Finiti file temporanei e iniziata chroot, inserita sezione sullo scheduler
[gapil.git] / 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 una applicazione di rete.
12
13
14 \section{Il servizio \texttt{echo}}
15 \label{sec:TCPsimp_echo}
16
17 L'applicazione scelta come esempio sarà una 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 lo Stevens, perché costituisce
33 il prototipo ideale di una generica applicazione di rete in cui un server
34 risponde alle richieste di un client; tutto quello che cambia nel caso si una
35 applicazione più complessa è la elaborazione dell'input del client da parte
36 del server nel fornire le risposte in uscita. 
37
38 Partiremo da una 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 una applicazione di rete, fino ad arrivare ad
41 una 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 \nfig, è analoga a quella vista nel precedente esempio
51 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
118 ascolto viene usata la porta 7 e tutta la gestione della comunicazione è
119 delegata 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 \nfig, la
125 comunicazione viene gestita all'interno del ciclo (linee \texttt{\small
126   6--8}).  I dati inviati dal client vengono letti dal socket con una semplice
127 \func{read} (che ritorna solo in presenza di dati in arrivo), la riscrittura
128 viene invece gestita dalla funzione \func{SockWrite} (descritta a suo tempo
129 in \figref{fig:sock_SockWrite_code}) che si incarica di tenere conto
130 automaticamente della possibilità che non tutti i dati di cui è richiesta la
131 scrittura vengano trasmessi con una singola \func{write}.
132
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 \nfig, anche esso ricalca la struttura del
163 precedente client per il servizio \texttt{daytime} (vedi
164 \secref{sec:net_cli_sample}) ma, come per il server, lo si è diviso in due
165 parti, inserendo la parte relativa alle operazioni specifiche previste per il
166 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 (quando la funzione \func{connect} ritorna) la
214 funzione \code{ClientEcho}, riportata in \nfig, si preoccupa di gestire la
215 comunicazione, leggendo una riga alla volta dallo \file{stdin}, scrivendola
216 sul socket e ristampando su \file{stdout} quanto ricevuto in risposta dal
217 server. 
218
219 \begin{figure}[!htb]
220   \footnotesize
221   \begin{lstlisting}{}
222 void ClientEcho(FILE * filein, int socket) 
223 {
224     char sendbuff[MAXLINE], recvbuff[MAXLINE];
225     int nread; 
226     while (fgets(sendbuff, MAXLINE, filein) != NULL) {
227         SockWrite(socket, sendbuff, strlen(sendbuff)); 
228         nread = SockRead(socket, recvbuff, strlen(sendbuff));        
229         recvbuff[nread] = 0;
230         fputs(recvbuff, stdout);
231     }
232     return;
233 }
234   \end{lstlisting}
235   \caption{Codice della prima versione della funzione \texttt{ClientEcho} per 
236     la gestione del servizio \texttt{echo}.}
237   \label{fig:TCPsimpl_client_echo_sub}
238 \end{figure}
239
240 La funzione utilizza due buffer per gestire i dati inviati e letti sul socket
241 (\texttt{\small 3}).  La comunicazione viene gestita all'interno di un ciclo
242 (linee \texttt{\small 5--10}), i dati da inviare sulla connessione vengono
243 presi dallo \file{stdin} usando la funzione \func{fgets} che legge una
244 linea di testo (terminata da un \texttt{CR} e fino al massimo di
245 \macro{MAXLINE} caratteri) e la salva sul buffer di invio, la funzione
246 \func{SockWrite} (\texttt{\small 3}) scrive detti dati sul socket (gestendo
247 l'invio multiplo qualora una singola \func{write} non basti, come spiegato
248 in \secref{sec:sock_io_behav}).
249
250 I dati che vengono riletti indietro con una \func{SockRead} sul buffer di
251 ricezione e viene inserita la terminazione della stringa (\texttt{\small
252   7--8}) e per poter usare la funzione \func{fputs} per scriverli su
253 \file{stdout}. 
254
255 Un end of file inviato su \file{stdin} causa il ritorno di \func{fgets}
256 con un puntatore nullo e l'uscita dal ciclo, al che la subroutine ritorna ed
257 il client esce.
258
259
260 \section{Il funzionamento del servizio}
261 \label{sec:TCPsimpl_normal_work}
262
263 Benché il codice dell'esempio precedente sia molto ridotto, esso ci permetterà
264 di considerare in dettaglio tutte le problematiche che si possono incontrare
265 nello scrivere una applicazione di rete. Infatti attraverso l'esame delle sue
266 modalità di funzionamento normali, all'avvio e alla terminazione, e di quello
267 che avviene nelle varie situazioni limite, da una parte potremo approfondire
268 la comprensione del protocollo TCP/IP e dall'altra ricavare le indicazioni
269 necessarie per essere in gradi di scrivere applicazioni robuste, in grado di
270 gestire anche i casi limite.
271
272
273 \subsection{L'avvio e il funzionamento}
274 \label{sec:TCPsimpl_startup}
275
276 Il primo passo è compilare e lanciare il server (da root, per poter usare la
277 porta 7 che è riservata), alla partenza esso eseguirà l'apertura passiva con
278 la sequenza delle chiamate a \func{socket}, \func{bind}, \func{listen} e poi
279 si bloccherà nella \func{accept}. A questo punto si potrà controllarne lo
280 stato con \cmd{netstat}:
281 \begin{verbatim}
282 [piccardi@roke piccardi]$ netstat -at
283 Active Internet connections (servers and established)
284 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State 
285 ...
286 tcp        0      0 *:echo                  *:*                     LISTEN
287 ...
288 \end{verbatim} %$
289 che ci mostra come il socket sia in ascolto sulla porta richiesta, accettando
290 connessioni da qualunque indirizzo e da qualunque porta e su qualunque
291 interfaccia locale.
292
293 A questo punto si può lanciare il client, esso chiamerà \func{socket} e
294 \func{connect}; una volta completato il three way handshake la connessione è
295 stabilita; la \func{connect} ritornerà nel client\footnote{si noti che è
296   sempre la \func{connect} del client a ritornare per prima, in quanto
297   questo avviene alla ricezione del secondo segmento (l'ACK del server) del
298   three way handshake, la \func{accept} del server ritorna solo dopo
299   un altro mezzo RTT quando il terzo segmento (l'ACK del client) viene
300   ricevuto.} e la \func{accept} nel server, ed usando di nuovo
301 \cmd{netstat} otterremmo che:
302 \begin{verbatim}
303 Active Internet connections (servers and established)
304 Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
305 tcp        0      0 *:echo                  *:*                     LISTEN
306 tcp        0      0 roke:echo               gont:32981              ESTABLISHED
307 \end{verbatim}
308 mentre per quanto riguarda l'esecuzione dei programmi avremo che:
309 \begin{itemize}
310 \item il client chiama la funzione \code{ClientEcho} che si blocca sulla
311   \func{fgets} dato che non si è ancora scritto nulla sul terminale.
312 \item il server eseguirà una \func{fork} facendo chiamare al processo figlio
313   la funzione \code{ServEcho}, quest'ultima si bloccherà sulla \func{read}
314   dal socket sul quale ancora non sono presenti dati.
315 \item il processo padre del server chiamerà di nuovo \func{accept}
316   bloccandosi fino all'arrivo di un'altra connessione.
317 \end{itemize}
318 e se usiamo il comando \cmd{ps} per esaminare lo stato dei processi otterremo
319 un risultato del tipo:
320 \begin{verbatim}
321 [piccardi@roke piccardi]$ ps ax
322   PID TTY      STAT   TIME COMMAND
323  ...  ...      ...    ...  ...
324  2356 pts/0    S      0:00 ./echod
325  2358 pts/1    S      0:00 ./echo 127.0.0.1
326  2359 pts/0    S      0:00 ./echod
327 \end{verbatim} %$
328 (dove si sono cancellate le righe inutili) da cui si evidenzia la presenza di
329 tre processi, tutti in stato di \textit{sleep} (S).
330
331 Se a questo punto si inizia a scrivere qualcosa sul client niente sarà
332 trasmesso fin tanto che non si prema il ritorno carrello, allora la
333 \func{fgets} ritornerà e a questo punto il client scriverà quanto immesso
334 sul socket, poi rileggerà quanto gli viene inviato all'indietro dal server, e
335 questo sarà inviato sullo standard output, che nel caso ne provoca
336 l'immediatamente stampa a video.
337
338
339 \subsection{La conclusione normale}
340 \label{sec:TCPsimpl_conclusion}
341
342 Tutto quello che scriveremo sul client sarà rimandato indietro dal server e
343 ristampato a video fintanto che non concluderemo l'immissione dei dati; una
344 sessione tipica sarà allora del tipo: 
345 \begin{verbatim}
346 [piccardi@roke sources]$ ./echo 127.0.0.1
347 Questa e` una prova
348 Questa e` una prova
349 Ho finito
350 Ho finito
351 \end{verbatim} %$
352 che termineremo inviando un EOF dal terminale (usando la combinazione di tasti
353 ctrl-D, che non compare a schermo); se eseguiamo un \cmd{netstat} a questo
354 punto avremo:
355 \begin{verbatim}
356 [piccardi@roke piccardi]$ netstat -at 
357 tcp        0      0 *:echo                  *:*                     LISTEN
358 tcp        0      0 localhost:33032         localhost:echo          TIME_WAIT
359 \end{verbatim} %$
360 con il client che entra in \texttt{TIME\_WAIT}.
361
362 Esaminiamo allora in dettaglio la sequenza di eventi che porta alla
363 terminazione normale della connessione, che ci servirà poi da riferimento nei
364 casi seguenti:
365
366 \begin{enumerate}
367 \item inviando un carattere di EOF da terminale la \func{fgets} ritorna
368   restituendo un puntatore nullo che causa l'uscita dal ciclo di
369   while, così la \code{ClientEcho} ritorna.
370 \item al ritorno di \code{ClientEcho} ritorna anche la funzione \code{main}, e
371   come parte del processo terminazione tutti i file descriptor vengono chiusi
372   (si ricordi quanto detto in \secref{sec:proc_term_conclusion}); questo causa
373   la chiusura del socket di comunicazione; il client allora invierà un FIN al
374   server a cui questo risponderà con un ACK.  A questo punto il client verrà a
375   trovarsi nello stato \texttt{FIN\_WAIT\_2} ed il server nello stato
376   \texttt{CLOSE\_WAIT} (si riveda quanto spiegato in
377   \secref{sec:TCPel_conn_term}).
378 \item quando il server riceve il FIN la \func{read} del processo figlio che
379   gestisce la connessione ritorna restituendo 0 causando così l'uscita dal
380   ciclo di while e il ritorno di \code{ServEcho}, a questo punto il processo
381   figlio termina chiamando \func{exit}.
382 \item all'uscita del figlio tutti i file descriptor vengono chiusi, la
383   chiusura del socket connesso fa sì che venga effettuata la sequenza finale
384   di chiusura della connessione, viene emesso un FIN dal server che riceverà
385   un ACK dal client, a questo punto la connessione è conclusa e il client
386   resta nello stato \texttt{TIME\_WAIT}.
387 \item 
388 \end{enumerate}
389
390
391 \subsection{La gestione dei processi figli}
392 \label{sec:TCPsimpl_child_hand}
393
394 Tutto questo riguarda la connessione, c'è però da tenere conto dell'effetto
395 del procedimento di chiusura del processo figlio nel server (si veda quanto
396 esaminato in \secref{sec:proc_termination}). In questo caso avremo l'invio del
397 segnale \macro{SIGCHILD} al padre, ma dato che non si è installato un
398 manipolatore e che l'azione di default per questo segnale è quella di essere
399 ignorato, non avendo predisposto la ricezione dello stato di terminazione,
400 otterremo che il processo figlio entrerà nello stato di zombie, come risulterà
401 ripetendo il comando \cmd{ps}:
402 \begin{verbatim}
403  2356 pts/0    S      0:00 ./echod
404  2359 pts/0    Z      0:00 [echod <defunct>]
405 \end{verbatim}
406
407 Poiché non è possibile lasciare processi zombie che pur inattivi occupano
408 spazio nella tabella dei processi e a lungo andare saturerebbero le risorse
409 del kernel, occorrerà ricevere opportunamente lo stato di terminazione del
410 processo (si veda \secref{sec:proc_wait}), cosa che faremo utilizzando il
411 segnale, per questo installeremo un manipolatore usando la funzione
412 \func{Signal} (trattata in dettaglio in \secref{sec:sig_signal}).
413