socket.tex

   1 \chapter{Introduzione ai socket}
   2 \label{cha:socket_intro}
   3
   4 Il \textit{socket} (traducibile liberamente come \textsl{manicotto}) è uno dei
   5 principali meccanismi di comunicazione fra programmi utilizzato in ambito unix
   6 (e non solo). Il socket costituisce in sostanza un canale di comunicazione fra
   7 due processi su cui si possono leggere e scrivere dati analogo a quello di una
   8 pipe ma a differenza di questa e degli altri meccanismi esaminati nel capitolo
   9 \capref{cha:IPC} i socket non sono limitati alla comunicazione fra processi
  10 che girano sulla stessa macchina ma possono effettuare la comunicazione anche
  11 attraverso la rete.
  12
  13 Quella dei socket costituisce infatti la principale API (\textit{Application
  14   Program Interface}) usata nella programmazione di rete.  La loro origine
  15 risale al 1983, quando furono introdotti nel BSD 4.2; l'interfaccia è rimasta
  16 sostanzialmente la stessa con piccole modifiche negli anni successivi. Benché
  17 siano state sviluppate interfacce alternative, originate dai sistemi SYSV,
  18 come la XTI (\textit{X/Open Transport Interface}) nessuna ha mai raggiunto la
  19 diffusione e la popolarità di quella dei socket (né tantomeno usabilità e
  20 flessibilità).
  21
  22 La flessibilità e la genericità dell'interfaccia inoltre ha consentito di
  23 utilizzare i socket con i più disparati meccanismi di comunicazione, e non
  24 solo con la suite dei protocolli TCP/IP, che sarà comunque quella di cui
  25 tratteremo in maniera più estesa.
  26
  27
  28 \section{Concetti base}
  29 \label{sec:sock_gen}
  30
  31 Per capire il funzionamento dei socket occorre avere presente il funzionamento
  32 dei protocolli di rete (vedi \capref{cha:network}), ma l'interfaccia è del
  33 tutto generale e benché le problematiche (e quindi le modalità di risolvere i
  34 problemi) siano diverse a seconda del tipo di protocollo di comunicazione
  35 usato, le funzioni da usare restano le stesse.
  36
  37 Per questo motivo una semplice descrizione dell'interfaccia è assolutamente
  38 inutile, in quanto il comportamento di quest'ultima e le problematiche da
  39 affrontare cambiano radicalmente a seconda dello ``stile'' di comunicazione
  40 usato.  La scelta di questo stile va infatti ad incidere sulla semantica che
  41 verrà utilizzata a livello utente per gestire la comunicazione (su come
  42 inviare e ricevere i dati) e sul comportamento effettivo delle funzioni
  43 utilizzate.
  44
  45 La scelta di uno stile dipende sia dai meccanismi disponibili, sia dal tipo di
  46 comunicazione che si vuole effettuare. Ad esempio alcuni stili di
  47 comunicazione considerano i dati come una sequenza continua di bytes, altri
  48 invece li raggruppano in blocchi (i pacchetti).
  49
  50 Un'altro esempio di stile concerne la possibilità che la comunicazione possa o
  51 meno perdere dati, possa o meno non rispettare l'ordine in cui essi non sono
  52 inviati, o inviare dei pacchetti più volte (come nel caso di TCP e UDP).
  53
  54 Un terzo esempio di stile di comunicazione concerne le modalità in cui essa
  55 avviene, in certi casi essa può essere condotta con una connessione diretta
  56 con un solo partner come per una telefonata; altri casi possono prevedere una
  57 comunicazione come per lettera, in cui si scrive l'indirizzo su ogni
  58 pacchetto, altri ancora una comunicazione \textit{broadcast} come per la
  59 radio, in cui i pacchetti vengono emessi su appositi ``canali'' dove chiunque
  60 si collega possa riceverli.
  61
  62 É chiaro che ciascuno di questi stili comporta una modalità diversa di gestire
  63 la comunicazione, ad esempio se è inaffidabile occorrerà essere in grado di
  64 gestire la perdita o il rimescolamento dei dati.
  65
  66
  67 \section{La funzione \texttt{socket}}
  68 \label{sec:sock_socket}
  69
  70 La creazione di un socket avviene attraverso l'uso della funzione
  71 \texttt{socket} questa restituisce un \textit{socket descriptor} (un valore
  72 intero non negativo) che come gli analoghi file descriptor di files e alle
  73 pipes serve come riferimento al socket; in sostanza è l'indice nella tabella
  74 dei file che contiene i puntatori alle opportune strutture usate dal kernel ed
  75 allocate per ogni processo, (la stessa usata per i files e le pipes [NdA
  76 verificare!]).
  77
  78 Il prototipo della funzione è definito nell'header \texttt{sys/socket.h}, la
  79 funzione prende tre parametri, il dominio del socket (che definisce la
  80 famiglia di protocolli, vedi \secref{sec:sock_domain}), il tipo di socket (che
  81 definisce lo stile di comunicazione vedi \secref{sec:sock_type}) e il
  82 protocollo; in genere quest'ultimo è indicato implicitamente dal tipo di
  83 socket, per cui viene messo a zero (con l'eccezione dei \textit{raw socket}).
  84
  85 \begin{itemize}
  86 \item \texttt{int socket(int domain, int type, int protocol)}
  87
  88   La funzione restituisce un intero positivo se riesce, e -1 se fallisce, in
  89   quest'ultimo caso la variabile \texttt{errno} è settata con i seguenti
  90   codici di errore:
  91
  92   \begin{itemize}
  93   \item \texttt{EPROTONOSUPPORT} Il tipo di socket o il protocollo scelto non
  94     sono supportati nel dominio.
  95   \item \texttt{ENFILE} Il kernel non ha memoria sufficiente a creare una
  96     nuova struttura per il socket.
  97   \item \texttt{EMFILE} Si è ecceduta la tabella dei file.
  98   \item \texttt{EACCES} Non si hanno privilegi per creare un socket nel
  99     dominio o con il protocollo specificato.
 100   \item \texttt{EINVAL} Protocollo sconosciuto o dominio non disponibile.
 101   \item \texttt{ENOBUFS} o \texttt{ENOMEM} Non c'è sufficiente memoria per
 102     creare il socket.
 103   \end{itemize}
 104 \end{itemize}
 105
 106 Si noti che la creazione del socket non comporta nulla riguardo
 107 all'indicazione degli indirizzi remoti o locali attraverso i quali si vuole
 108 effettuare la comunicazione.
 109
 110 \subsection{Il dominio, o \textit{protocol family}}
 111 \label{sec:sock_domain}
 112
 113 Dati i tanti e diversi protocolli di comunicazione disponibili, esistono vari
 114 tipi di socket, che vengono classificati raggruppandoli in quelli che si
 115 chiamano \textsl{domini}.  La scelta di un dominio equivale in sostanza alla
 116 scelta di una famiglia di protocolli. Ciascun dominio ha un suo nome simbolico
 117 che convenzionalmente inizia con \texttt{PF\_} da \textit{protocol family},
 118 altro nome con cui si indicano i domini.
 119
 120 A ciascun tipo di dominio corrisponde un analogo nome simbolico che inizia per
 121 \texttt{AF\_} da \textit{address family}, e che identifica il formato degli
 122 indirizzi usati in quel dominio; le man pages di linux si riferiscono a questi
 123 anche come \textit{name space}, (nome che però il manuale della glibc riserva
 124 ai domini) e che identifica il formato degli indirizzi usati in quel dominio.
 125
 126 L'idea alla base della distinzione era che una famiglia di protocolli potesse
 127 supportare vari tipi di indirizzi, per cui il prefisso \texttt{PF\_} si
 128 sarebbe dovuto usare nella creazione dei socket e il prefisso \texttt{AF\_} in
 129 quello delle strutture degli indirizzi; questo è quanto specificato anche
 130 dallo standard POSIX.1g, ma non esistono a tuttora famiglie di protocolli che
 131 supportino diverse strutture di indirizzi, per cui nella pratica questi due
 132 nomi sono equivalenti e corrispondono agli stessi valori.
 133
 134 I domini (e i relativi nomi simbolici), così come i nomi delle famiglie di
 135 indirizzi sono definiti dall'header \textit{socket.h}. In linux le famiglie di
 136 protocolli disponibili sono riportate in \ntab.
 137
 138 \begin{table}[htb]
 139   \footnotesize
 140   \centering
 141   \begin{tabular}[c]{lll}
 142        Nome               & Utilizzo                       & Man page   \\
 143        \hline
 144        PF\_UNIX,PF\_LOCAL & Local communication            & unix(7)    \\
 145        PF\_INET           & IPv4 Internet protocols        & ip(7)      \\
 146        PF\_INET6          & IPv6 Internet protocols        &            \\
 147        PF\_IPX            & IPX - Novell protocols         &            \\
 148        PF\_NETLINK        & Kernel user interface device   & netlink(7) \\
 149        PF\_X25            & ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol & x25(7)     \\
 150        PF\_AX25           & Amateur radio AX.25 protocol   &            \\
 151        PF\_ATMPVC         & Access to raw ATM PVCs         &            \\
 152        PF\_APPLETALK      & Appletalk                      & ddp(7)     \\
 153        PF\_PACKET         & Low level packet interface     & packet(7)  \\
 154   \end{tabular}
 155   \caption{Famiglie di protocolli definiti in linux}
 156   \label{tab:net_pf_names}
 157 \end{table}
 158
 159 Non tutte le famiglie di protocolli sono accessibili dall'utente generico, ad
 160 esempio in generale tutti i socket di tipo \texttt{SOCK\_RAW} possono essere
 161 creati solo da processi che hanno i provilegi di root (cioè effective uid
 162 uguale a zero) o la capability \texttt{CAP\_NET\_RAW}.
 163
 164
 165 \subsection{Il tipo, o stile}
 166 \label{sec:sock_type}
 167
 168 La scelta di un dominio non comporta però la scelta dello stile di
 169 comunicazione, questo infatti viene a dipendere dal protocollo che si andrà ad
 170 utilizzare fra quelli disponibili nella famiglia scelta. Le API permettono di
 171 scegliere lo stile di comunicazione indicando il tipo di socket; linux e le
 172 glibc mettono a disposizione i seguenti tipi di socket (che il manuale della
 173 glibc chiama \textit{styles}) definiti come \texttt{int} in \texttt{socket.h}:
 174
 175 \begin{list}{}{}
 176 \item \texttt{SOCK\_STREAM} Provvede un canale di trasmissione dati
 177   bidirezionale, sequenziale e affidabile. Opera su una connessione con un
 178   altro socket. I dati vengono ricevuti e trasmessi come un flusso continuo di
 179   byte (da cui il nome \textit{stream}).
 180 \item \texttt{SOCK\_DGRAM} Viene usato per mandare pacchetti di lunghezza
 181   massima fissata (\textit{datagram}) indirizzati singolarmente, senza
 182   connessione e in maniera non affidabile. È l'opposto del precedente.
 183 \item \texttt{SOCK\_SEQPACKET} Provvede un canale di trasmissione di dati
 184   bidirezionale, sequenziale e affidabile. Opera su una connessione con un
 185   altro socket. I dati possono solo essere trasmessi e letti per pacchetti (di
 186   dimensione massima fissata).
 187 \item \texttt{SOCK\_RAW} Provvede l'accesso a basso livello ai protocolli di
 188   rete e alle varie interfacce. I normali programmi di comunicazione non
 189   devono usarlo.
 190 \item \texttt{SOCK\_RDM} Provvede un canale di trasmissione di pacchetti
 191   affidabile ma in cui non è garantito l'ordine di arrivo dei pacchetti.
 192 \item \texttt{SOCK\_PACKET} Obsoleto, non deve essere usato.
 193 \end{list}
 194
 195 Si tenga presente che non tutte le combinazioni di famiglia di protocolli e
 196 tipo di socket sono valide, in quanto non è detto che nella famiglia esista un
 197 protocollo per tutti gli stili di comunicazione indicati qui sopra. Una
 198 tabella che mostra le combinazioni valide è la seguente:
 199
 200 \begin{table}[htb]
 201   \footnotesize
 202   \centering
 203   \begin{tabular}{l|c|c|c|c|c|}
 204    \multicolumn{1}{c}{} &\multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_STREAM}}&
 205      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_DGRAM}} &
 206      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_RAW}} &
 207      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_PACKET}}&
 208      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_SEQPACKET}} \\
 209      \cline{2-6}
 210     \texttt{PF\_UNIX}      &  si & si  &      &     &     \\
 211      \cline{2-6}
 212     \texttt{PF\_INET}      & TCP & UDP & IPv4 &     &     \\
 213      \cline{2-6}
 214     \texttt{PF\_INET6}     & TCP & UDP & IPv6 &     &     \\
 215      \cline{2-6}
 216     \texttt{PF\_IPX}       &     &     &      &     &     \\
 217      \cline{2-6}
 218     \texttt{PF\_NETLINK}   &     &  si &  si  &     &     \\
 219      \cline{2-6}
 220     \texttt{PF\_X25}       &     &     &      &     &  si \\
 221      \cline{2-6}
 222     \texttt{PF\_AX25}      &     &     &      &     &     \\
 223      \cline{2-6}
 224     \texttt{PF\_ATMPVC}    &     &     &      &     &     \\
 225      \cline{2-6}
 226     \texttt{PF\_APPLETALK} &     & si  &  si  &     &     \\
 227      \cline{2-6}
 228     \texttt{PF\_PACKET}    &     & si  & si   &     &     \\
 229      \cline{2-6}
 230   \end{tabular}
 231   \caption{Combinazioni valide di dominio e tipo di protocollo per la funzione \texttt{socket}.}
 232   \label{tab:sock_sock_valid_combinations}
 233 \end{table}
 234
 235 Dove per ogni combinazione valida si è indicato il tipo di protocollo, o la
 236 parola \textsl{si} qualora non il protocollo non abbia un nome definito,
 237 mentre si sono lasciate vuote le caselle per le combinazioni non supportate.
 238
 239 \section{Le strutture degli indirizzi dei socket}
 240 \label{sec:sock_sockaddr}
 241
 242 Come si è visto nella creazione di un socket non si specifica nulla oltre al
 243 tipo di famiglia di protocolli che si vuole utilizzare, in particolare nessun
 244 indirizzo che identifichi i due capi della comunicazione. La funzione infatti
 245 si limita ad allocare nel kernel quanto necessario per poter poi realizzare la
 246 comunicazione.
 247
 248 Gli indirizzi vengono specificati attraverso apposite strutture che vengono
 249 utilizzate dalle altre funzioni della API dei socket quando la comunicazione
 250 viene effettivamente realizzata.
 251
 252 Ogni famiglia di protocolli ha ovviamente una sua forma di indirizzamento e in
 253 corrispondenza a questa una sua peculiare struttura degli indirizzi; i nomi di
 254 tutte queste strutture iniziano per \texttt{sockaddr\_}, quelli propri di
 255 ciascuna famiglia vengono identificati dal suffisso finale, aggiunto al nome
 256 precedente.
 257
 258 \subsection{La struttura generica}
 259 \label{sec:sock_sa_gen}
 260
 261 Le strutture degli indirizzi vengono sempre passate alle varie funzioni
 262 attraverso puntatori (cioè \textit{by reference}), ma le funzioni devono poter
 263 maneggiare puntatori a strutture relative a tutti gli indirizzi possibili
 264 nelle varie famiglie di protocolli; questo pone il problema di come passare
 265 questi puntatori, il C ANSI risolve questo problema coi i puntatori generici
 266 (i \texttt{void *}), ma l'interfaccia dei socket è antecendente alla
 267 definizione dello standard ANSI, e per questo nel 1982 fu scelto di definire
 268 una struttura generica \texttt{sockaddr} per gli indirizzi dei socket mostrata
 269 in \nfig:
 270
 271 \begin{figure}[!htbp]
 272   \footnotesize
 273   \begin{lstlisting}{}
 274 struct sockaddr {
 275     sa_family_t  sa_family;     /* address family: AF_xxx */
 276     char         sa_data[14];   /* address (protocol-specific) */
 277 };
 278   \end{lstlisting}
 279   \caption{La struttura generica degli indirizzi dei socket \texttt{sockaddr}}
 280   \label{fig:sock_sa_gen_struct}
 281 \end{figure}
 282
 283 Tutte le funzioni dei socket che usano gli indirizzi sono definite usando nel
 284 prototipo un puntatore a questa struttura; per questo motivo quando si
 285 invocano dette funzioni passando l'indirizzo di un protocollo specifico
 286 occorrerà eseguire un casting del relativo puntatore.
 287
 288 I tipi di dati che compongono la struttura sono stabiliti dallo standard
 289 Posix.1g, riassunti in \ntab\ con i rispettivi file di include in cui sono
 290 definiti; la struttura è invece definita nell'include file
 291 \texttt{sys/socket.h}
 292
 293 \begin{table}[!htbp]
 294   \centering
 295   \begin{tabular}{|l|l|l|}
 296     \hline
 297     \multicolumn{1}{|c|}{Tipo}& \multicolumn{1}{|c|}{Descrizione}&
 298     \multicolumn{1}{|c|}{Header} \\
 299     \hline
 300     \hline
 301     \texttt{int8\_t}   & intero a 8 bit con segno   & \texttt{sys/types.h}\\
 302     \texttt{uint8\_t}  & intero a 8 bit senza segno & \texttt{sys/types.h}\\
 303     \texttt{int16\_t}  & intero a 16 bit con segno  & \texttt{sys/types.h}\\
 304     \texttt{uint16\_t} & intero a 16 bit senza segno& \texttt{sys/types.h}\\
 305     \texttt{int32\_t}  & intero a 32 bit con segno  & \texttt{sys/types.h}\\
 306     \texttt{uint32\_t} & intero a 32 bit senza segno& \texttt{sys/types.h}\\
 307     \hline
 308     \texttt{sa\_family\_t} & famiglia degli indirizzi& \texttt{sys/socket.h}\\
 309     \texttt{socklen\_t} & lunghezza (\texttt{uint32\_t}) dell'indirizzo di
 310     un socket& \texttt{sys/socket.h}\\
 311     \hline
 312     \texttt{in\_addr\_t} & indirizzo IPv4 (\texttt{uint32\_t}) &
 313     \texttt{netinet/in.h}\\
 314     \texttt{in\_port\_t} & porta TCP o UDP (\texttt{uint16\_t})&
 315     \texttt{netinet/in.h}\\
 316     \hline
 317   \end{tabular}
 318   \caption{Tipi di dati usati nelle strutture degli indirizzi, secondo quanto
 319     stabilito dallo standard Posix.1g}
 320   \label{tab:sock_data_types}
 321 \end{table}
 322
 323 In alcuni sistemi la struttura è leggermente diversa e prevede un primo membro
 324 aggiuntivo \texttt{uint8\_t sin\_len} (come riportato da R. Stevens nei suoi
 325 libri). Questo campo non verrebbe usato direttamente dal programmatore e non è
 326 richiesto dallo standard Posix.1g, in linux pertanto non sussiste. Il campo
 327 \texttt{sa\_family\_t} era storicamente un \texttt{unsigned short}.
 328
 329 Dal punto di vista del programmatore l'unico uso di questa struttura è quello
 330 di fare da riferimento per il casting, per il kernel le cose sono un po'
 331 diverse, in quanto esso usa il puntatore per recuperare il campo
 332 \texttt{sa\_family} con cui determinare il tipo di indirizzo; per questo
 333 motivo, anche se l'uso di un puntatore \texttt{void *} sarebbe più immediato
 334 per l'utente (che non dovrebbe più eseguire il casting), è stato mantenuto
 335 l'uso di questa struttura.
 336
 337
 338 \subsection{La struttura degli indirizzi IPv4}
 339 \label{sec:sock_sa_ipv4}
 340
 341 I socket di tipo \texttt{PF\_INET} vengono usati per la comunicazione
 342 attraverso internet; la struttura per gli indirizzi per un socket internet
 343 (IPv4) è definita come \texttt{sockaddr\_in} nell'header file
 344 \texttt{netinet/in.h} e secondo le man page ha la forma mostrata in \nfig,
 345 conforme allo standard Posix.1g.
 346
 347
 348 \begin{figure}[!htbp]
 349   \footnotesize
 350   \begin{lstlisting}{}
 351 struct sockaddr_in {
 352     sa_family_t     sin_family; /* address family: AF_INET */
 353     u_int16_t       sin_port;   /* port in network byte order */
 354     struct in_addr  sin_addr;   /* internet address */
 355 };
 356 /* Internet address. */
 357 struct in_addr {
 358     u_int32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
 359 };
 360   \end{lstlisting}
 361   \caption{La struttura degli indirizzi dei socket internet (IPv4)
 362     \texttt{sockaddr\_in}.}
 363   \label{fig:sock_sa_ipv4_struct}
 364 \end{figure}
 365
 366 L'indirizzo di un socket internet (secondo IPv4) comprende l'indirizzo
 367 internet di un'interfaccia più un numero di porta. Il protocollo IP non
 368 prevede numeri di porta, che sono utilizzati solo dai protocolli di livello
 369 superiore come TCP e UDP. Questa struttura però viene usata anche per i socket
 370 RAW che accedono direttamente al livello di IP, nel qual caso il numero della
 371 porta viene settato al numero di protocollo.
 372
 373 Il membro \texttt{sin\_family} deve essere sempre settato; \texttt{sin\_port}
 374 specifica il numero di porta (vedi \secref{sec:TCPel_port_num}; i numeri di
 375 porta sotto il 1024 sono chiamati \textsl{riservati} in quanto utilizzati da
 376 servizi standard. Soltanto processi con i privilegi di root (effective uid
 377 uguale a zero) o con la capability \texttt{CAP\_NET\_BIND\_SERVICE} possono
 378 usare la funzione \texttt{bind} su queste porte.
 379
 380 Il membro \texttt{sin\_addr} contiene l'indirizzo internet dell'altro capo
 381 della comunicazione, e viene acceduto sia come struttura (un resto di una
 382 implementazione precedente in cui questa era una union usata per accedere alle
 383 diverse classi di indirizzi) che come intero.
 384
 385 Infine è da sottolineare che sia gli indirizzi che i numeri di porta devono
 386 essere specificati in quello che viene chiamato \textit{network order}, cioè
 387 con i bit ordinati in formato \textit{big endian}, questo comporta la
 388 necessità di usare apposite funzioni di conversione per mantenere la
 389 portabilità del codice (vedi \secref{sec:sock_addr_func} per i dettagli del
 390 problema e le relative soluzioni).
 391
 392 \subsection{La struttura degli indirizzi IPv6}
 393 \label{sec:sock_sa_ipv6}
 394
 395 Essendo IPv6 una estenzione di IPv4 i socket di tipo \texttt{PF\_INET6} sono
 396 sostanzialmente identici ai precedenti; la parte in cui si trovano
 397 praticamente tutte le differenze è quella della struttura degli indirizzi. La
 398 struttura degli indirizzi è definita ancora in \texttt{netinet/in.h}.
 399
 400 \begin{figure}[!htbp]
 401   \footnotesize
 402   \begin{lstlisting}{}
 403 struct sockaddr_in6 {
 404     u_int16_t       sin6_family;   /* AF_INET6 */
 405     u_int16_t       sin6_port;     /* port number */
 406     u_int32_t       sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
 407     struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */
 408     u_int32_t       sin6_scope_id; /* Scope id (new in 2.4) */
 409 };
 410
 411 struct in6_addr {
 412     unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */
 413 };
 414   \end{lstlisting}
 415   \caption{La struttura degli indirizzi dei socket IPv6
 416     \texttt{sockaddr\_in6}.}
 417   \label{fig:sock_sa_ipv6_struct}
 418 \end{figure}
 419
 420 Il campo \texttt{sin6\_family} deve essere sempre settato ad
 421 \texttt{AF\_INET6}, il campo \texttt{sin6\_port} è analogo a quello di IPv4 e
 422 segue le stesse regole; il campo \texttt{sin6\_flowinfo} è a dua volta diviso
 423 in tre parti di cui i 24 bit inferiori indicano l'etichetta di flusso, i
 424 successivi 4 bit la priorità e gli ultimi 4 sono riservati; questi valori
 425 fanno riferimento ad alcuni campi specifici dell'header dei pacchetti IPv6
 426 (vedi \secref{sec:appA_ipv6}) ed il loro uso è sperimentale.
 427
 428 Il campo \texttt{sin6\_addr} contiene l'indirizzo a 128 bit usato da IPv6,
 429 infine il campo \texttt{sin6\_scope\_id} è un campo introdotto con il kernel
 430 2.4 per gestire alcune operazioni riguardanti il multicasting.
 431
 432 Si noti che questa struttura è più grande di una \texttt{sockaddr} generica,
 433 quindi occorre stare attenti a non avere fatto assunzioni riguardo alla
 434 possibilità di contenere i dati nelle dimensioni di quest'ultima.
 435
 436
 437 \subsection{La struttura degli indirizzi locali}
 438 \label{sec:sock_sa_local}
 439
 440 I socket di tipo \texttt{PF\_UNIX} vengono usati per una comunicazione
 441 efficiente fra processi che stanno sulla stessa macchina; essi rispetto ai
 442 precedenti possono essere anche creati in maniera anonima attraverso la
 443 funzione \texttt{socketpair}. Quando però si vuole fare riferimento esplicito
 444 ad uno di questi socket si deve usare la seguente struttura di indirizzi
 445 definita nel file di header \texttt{sys/un.h}.
 446
 447 \begin{figure}[!htbp]
 448   \footnotesize
 449   \begin{lstlisting}{}
 450 #define UNIX_PATH_MAX    108
 451 struct sockaddr_un {
 452     sa_family_t  sun_family;              /* AF_UNIX */
 453     char         sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */
 454 };
 455   \end{lstlisting}
 456   \caption{La struttura degli indirizzi dei socket locali
 457     \texttt{sockaddr\_un}.}
 458   \label{fig:sock_sa_local_struct}
 459 \end{figure}
 460
 461 In questo caso il campo \texttt{sun\_family} deve essere \texttt{AF\_UNIX},
 462 mentre il campo \texttt{sun\_path} deve specificare un indirizzo; questo ha
 463 due forme un file (di tipo socket) nel filesystem o una stringa univoca
 464 (tenuta in uno spazio di nomi astratto). Nel primo caso l'indirizzo viene
 465 specificato come una stringa (terminata da uno zero) corrispondente al
 466 pathname del file; nel secondo invece \texttt{sun\_path} inizia con uno zero
 467 vengono usati i restanti bytes come stringa (senza terminazione).
 468
 469
 470 % \subsection{Il passaggio delle strutture}
 471 % \label{sec:sock_addr_pass}
 472
 473 % Come detto nelle funzioni della API dei socket le strutture degli indirizzi
 474 % vengono sempre passate per riferimento usando un puntatore; anche la lunghezza
 475 % della struttura è passata come argomento, ma in questo caso la modalità del
 476 % passaggio dipende dalla direzione del medesimo, dal processo al kernel o
 477 % viceversa.
 478
 479 % In particolare le tre funzioni \texttt{bind}, \texttt{connect} e
 480 % \texttt{sendto} passano la struttura al kernel, in questo caso è passata
 481 % \textsl{per valore} anche la dimensione della medesima
 482
 483
 484 % Le funzioni \texttt{accept}, \texttt{recvfrom}, \texttt{getsockname} e
 485 % \texttt{getpeername} invece ricevono i valori del kernel
 486
 487
 488 \section{Le funzioni di conversione degli indirizzi}
 489 \label{sec:sock_addr_func}
 490
 491 In questa sezione tratteremo delle varie funzioni usate per manipolare gli
 492 indirizzi, limitandoci però agli indirizzi internet.
 493
 494 Come accennato gli indirizzi e i numeri di porta usati nella rete devono
 495 essere forniti in formato opportuno (il \textit{network order}). Per capire
 496 cosa significa tutto ciò occorre introdurre un concetto generale che tornerà
 497 utile anche in seguito.
 498
 499
 500 \subsection{La \textit{endianess}}
 501 \label{sec:sock_endianess}
 502
 503 La rappresentazione di un numbero binario in un computer può essere fatta in
 504 due modi, chiamati rispettivamente \textit{big endian} e \textit{little
 505   endian} a seconda di come i singoli bit vengono aggregati per formare le
 506 variabili intere (in diretta corrispondenza a come sono poi in realtà cablati
 507 sui bus interni del computer).
 508
 509 Per capire meglio il problema si consideri un intero a 16 bit scritto in una
 510 locazione di memoria posta ad un certo indirizzo. I singoli bit possono essere
 511 disposti un memoria in due modi, a partire dal più significativo o a partire
 512 dal meno significativo. Così nel primo caso si troverà il byte che contiene i
 513 bit più significativi all'indirizzo menzionato e il byte con i bit meno
 514 significativi nell'indirizzo successivo; questo ordinamento è detto
 515 \textit{little endian} dato che il dato finale è la parte ``piccola'' del
 516 numero. Il caso opposto, in cui si parte dal bit meno significativo è detto
 517 per lo stesso motivo \textit{big endian}.
 518
 519 La \textit{endianess} di un computer dipende essenzialmente dalla architettura
 520 hardware usata; intel e digital usano il little endian, motorola, ibm, sun
 521 (sostanzialmente tutti gli altri) usano il big endian. Il formato della rete è
 522 anch'esso big endian. Esistono poi anche dei processori che possono scegliere
 523 il tipo di formato all'avvio e alcuni, come il PowerPC o l'intel i860, possono
 524 pure passare da un tipo all'altro con una specifica istruzione; in ogni caso
 525 in linux l'ordinamanento è definito dall'archiettura e anche se questi
 526 cambiamenti sono possibili anche dopo che il sistema è avviato, non vengono
 527 mai eseguiti.
 528
 529 \subsection{Le funzioni per il riordinamento}
 530 \label{sec:sock_func_ord}
 531
 532 Il problema connesso all'endianess è che quando si passano dei dati da un tipo
 533 di architettura all'altra i dati vengono interpretati in maniera diversa, e ad
 534 esempio nel caso dell'intero a 16 bit ci si ritroverà con i due bytes in cui è
 535 suddiviso scambiati di posto, e ne sarà quindi invertito l'ordine di lettura
 536 per cui, per riavere il valore originale dovrenno essere rovesciati.
 537
 538 Per questo motivo si usano le seguenti funzioni di conversione (i cui
 539 prototipi sono definiti in \texttt{netinet/in.h}) che servono a tener conto
 540 automaticamente della possibile differenza fra l'ordinamento usato sul
 541 computer e quello che viene usato nelle trasmissione sulla rete; queste
 542 funzioni sono:
 543 \begin{itemize}
 544 \item \texttt{unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong)}
 545
 546   Converte l'intero a 32 bit \texttt{hostlong} dal formato della macchina a
 547   quello della rete.
 548
 549 \item \texttt{unsigned sort int htons(unsigned short int hostshort)}
 550
 551   Converte l'intero a 16 bit \texttt{hostshort} dal formato della macchina a
 552   quello della rete.
 553
 554 \item \texttt{unsigned long int ntonl(unsigned long int netlong)}
 555
 556   Converte l'intero a 32 bit \texttt{netlong} dal formato della rete a quello
 557   della macchina.
 558
 559 \item \texttt{unsigned sort int ntons(unsigned short int netshort)}
 560
 561   Converte l'intero a 16 bit \texttt{netshort} dal formato della rete a quello
 562   della macchina.
 563 \end{itemize}
 564 I nomi sono assegnati usando la lettera $n$ come mnemonico per indicare
 565 l'ordinamento usato sulla rete (da \textit{network order}) e la lettera $h$
 566 come mnemonico per l'ordinamento usato sulla macchina locale (da \textit{host
 567   order}), mentre le lettere $s$ e $l$ stanno ad indicare i tipi di dato
 568 (\texttt{long} o \texttt{short}, riportati anche dai prototipi).
 569
 570 Usando queste funzioni si ha la conversione automatica (nel caso pure la
 571 macchina sia in big endian queste funzioni sono definite come macro che non
 572 fanno nulla); esse vanno sempre utilizzate per assicurare la portabilità del
 573 codice su tutte le architetture.
 574
 575
 576 \subsection{Le funzioni \texttt{inet\_aton}, \texttt{inet\_addr} e
 577   \texttt{inet\_ntoa}}
 578 \label{sec:sock_func_ipv4}
 579
 580 Un secondo insieme di funzioni di manipolazione (i cui prototipi sono definiti
 581 in \texttt{arpa/inet.h}) serve per passare dal formato binario usato nelle
 582 strutture degli indirizzi alla rappresentazione dei numeri IP che si usa
 583 normalente.
 584
 585 Le prime tre funzioni di manipolazione riguardano la conversione degli
 586 indirizzi IPv4 da una stringa in cui il numero di IP è espresso secondo la
 587 cosiddetta notazione \textit{dotted-decimal}, (cioè nella forma
 588 \texttt{192.160.0.1}) al formato binario (direttamente in \textit{network
 589   order}) e viceversa; in questo caso si usa la lettera $a$ come mnemonico per
 590 indicare la stringa. Dette funzioni sono:
 591 \begin{itemize}
 592 \item \texttt{int inet\_aton(const char *src, struct in\_addr *dest)}
 593
 594   Converte la stringa puntata da \texttt{src} nell'indirizzo binario da
 595   memorizzare all'indirizzo puntato da \texttt{dest}, restituendo 0 in caso
 596   di successo e 1 in caso di fallimento (è espressa in questa forma in modo da
 597   poterla usare direttamente con il puntatore usato per passare la struttura
 598   degli indirizzi). Se usata con \texttt{dest} inizializzato a
 599   \texttt{NULL} effettua la validazione dell'indirizzo.
 600
 601 \item \texttt{in\_addr\_t inet\_addr(const char *strptr)}
 602
 603   Restituisce l'indirizzo a 32 bit in network order a partire dalla stringa
 604   passata come parametro, in caso di errore restituisce il valore
 605   \texttt{INADDR\_NONE} che tipicamente sono trentadue bit a uno; questo
 606   comporta che la stringa \texttt{255.255.255.255}, che pure è un indirizzo
 607   valido, non può essere usata con questa funzione; per questo motivo essa è
 608   generalmente deprecata in favore della precedente.
 609
 610 \item \texttt{char *inet\_ntoa(struct in\_addr addrptr)}
 611
 612   Converte il valore a 32 bit dell'indirizzo (espresso in network order)
 613   restituendo il puntatore alla stringa che contiene l'espressione in formato
 614   dotted decimal. Si deve tenere presente che la stringa risiede in memoria
 615   statica, per cui questa funzione non è rientrante.
 616 \end{itemize}
 617
 618
 619 \subsection{Le funzioni \texttt{inet\_pton} e \texttt{inet\_ntop}}
 620 \label{sec:sock_conv_func_gen}
 621
 622 Le tre funzioni precedenti sono limitate solo ad indirizzi IPv4, per questo
 623 motivo è preferibile usare le due nuove funzioni \texttt{inet\_pton} e
 624 \texttt{inet\_ntop} che possono convertire anche gli indirizzi IPv6 (secondo
 625 lo schema in \nfig). Anche in questo caso le lettere $n$ e $p$ sono degli
 626 mnemonici per ricordare il tipo di conversione effettuata e stanno per
 627 \textit{presentation} e \textit{numeric}.
 628
 629 \begin{figure}[htb]
 630   \centering
 631
 632   \caption{Schema della rappresentazioni utilizzate dalle funzioni di
 633     conversione \texttt{inet\_pton} e \texttt{inet\_ntop} }
 634   \label{fig:sock_inet_conv_func}
 635
 636 \end{figure}
 637
 638 Entrambe le funzioni accettano l'argomento \texttt{family} che indica il tipo
 639 di indirizzo e può essere \texttt{AF\_INET} o \texttt{AF\_INET6}. Se la
 640 famiglia indicata non è valida entrambe le funzioni ritornano un valore
 641 negativo e settano la variabile \texttt{errno} al valore
 642 \texttt{EAFNOSUPPORT}. I prototipi delle suddette funzioni sono i seguenti:
 643 \begin{itemize}
 644 \item \texttt{int inet\_pton(int family, const char *src, void *dest)}
 645
 646   Converte la stringa puntata da \texttt{src} nell'indirizzo binario da
 647   memorizzare all'indirizzo puntato da \texttt{dest}, restituendo 0 in caso di
 648   successo e 1 in caso di fallimento.
 649
 650 \item \texttt{char *inet\_ntop(int family, const void *src, char *dest,
 651     size\_t len)}
 652
 653   Converte la struttura dell'indirizzo puntata da \texttt{src} in una stringa
 654   che viene copiata nel buffer puntato dall'indirizzo \texttt{dest}; questo
 655   deve essere preallocato dall'utente e la lunghezza deve essere almeno
 656   \texttt{INET\_ADDRSTRLEN} in caso di indirizzi IPv4 e
 657   \texttt{INET6\_ADDRSTRLEN} per indirizzi IPv6; la lunghezza del buffer deve
 658   comunque venire specificata attraverso il parametro \texttt{len}.
 659
 660   La funzione restituisce un puntatore non nullo a \texttt{dest} in caso di
 661   successo e un puntatore nullo in caso di fallimento, in quest'ultimo caso
 662   viene settata la variabile \texttt{errno} con il valore \texttt{ENOSPC} in
 663   caso le dimensioni dell'indirizzo eccedano la lunghezza specificata da
 664   \texttt{len}.
 665
 666 \end{itemize}
 667
 668
 669 \section{Il comportamento delle funzioni di I/O}
 670 \label{sec:sock_io_behav}
 671
 672 Una cosa di cui non sempre si è consapevoli quando si ha a che fare con i
 673 socket è che le funzioni di input/output non sempre hanno lo stesso
 674 comportamento che avrebbero con i normali files (in particolare questo accade
 675 per i socket di tipo stream).
 676
 677 Infatti con i socket può accadere che funzioni come \texttt{read} o
 678 \texttt{write} possano restituire in input o scrivere in output un numero di
 679 bytes minore di quello richiesto. Questo è un comportamento normale e non un
 680 errore, e succede perché si eccede in lettura o scrittura il limite di buffer
 681 del kernel.
 682
 683 In questo caso tutto quello che il programma chiamante deve fare è di ripetere
 684 la lettura (o scrittura) per la quantità di bytes rimanenti (lo stesso può
 685 avvenire scrivendo più di 4096 bytes in una pipe, dato che quello è il limite
 686 di solito adottato per il buffer di trasmissione del kernel).
 687
 688 \begin{figure}[htb]
 689   \centering
 690   \footnotesize
 691   \begin{lstlisting}{}
 692 #include <unistd.h>
 693
 694 ssize_t SockRead(int fd, void *buf, size_t count)
 695 {
 696     size_t nleft;
 697     ssize_t nread;
 698
 699     nleft = count;
 700     while (nleft > 0) {             /* repeat until no left */
 701         if ( (nread = read(fd, buf, nleft)) < 0) {
 702             if (errno == EINTR) {   /* if interrupted by system call */
 703                 continue;           /* repeat the loop */
 704             } else {
 705                 return(nread);      /* otherwise exit */
 706             }
 707         } else if (nread == 0) {    /* EOF */
 708             break;                  /* break loop here */
 709         }
 710         nleft -= nread;             /* set left to read */
 711         buf +=nread;                /* set pointer */
 712     }
 713     return (count - nleft);
 714 }
 715   \end{lstlisting}
 716   \caption{Funzione \texttt{SockRead}, legge $n$ bytes da un socket }
 717   \label{fig:sock_SockRead_code}
 718 \end{figure}
 719
 720 Per questo motivo seguendo l'esempio di W. R. Stevens si sono definite due
 721 funzioni \texttt{SockRead} e \texttt{SockWrite} che eseguono la lettura da un
 722 socket tenendo conto di questa caratteristica, ed in grado di ritornare dopo
 723 avere letto o scritto esattamente il numero di bytes specificato; il sorgente
 724 è riportato in \curfig\ e \nfig\ ed è disponibile fra i sorgenti allegati alla
 725 guida nei files \texttt{SockRead.c} e \texttt{SockWrite.c}.
 726
 727 \begin{figure}[htb]
 728   \centering
 729   \footnotesize
 730   \begin{lstlisting}{}
 731 #include <unistd.h>
 732
 733 ssize_t SockWrite(int fd, const void *buf, size_t count)
 734 {
 735     size_t nleft;
 736     ssize_t nwritten;
 737
 738     nleft = count;
 739     while (nleft > 0) {             /* repeat until no left */
 740         if ( (nwritten = write(fd, buf, nleft)) < 0) {
 741             if (errno == EINTR) {   /* if interrupted by system call */
 742                 continue;           /* repeat the loop */
 743             } else {
 744                 return(nwritten);   /* otherwise exit with error */
 745             }
 746         }
 747         nleft -= nwritten;          /* set left to write */
 748         buf +=nwritten;             /* set pointer */
 749     }
 750     return (count);
 751 }
 752   \end{lstlisting}
 753   \caption{Funzione \texttt{SockWrite}, scrive $n$ bytes su un socket }
 754   \label{fig:sock_SockWrite_code}
 755 \end{figure}
 756
 757 Come si può notare le funzioni ripetono la lettura/scrittura in un loop fino
 758 all'esaurimento del numero di bytes richiesti, in caso di errore viene
 759 controllato se questo è \texttt{EINTR} (cioè un'interruzione della system call
 760 dovuta ad un segnale), nel qual caso l'accesso viene ripetuto, altrimenti
 761 l'errore viene ritornato interrompendo il loop.
 762
 763 Nel caso della lettura se il numero di bytes letti è zero significa che è
 764 arrivati alla fine del file e pertanto si ritorna senza aver concluso la
 765 lettura di tutti i bytes richiesti.
 766