:sig_Signal_code}, per installare il semplice manipolatore che
 421 riceve i segnali dei processi figli terminati già visto in
 422 \figref{fig:sig_sigchld_handl}; aggiungendo il seguente codice:
 423 \begin{lstlisting}{}
 424     ...
 425     /* install SIGCHLD handler */
 426     Signal(SIGCHLD, sigchld_hand);  /* establish handler */
 427     /* create socket */
 428     ...
 429 \end{lstlisting}
 430
 431 \noindent
 432 all'esempio illustrato in \figref{fig:TCPsimpl_serv_code}, e linkando il tutto
 433 alla funzione \code{sigchld\_hand}, si risolverà completamente il problema
 434 degli zombie.
 435
 436
 437
 438 %%% Local Variables:
 439 %%% mode: latex
 440 %%% TeX-master: "gapil"
 441 %%% End: