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 \ref{cha:IPC} i socket non sono limitati alla comunicazione fra processi che
  10 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 \ref{cha:network}), ma l'interfaccia è del tutto
  33 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 \ref{sec:sock_domain}), il tipo di socket (che
  81 definisce lo stile di comunicazione vedi \ref{sec:sock_type}) e il protocollo;
  82 in genere quest'ultimo è indicato implicitamente dal tipo di socket, per cui
  83 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} (\textit{domains}).  La scelta di un dominio equivale
 116 in sostanza alla scelta di una famiglia di protocolli. Ciascun dominio ha un
 117 suo nome simbolico che convenzionalmente inizia con \texttt{PF\_} (da
 118 \textit{Protocol Family}, 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        PF\_UNIX,PF\_LOCAL & Local communication            & unix(7)    \\
 144        PF\_INET           & IPv4 Internet protocols        & ip(7)      \\
 145        PF\_INET6          & IPv6 Internet protocols        &            \\
 146        PF\_IPX            & IPX - Novell protocols         &            \\
 147        PF\_NETLINK        & Kernel user interface device   & netlink(7) \\
 148        PF\_X25            & ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol & x25(7)     \\
 149        PF\_AX25           & Amateur radio AX.25 protocol   &            \\
 150        PF\_ATMPVC         & Access to raw ATM PVCs         &            \\
 151        PF\_APPLETALK      & Appletalk                      & ddp(7)     \\
 152        PF\_PACKET         & Low level packet interface     & packet(7)  \\
 153   \end{tabular}
 154   \caption{Famiglie di protocolli definiti in linux}
 155   \label{tab:net_pf_names}
 156 \end{table}
 157
 158 Non tutte le famiglie di protocolli sono accessibili dall'utente generico, ad
 159 esempio in generale tutti i socket di tipo \texttt{SOCK\_RAW} possono essere
 160 creati solo da processi che hanno i provilegi di root (cioè effective uid
 161 uguale a zero) o la capability \texttt{CAP\_NET\_RAW}.
 162
 163
 164 \subsection{Il tipo, o stile}
 165 \label{sec:sock_type}
 166
 167 La scelta di un dominio non comporta però la scelta dello stile di
 168 comunicazione, questo infatti viene a dipendere dal protocollo che si andrà ad
 169 utilizzare fra quelli disponibili nella famiglia scelta. Le API permettono di
 170 scegliere lo stile di comunicazione indicando il tipo di socket; linux e le
 171 glibc mettono a disposizione i seguenti tipi di socket (che il manuale della
 172 glibc chiama \textit{styles}) definiti come \texttt{int} in \texttt{socket.h}:
 173
 174 \begin{list}{}{}
 175 \item \texttt{SOCK\_STREAM} Provvede un canale di trasmissione dati
 176   bidirezionale, sequenziale e affidabile. Opera su una connessione con un
 177   altro socket. I dati vengono ricevuti e trasmessi come un flusso continuo di
 178   byte (da cui il nome \textit{stream}).
 179 \item \texttt{SOCK\_DGRAM} Viene usato per mandare pacchetti di lunghezza
 180   massima fissata (\textit{datagram}) indirizzati singolarmente, senza
 181   connessione e in maniera non affidabile. È l'opposto del precedente.
 182 \item \texttt{SOCK\_SEQPACKET} Provvede un canale di trasmissione di dati
 183   bidirezionale, sequenziale e affidabile. Opera su una connessione con un
 184   altro socket. I dati possono solo essere trasmessi e letti per pacchetti (di
 185   dimensione massima fissata).
 186 \item \texttt{SOCK\_RAW} Provvede l'accesso a basso livello ai protocolli di
 187   rete e alle varie interfacce. I normali programmi di comunicazione non
 188   devono usarlo.
 189 \item \texttt{SOCK\_RDM} Provvede un canale di trasmissione di pacchetti
 190   affidabile ma in cui non è garantito l'ordine di arrivo dei pacchetti.
 191 \item \texttt{SOCK\_PACKET} Obsoleto, non deve essere usato.
 192 \end{list}
 193
 194 Si tenga presente che non tutte le combinazioni di famiglia di protocolli e
 195 tipo di socket sono valide, in quanto non è detto che nella famiglia esista un
 196 protocollo per tutti gli stili di comunicazione indicati qui sopra. Una
 197 tabella che mostra le combinazioni valide è la seguente:
 198
 199 \begin{table}[htb]
 200   \footnotesize
 201   \centering
 202   \begin{tabular}{l|c|c|c|c|c|}
 203    \multicolumn{1}{c}{} &\multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_STREAM}}&
 204      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_DGRAM}} &
 205      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_RAW}} &
 206      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_PACKET}}&
 207      \multicolumn{1}{c}{\texttt{SOCK\_SEQPACKET}} \\
 208      \cline{2-6}
 209     \texttt{PF\_UNIX}      &  si & si  &      &     &     \\
 210      \cline{2-6}
 211     \texttt{PF\_INET}      & TCP & UDP & IPv4 &     &     \\
 212      \cline{2-6}
 213     \texttt{PF\_INET6}     & TCP & UDP & IPv6 &     &     \\
 214      \cline{2-6}
 215     \texttt{PF\_IPX}       &     &     &      &     &     \\
 216      \cline{2-6}
 217     \texttt{PF\_NETLINK}   &     &  si &  si  &     &     \\
 218      \cline{2-6}
 219     \texttt{PF\_X25}       &     &     &      &     &  si \\
 220      \cline{2-6}
 221     \texttt{PF\_AX25}      &     &     &      &     &     \\
 222      \cline{2-6}
 223     \texttt{PF\_ATMPVC}    &     &     &      &     &     \\
 224      \cline{2-6}
 225     \texttt{PF\_APPLETALK} &     & si  &  si  &     &     \\
 226      \cline{2-6}
 227     \texttt{PF\_PACKET}    &     & si  & si   &     &     \\
 228      \cline{2-6}
 229   \end{tabular}
 230   \caption{Combinazioni valide di dominio e tipo di protocollo per la funzione \texttt{socket}.}
 231   \label{tab:sock_sock_valid_combinations}
 232 \end{table}
 233
 234 Dove per ogni combinazione valida si è indicato il tipo di protocollo, o la
 235 parola \textsl{si} qualora non il protocollo non abbia un nome definito,
 236 mentre si sono lasciate vuote le caselle per le combinazioni non supportate.
 237
 238 \section{Le strutture degli indirizzi dei socket}
 239 \label{sec:sock_sockaddr}
 240
 241 Come si è visto nella creazione di un socket non si specifica nulla oltre al
 242 tipo di famiglia di protocolli che si vuole utilizzare, in particolare nessun
 243 indirizzo che identifichi i due capi della comunicazione. La funzione infatti
 244 si limita ad allocare nel kernel quanto necessario per poter poi realizzare la
 245 comunicazione.
 246
 247 Gli indirizzi vengono specificati attraverso apposite strutture che vengono
 248 utilizzate dalle altre funzioni della API dei socket quando la comunicazione
 249 viene effettivamente realizzata.
 250
 251 Ogni famiglia di protocolli ha ovviamente una sua forma di indirizzamento e in
 252 corrispondenza a questa una sua peculiare struttura degli indirizzi; i nomi di
 253 tutte queste strutture iniziano per \texttt{sockaddr\_}, quelli propri di
 254 ciascuna famiglia vengono identificati dal suffisso finale, aggiunto al nome
 255 precedente.
 256
 257 \subsection{La struttura generica}
 258 \label{sec:sock_sa_gen}
 259
 260 Le strutture degli indirizzi vengono sempre passate alle varie funzioni
 261 attraverso puntatori (cioè \textit{by reference}), ma le funzioni devono poter
 262 maneggiare puntatori a strutture relative a tutti gli indirizzi possibili
 263 nelle varie famiglie di protocolli; questo pone il problema di come passare
 264 questi puntatori, il C ANSI risolve questo problema coi i puntatori generici
 265 (i \texttt{void *}), ma l'interfaccia dei socket è antecendente alla
 266 definizione dello standard ANSI, e per questo nel 1982 fu scelto di definire
 267 una struttura generica \texttt{sockaddr} per gli indirizzi dei socket mostrata
 268 in \nfig:
 269
 270 \begin{figure}[!htbp]
 271   \footnotesize
 272   \begin{lstlisting}{}
 273 struct sockaddr {
 274     sa_family_t  sa_family;     /* address family: AF_xxx */
 275     char         sa_data[14];   /* address (protocol-specific) */
 276 };
 277   \end{lstlisting}
 278   \caption{La struttura generica degli indirizzi dei socket \texttt{sockaddr}}
 279   \label{fig:sock_sa_gen_struct}
 280 \end{figure}
 281
 282 Tutte le funzioni dei socket che usano gli indirizzi sono definite usando nel
 283 prototipo un puntatore a questa struttura; per questo motivo quando si
 284 invocano dette funzioni passando l'indirizzo di un protocollo specifico
 285 occorrerà eseguire un casting del relativo puntatore.
 286
 287 I tipi di dati che compongono la struttura sono stabiliti dallo standard
 288 Posix.1g, riassunti in \ntab\ con i rispettivi file di include in cui sono
 289 definiti; la struttura è invece definita nell'include file
 290 \texttt{sys/socket.h}
 291
 292 \begin{table}[!htbp]
 293   \centering
 294   \begin{tabular}{|l|l|l|}
 295     \hline
 296     \multicolumn{1}{|c|}{Tipo}& \multicolumn{1}{|c|}{Descrizione}&
 297     \multicolumn{1}{|c|}{Header} \\
 298     \hline
 299     \hline
 300     \texttt{int8\_t}   & intero a 8 bit con segno   & \texttt{sys/types.h}\\
 301     \texttt{uint8\_t}  & intero a 8 bit senza segno & \texttt{sys/types.h}\\
 302     \texttt{int16\_t}  & intero a 16 bit con segno  & \texttt{sys/types.h}\\
 303     \texttt{uint16\_t} & intero a 16 bit senza segno& \texttt{sys/types.h}\\
 304     \texttt{int32\_t}  & intero a 32 bit con segno  & \texttt{sys/types.h}\\
 305     \texttt{uint32\_t} & intero a 32 bit senza segno& \texttt{sys/types.h}\\
 306     \hline
 307     \texttt{sa\_family\_t} & famiglia degli indirizzi& \texttt{sys/socket.h}\\
 308     \texttt{socklen\_t} & lunghezza (\texttt{uint32\_t}) dell'indirizzo di
 309     un socket& \texttt{sys/socket.h}\\
 310     \hline
 311     \texttt{in\_addr\_t} & indirizzo IPv4 (\texttt{uint32\_t}) &
 312     \texttt{netinet/in.h}\\
 313     \texttt{in\_port\_t} & porta TCP o UDP (\texttt{uint16\_t})&
 314     \texttt{netinet/in.h}\\
 315     \hline
 316   \end{tabular}
 317   \caption{Tipi di dati usati nelle strutture degli indirizzi, secondo quanto
 318     stabilito dallo standard Posix.1g}
 319   \label{tab:sock_data_types}
 320 \end{table}
 321
 322 In alcuni sistemi (per BSD a partire da 4.3BSD-reno) la struttura è
 323 leggermente diversa e prevede un primo membro aggiuntivo \texttt{uint8\_t
 324   sin\_len} (come riportato da R. Stevens nei suoi libri). Questo campo non
 325 verrebbe usato direttamente dal programmatore e non è richiesto dallo standard
 326 Posix.1g, in Linux pertanto non sussiste. Il campo \texttt{sa\_family\_t} era
 327 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; i numeri di porta sotto il 1024 sono chiamati
 375 \textsl{riservati} in quanto utilizzati da servizi standard. Soltanto processi
 376 con i privilegi di root (effective uid uguale a zero) o con la capability
 377 \texttt{CAP\_NET\_BIND\_SERVICE} possono usare la funzione \texttt{bind} su
 378 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 \ref{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 \ref{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 riferiemento ad uno di
 444 questi socket si deve usare la seguente struttura di indirizzi definita nel
 445 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 qinvece \texttt{sun\_path} inizia con uno zero
 467 vegono 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 Come accennato gli indirizzi internet e i numeri di porta usati nella rete
 492 devono essere forniti in formato big endian. In genere la rappresentazione di
 493 un numbero binario in un computer può essere fatta in due modi, chiamati
 494 rispettivamente \textit{big endian} e \textit{little endian} a seconda di come
 495 i singoli bit vengono aggregati per formare le variabili intere (in diretta
 496 corrispondenza a come sono poi in realtà cablati sui bus interni del
 497 computer).
 498
 499 Per capire meglio il problema si consideri un intero a 16 bit scritto in una
 500 locazione di memoria posta ad un certo indirizzo. I singoli bit possono essere
 501 disposti un memoria in due modi, a partire dal più significativo o a partire
 502 dal meno significativo. Così nel primo caso si troverà il byte che contiene i
 503 bit più significativi all'indirizzo menzionato e il byte con i bit meno
 504 significativi nell'indirizzo successivo; questo ordinamento è detto little
 505 endian dato che il dato finale è la parte ``piccola'' del numero. Il caso
 506 opposto, in cui si parte dal bit meno significativo è detto per lo stesso
 507 motivo big endian.
 508
 509 La \textit{endianess} di un computer dipende essenzialmente dalla architettura
 510 hardware usata; intel e digital usano il little endian, motorola, ibm, sun
 511 (sostanzialmente tutti gli altri) usano il big endian. Il formato della rete è
 512 anch'esso big endian. Esistono poi anche dei processori che possono scegliere
 513 il tipo di formato all'avvio e alcuni, come il PowerPC o l'intel i860, possono
 514 pure passare da un tipo all'altro con una specifica istruzione; in ogni caso
 515 in linux l'ordinamanento è definito dall'archiettura e anche se questi
 516 cambiamenti sono possibili anche dopo che il sistema è avviato, non vengono
 517 mai eseguiti.
 518
 519 Il problema connesso all'endianess è che quando si passano dei dati da un tipo
 520 di architettura all'altra; in questo caso infatti nel passaggio i dati vengono
 521 interpretati in maniera diversa, e nel caso dell'esempio dell'intero a 16 bit
 522 ci si ritroverà con i due bytes componenti scambiati di posto, mentre in
 523 generale ne sarà invertito l'ordine di lettura e andranno perciò rovesciati.
 524
 525 Per questo motivo si usano le seguenti funzioni di conversione (i cui
 526 prototipi sono definiti in \texttt{netinet/in.h}) che servono a tener conto
 527 automaticamente della possibile differenza fra l'ordinamento usato sul
 528 computer e quello che viene usato nelle trasmissione sulla rete:
 529 \begin{itemize}
 530 \item \texttt{unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong)}
 531
 532   Converte l'intero a 32 bit \texttt{hostlong} dal formato della macchina a
 533   quello della rete.
 534
 535 \item \texttt{unsigned sort int htons(unsigned short int hostshort)}
 536
 537   Converte l'intero a 16 bit \texttt{hostshort} dal formato della macchina a
 538   quello della rete.
 539
 540 \item \texttt{unsigned long int ntonl(unsigned long int netlong)}
 541
 542   Converte l'intero a 32 bit \texttt{netlong} dal formato della rete a quello
 543   della macchina.
 544
 545 \item \texttt{unsigned sort int ntons(unsigned short int netshort)}
 546
 547   Converte l'intero a 16 bit \texttt{netshort} dal formato della rete a quello
 548   della macchina.
 549 \end{itemize}
 550 I nomi sono assegnati usando la lettera $n$ come mnemonico per indicare
 551 l'ordinamento usato sulla rete (da \textit{network order}) e la lettera $h$
 552 come mnemonico per l'ordinamento usato sulla macchina locale (da \textit{host
 553   order}), mentre le lettere $s$ e $l$ stanno ad indicare i tipi di dato
 554 (\texttt{long} o \texttt{short}, riportati anche dai prototipi).
 555
 556 Usando queste funzioni si ha la conversione automatica (nel caso pure la
 557 macchina sia in big endian queste funzioni sono definite come macro che non
 558 fanno nulla); esse vanno sempre utilizzate per assicurare la portabilità del
 559 codice su tutte le architetture.
 560
 561
 562 Un secondo insieme di funzioni di manipolazione (i cui prototipi sono definiti
 563 in \texttt{arpa/inet.h}) serve per passare dal formato binario usato nelle
 564 strutture degli indirizzi alla rappresentazione dei numeri IP che si usa
 565 normalente.
 566
 567 Le prime tre funzioni di manipolazione riguardano la conversione degli
 568 indirizzi IPv4 da una stringa in cui il numero di IP è espresso secondo la
 569 cosiddetta notazione \textit{dotted-decimal}, (cioè nella forma
 570 \texttt{192.160.0.1}) al formato binario (direttamente in \textit{network
 571   order}) e viceversa; in questo caso si usa la lettera $a$ come mnemonico per
 572 indicare la stringa. Dette funzioni sono:
 573 \begin{itemize}
 574 \item \texttt{int inet\_aton(const char *src, struct in\_addr *dest)}
 575
 576   Converte la stringa puntata da \texttt{src} nell'indirizzo binario da
 577   memorizzare all'indirizzo puntato da \texttt{dest}, restituendo 0 in caso
 578   di successo e 1 in caso di fallimento (è espressa in questa forma in modo da
 579   poterla usare direttamente con il puntatore usato per passare la struttura
 580   degli indirizzi). Se usata con \texttt{dest} inizializzato a
 581   \texttt{NULL} effettua la validazione dell'indirizzo.
 582
 583 \item \texttt{in\_addr\_t inet\_addr(const char *strptr)}
 584
 585   Restituisce l'indirizzo a 32 bit in network order a partire dalla stringa
 586   passata come parametro, in caso di errore restituisce il valore
 587   \texttt{INADDR\_NONE} che tipicamente sono trentadue bit a uno; questo
 588   comporta che la stringa \texttt{255.255.255.255}, che pure è un indirizzo
 589   valido, non può essere usata con questa funzione; per questo motivo essa è
 590   generalmente deprecata in favore della precedente.
 591
 592 \item \texttt{char *inet\_ntop(struct in\_addr addrptr)}
 593
 594   Converte il valore a 32 bit dell'indirizzo (espresso in network order)
 595   restituendo il puntatore alla stringa che contiene l'espressione in formato
 596   dotted decimal. Si deve tenere presente che la stringa risiede in memoria
 597   statica, per cui questa funzione non è rientrante.
 598 \end{itemize}
 599
 600 Le tre funzioni precedenti sono però limitate solo ad IPv4, per questo motivo
 601 è preferibile usare le due nuove funzioni \texttt{inet\_pton} e
 602 \texttt{inet\_ntop} che possono convertire anche gli indirizzi IPv6 (secondo
 603 lo schema in \nfig). Anche in questo caso le lettere $n$ e $p$ sono gli
 604 mnemonici per ricordare il tipo di conversione effettuata e stanno per
 605 \textit{presentation} e \textit{numeric}.
 606
 607 \begin{figure}[htb]
 608   \centering
 609
 610   \caption{Schema della rappresentazioni utilizzate dalle funzioni di
 611     conversione \texttt{inet\_pton} e \texttt{inet\_ntop} }
 612   \label{fig:sock_inet_conv_func}
 613
 614 \end{figure}
 615
 616 Entrambe le funzioni accettano l'argomento \texttt{family} che indica il tipo
 617 di indirizzo e può essere \texttt{AF\_INET} o \texttt{AF\_INET6}. Se la
 618 famiglia indicata non è valida entrambe le funzioni ritornano un valore
 619 negativo e settano la variabile \texttt{errno} al valore
 620 \texttt{EAFNOSUPPORT}. I prototipi delle suddette funzioni sono i seguenti:
 621 \begin{itemize}
 622 \item \texttt{int inet\_pton(int family, const char *src, void *dest)}
 623
 624   Converte la stringa puntata da \texttt{src} nell'indirizzo binario da
 625   memorizzare all'indirizzo puntato da \texttt{dest}, restituendo 0 in caso di
 626   successo e 1 in caso di fallimento.
 627
 628 \item \texttt{char *inet\_ntop(int family, const void *src, char *dest,
 629     size\_t len)}
 630
 631   Converte la struttura dell'indirizzo puntata da \texttt{src} in una stringa
 632   che viene copiata nel buffer puntato dall'indirizzo \texttt{dest}; questo
 633   deve essere preallocato dall'utente e la lunghezza deve essere almeno
 634   \texttt{INET\_ADDRSTRLEN} in caso di indirizzi IPv4 e
 635   \texttt{INET6\_ADDRSTRLEN} per indirizzi IPv6; la lunghezza del buffer deve
 636   comunque venire specificata attraverso il parametro \texttt{len}.
 637
 638   La funzione restituisce un puntatore non nullo a \texttt{dest} in caso di
 639   successo e un puntatore nullo in caso di fallimento, in quest'ultimo caso
 640   viene settata la variabile \texttt{errno} con il valore \texttt{ENOSPC} in
 641   caso le dimensioni dell'indirizzo eccedano la lunghezza specificata da
 642   \texttt{len}.
 643
 644 \end{itemize}
 645
 646
 647 \section{Il comportamento delle funzioni di I/O}
 648 \label{sec:sock_io_behav}
 649
 650 Una cosa di cui non sempre si è consapevoli quando si ha a che fare con i
 651 socket è che le funzioni di input/output non sempre hanno lo stesso
 652 comportamento che avrebbero con i normali files (in particolare questo accade
 653 per i socket di tipo stream).
 654
 655 Infatti con i socket può accadere che funzioni come \texttt{read} o
 656 \texttt{write} possano restituire in input o scrivere in output un numero di
 657 bytes minore di quello richiesto. Questo è un comportamento normale e non un
 658 errore, e succede perché si eccede il limite di buffer del kernel. In questo
 659 caso tutto quello che il programma chiamante deve fare è di ripetere la
 660 lettura (o scrittura) per la quantità di bytes rimanenti (lo stesso può
 661 avvenire scrivendo più di 4096 bytes in una pipe, dato che quello è il limite
 662 di solito adottato per il buffer di trasmissione del kernel).
 663
 664 \begin{figure}[htb]
 665   \centering
 666   \footnotesize
 667   \begin{lstlisting}{}
 668 #include <unistd.h>
 669
 670 ssize_t SockRead(int fd, void *buf, size_t count)
 671 {
 672     size_t nleft;
 673     ssize_t nread;
 674
 675     nleft = count;
 676     while (nleft > 0) {             /* repeat until no left */
 677         if ( (nread = read(fd, buf, nleft)) < 0) {
 678             if (errno == EINTR) {   /* if interrupted by system call */
 679                 continue;           /* repeat the loop */
 680             } else {
 681                 return(nread);      /* otherwise exit */
 682             }
 683         } else if (nread == 0) {    /* EOF */
 684             break;                  /* break loop here */
 685         }
 686         nleft -= nread;             /* set left to read */
 687         buf +=nread;                /* set pointer */
 688     }
 689     return (count - nleft);
 690 }
 691   \end{lstlisting}
 692   \caption{Funzione \texttt{SockRead}, legge $n$ bytes da un socket }
 693   \label{fig:sock_SockRead_code}
 694 \end{figure}
 695
 696 Per questo motivo seguendo l'esempio di W. R. Stevens si sono definite due
 697 funzioni \texttt{SockRead} e \texttt{SockWrite} che eseguono la lettura da un
 698 socket tenendo conto di questa caratteristica, ed in grado di ritornare dopo
 699 avere letto o scritto esattamente il numero di bytes specificato; il sorgente
 700 è riportato in \curfig\ e \nfig\ ed è disponibile fra i sorgenti allegati alla
 701 guida nei files \texttt{SockRead.c} e \texttt{SockWrite.c}.
 702
 703 \begin{figure}[htb]
 704   \centering
 705   \footnotesize
 706   \begin{lstlisting}{}
 707 #include <unistd.h>
 708
 709 ssize_t SockWrite(int fd, const void *buf, size_t count)
 710 {
 711     size_t nleft;
 712     ssize_t nwritten;
 713
 714     nleft = count;
 715     while (nleft > 0) {             /* repeat until no left */
 716         if ( (nwritten = write(fd, buf, nleft)) < 0) {
 717             if (errno == EINTR) {   /* if interrupted by system call */
 718                 continue;           /* repeat the loop */
 719             } else {
 720                 return(nwritten);   /* otherwise exit with error */
 721             }
 722         }
 723         nleft -= nwritten;          /* set left to write */
 724         buf +=nwritten;             /* set pointer */
 725     }
 726     return (count);
 727 }
 728   \end{lstlisting}
 729   \caption{Funzione \texttt{SockWrite}, scrive $n$ bytes su un socket }
 730   \label{fig:sock_SockWrite_code}
 731 \end{figure}
 732
 733 Come si può notare le funzioni ripetono la lettura/scrittura in un loop fino
 734 all'esaurimento del numero di bytes richiesti, in caso di errore viene
 735 controllato se questo è \texttt{EINTR} (cioè un'interruzione della system call
 736 dovuta ad un segnale), nel qual caso l'accesso viene ripetuto, altrimenti
 737 l'errore viene ritornato interrompendo il loop.
 738
 739 Nel caso della lettura se il numero di bytes letti è zero significa che è
 740 arrivati alla fine del file e pertanto si ritorna senza aver concluso la
 741 lettura di tutti i bytes richiesti.
 742