La Connessione tramite socket: famiglie, tipologie e protocolli TCP/UDP

La Connessione tramite socket

Introduzione ai Socket

La
Connessione
tramite socket
Tps Prof.Alessio Palma
O
9Parleremo di

• Famiglie e
  tipologie di socket
• Modalità di
  connessione con
  TCP e UDP
• Comunicazione
  multicast

Generalità sui Socket

Generalità
· Il concetto di socket è stato sviluppato come estensione diretta del paradigma
UNIX di I/O su file, che si basa sulla sequenza di operazioni open-read-write-close:
open: operazione di apertura del file
read/write: lettura e scrittura
close: terminazione dell'utilizzo del file
Sono poi necessari indirizzo porta e protocollo
COS'E' IL SOCKET
Un socket, in informatica, è un'astrazione software, gestita dal sistema operativo, che
rappresenta un canale di comunicazione di rete tra un processo e una risorsa. Per un
programmatore, un socket è un particolare oggetto sul quale leggere e scrivere i dati
da trasmettere o ricevere.Generalità
· Il client ed il server utilizzano un protocollo di trasporto (TCP o UDP) per comunicare
. Il software di gestione del protocollo di trasporto si trova all'interno del sistema operativo
. Il software dell'applicazione si trova all'esterno del sistema operativo
· Per poter comunicare due applicazioni devono interagire con i rispettivi sistemi operativi:
come? Si utilizza un meccanismo che svolge il ruolo di ponte (interfaccia) tra sistema operativo
ed applicazione di rete: Application Programming Interface (API)Generalità
FUNZIONALITÀ' ED UTILIZZO DEL SOCKET
Il socket, nei sistemi operativi moderni, serve per poter utilizzare delle API standard, condivise
attraverso la rete. Permette l'invio e la ricezione di dati, tra host remoti o tra processi locali. Socket
locali e remoti in comunicazione, formano una coppia, composta da indirizzo e porta di client e
server. Solitamente i sistemi operativi forniscono delle API per permettere alle applicazioni di
controllare e utilizzare i socket di rete.
/ protocolli utilizzabili per l'implementazione dei socket sono:
-protocollo TCP (Transfer Control Protocol);
-protocollo UDP (User Datagram Protocol);
Entrambi questi protocolli si appoggiano sul protocollo IP (Internet Protocol).
I socket possono essere implementati con svariati linguaggi di programmazione, come C, C++ e
java.Generalità
Riepilogando:

• client e server utilizzano un protocollo di trasporto (TCP o UDP) per comunicare
• Il software di gestione del protocollo di trasporto si trova all'interno del sistema
  operativo
  . Il software dell'applicazione si trova all'esterno del sistema operativo
  · Per poter comunicare due applicazioni devono interagire con i rispettivi sistemi
  operativi: come?
• Si utilizza un meccanismo che svolge il ruolo di ponte (interfaccia) tra sistema
  operativo ed applicazione di rete: Application Programming Interface (API)
  . Ogni sistema operativo mette a disposizione nelle API i meccanismi per realizzare
  l'interfacciamento tra diversi protocolli(es.applicativi con trasporto).
  · Le socket API sono delle specifiche API di protocollo che sono disponibili in
  Windows, Solaris e Linux e permettono alle applicazioni di controllare e utilizzare i
  socket di rete.

Funzioni API e Socket

Generalità
Cosa fa un API?

• Standardizza l'interazione con il sistema operativo (SO)
  · Consente ai processi applicativi di utilizzare i protocolli di rete, definendo:
  - le funzioni consentite
  - gli argomenti per ciascuna funzione
  Client
  Server
  API
  TCP
  UDP
  IPXGeneralità
  Funzioni presenti sia in C che in Java che verranno utilizzate in seguito quando verranno
  programmati i socket:
• socket()/server socket(): crea un nuovo socket;
• close(): termina l'utilizzo di un socket;
• bind(): collega un indirizzo di rete a un socket;
• listen(): aspetta messaggi in ingresso;
• accept(): comincia a utilizzare una connessione in ingresso;
• connect(): crea una connessione con un host remoto;
• send()/write(): trasmette dati su una connessione attiva;
• recv()/read(): riceve dati da una connessione attiva.

Famiglie di Socket

Famiglie di Socket
Esistono varie famiglie di socket (domini)
Ogni famiglia riunisce i socket che utilizzano gli stessi protocolli (Protocol Family) sottostanti. Ciascuna
famiglia supporta un sottoinsieme di stili di comunicazione e possiede un proprio formato di
indirizzamento (Address Family).
Tra le famiglie di socket ricordiamo:

• Internet socket (AF_INET): è quella che utilizzeremo nelle nostre applicazioni e permette il
  trasferimento di dati tra processi posti su macchine remote connesse tramite una LAN o
  Internet;
• Unix Domain socket (AF_UNIX): permette il trasferimento di dati tra processi sulla stessa
  macchina Unix. 11
• La principale differenza fra le due famiglie di socket sta nell'indirizzo:
• AF_UNIX è praticamente il pathname valido nel file system della macchina;
• AF_INET è specificato da due valori:indirizzo IP (32 bit),che individua un unico host
  Internet;numero di porta logica (16 bit),che specifica una particolare processo dell'host.

Tipi di Socket

Tipi di socket
I socket sono fondamentalmente di tre tipi:
-datagram socket
-stream socket
-raw socket
I primi due sono utilizzati a livello applicativo mentre i raw socket sono utilizzati nello
sviluppo di protocolli quindi non verranno analizzati.

Stream Socket

Stream Socket
Con gli stream socket (SOCK_STREAM) si realizza una connessione sequenziale tipicamente
asimmetrica, affidabile e full-duplex basata su stream di byte di lunghezza variabile.
Ogni processo crea il proprio endpoint richiamando la primitiva socket() in C o creando l'oggetto
socket in Java e successivamente:

• Il server si mette in ascolto, in attesa di un collegamento, e quando gli arriva una richiesta la
  esaudisce mediante la primitiva accept() che crea un nuovo socket dedicato alla
  connessione;
• Il client si pone in coda sul socket del server e quando viene "accettato" dal server crea
  implicitamente il binding con la porta locale.
  Sequenziale:i file possono essere letti solo i sequenza dall'inizio alla fine
  Full-duplex: permette la comunicazione in entrambe le direzioni e simultaneamenteStream Socket
  Tra i due processi server e client, il server è quello che ha controllo maggiore poiché è il
  processo Server che inizialmente crea il socket:
• Più client possono comunicare attraverso lo stesso socket ma solo un server può
  essere associato a uno specifico socket del singolo client
• Inoltre il client ha bisogno di conoscere l'indirizzo del server mentre il server acquisisce
  le informazioni del client (e, quindi, anche il suo indirizzo) solo dopo che viene stabilita la
  connessione.Stream Socket
  Vediamo l'esempio di un Client che vuole
  connettersi a un Server web tramite
  protocollo Http.
• Il server accetta la richiesta e realizza "un
  canale virtuale" tra il client un nuovo
  socket dell server (indicato XX),lasciano
  quindi la porta libera per le ulteriori
  richieste da parte di altri client.
• I due processi si scambiano i dati
  (funzioni read() e write()) fino alla
  chiusura del canale di connessione, che
  viene
  effettuata
  rispettivamente
  mediante la chiamata della primitiva
  close()
  A Inizializzazione dei processi.
  Client
  IP
  socket
  1052
  Crea un socket
  Server
  IP
  coda
  socket
  80
  Crea un socket
  Lo connette alla porta 80
  Si pone in ascolto
  B Il client effettua la richiesta di collegamento.
  Client
  Server
  IP
  Richiesta
  di collegamento
  socket
  coda
  socket
  1052
  80
  C Il server accetta la richiesta e stabilisce il collegamento.
  Client
  Server
  IP
  Canale virtuale
  socket
  coda
  socket
  1052
  80
  socket
  XXStream Socket
  Il protocollo TCP è basato su questo tipo di socket.
  Nella figura a lato possiamo osservare che in un
  server TCP abbiamo due tipi di socket:
• un tipo per accettare connessioni (condiviso),
  che chiamiamo connection socket;
• un tipo per le operazioni send() e receive() (non
  condiviso), che chiamiamo data socket.
  Client 1
  Server
  Data socket
  Connection socket
  Client 2
  Data socket
  Data socket
  Se pensiamo al protocollo Http il connection socket è sulla porta 80Stream Socket
  Schema logico della connessione TCP mediante Socket
  Durante la fase di
  binding avviene il
  collegamento fra il
  socket e la porta
  Server
  s = socket ()
  Client
  bind (s)
  listen (s)
  x = socket ()
  3-way handshake
  attende
  una connessione
  new = accept (s)
  connect (x)
  attende
  una richiesta
  read (new)
  write (x)
  elabora la risposta
  canale
  read (x)
  invia la risposta
  write (new)
  >
  read (x)
  close (new)
  close (x)
  Le API del linguaggio Java differenziano i due tipi di socket e noi utilizzeremo due entry differenti:
• ServerSocket(int port): per creare una connection socket legata alla porta specificata per accettare connessioni
  da parte del server;
• Socket(InetAddress address, int port): per creare una data socket e richiede come parametro una server socket,
  cioè l'esistenza di una connessione (l'indirizzo e la porta).

Three-way Handshake

Stream Socket
Three-way Handsake
Un handshake a tre vie (Three-way handshake) è un metodo utilizzato in una rete
TCP/IP per creare una connessione tra un host/client locale e un server. Si tratta di un
metodo in tre fasi che richiede sia al client che al server di scambiare i pacchetti SYN e
ACK (riconoscimento-acknowledgment) prima dell'inizio della comunicazione dei dati.

• Un client invia un pacchetto dati SYN su una rete IP a un
  server sulla stessa rete o a una rete esterna. L'obiettivo di
  questo pacchetto è di chiedere se il server è disponibile per
  nuove connessioni.
• Il server di destinazione deve disporre di porte aperte in grado
  di accettare e avviare nuove connessioni. Quando il server
  riceve il pacchetto SYN dal nodo client, risponde e restituisce
  una ricevuta di conferma, il pacchetto ACK o SYN/ACK.
  . Il client riceve il SYN/ACK dal server e risponde con un
  pacchetto ACK.
• Al termine di questo processo, viene creata la connessione e
  l'host e il server sono in grado di comunicare.
  SYN
  SYN-ACK
  ACK
  OK

Datagram Socket

Datagram Socket
I datagram socket (SOCK_DGRAM) permette di scambiare dati senza connessione (i messaggi
contengono l'indirizzo di destinazione e provenienza) mediante il trasferimento di datagrammi. I
messaggi hanno lunghezza variabile, non è garantito ne ordine ne arrivo dei pacchetti, quindi si ha
una comunicazione inaffidabile.
Permettono quindi di inviare da un socket a più destinazioni e ricevere su un socket da più sorgenti in
generale realizzano quindi il modello "molti a molti" e sono supportate dal protocollo UDP.
Ogni processo crea il proprio endpoint richiamando la primitiva che crea il socket e
successivamente:

• il server si mette in attesa di ricevere i dati (mediante la primitiva receive() in Java e alla loro
  ricezione può inviare un risposta (mediante la primitiva send() i;
• il client invia il pacchetto di dati al server (mediante la primitiva send() in Java e può mettersi
  in attesa di una risposta con le stesse primitive che ha utilizzato il server (cioè mediante la
  primitiva receive() in Java.
  Ovviamente al termine della comunicazione il socket viene chiuso.