Programarea în reţea (partea I)

Dr. Sabin-Corneliu Buraga – www.infoiasi.ro/~busaco/

Retele de calculatoareProgramarea in retea I

SabinCorneliu Buraga

http://www.infoiasi.ro/~busaco


“If at first you don’t succeed,you must be a programmer.”/usr/games/fortune


Cuprins

• Modelul client/server• API pentru programarea in retea• Socket‐uri BSD• Modelul client/server TCP


Modelul client/server

Paradigme ale comunicarii in retea:

modelul client/server

apelul procedurilor la distanta (RPC)

comunicarea punct‐la‐punct (peertopeer – P2P)


Modelul client/server

• Proces server– Ofera servicii obtinute prin retea– Accepta (iterativ sau concurent) cereri de la un proces client, realizeaza un anumit serviciusi returneaza rezultatul

• Proces client– Initializeaza comunicarea cu serverul– Solicita un serviciu, apoi asteapta raspunsul serverului


Modelul client/serverClient

ProcessClient

ProcessProcessServer

TerminalServer

PrinterServer

FileServer

MemoryServer

Servicii nucleu (kernel)

ClientProcess

ClientProcess

ProcessServer

TerminalServer

PrinterServer

FileServer

MemoryServer

Kernel Kernel Kernel Kernel Kernel Kernel Kernel

O singura masina

Masini multiple (conectate la retea)


Modelul client/server• Moduri de interactiune (via canale de comunicatie):

orientat‐conexiune – se foloseste TCPneorientat‐conexiune – se utilizeaza UDP

• Implementare:iterativa – fiecare cerere e tratata pe rind, secventialconcurenta – cererile sint procesate concurent

Procese copil pentru fiecare cerere de procesatMultiplexarea conexiuniiTehnici combinate


API retea• Necesitatea existentei unui API pentru realizarea de aplicatii in retea– Interfata generica pentru programare– Suport pentru comunicatii orientate‐conexiune siprin mesaje

– Compatibilitate cu serviciile I/O comune– Independenta de hardware si de sistem de operare– Suport pentru familii (suite) de protocoale multiple– Independenta in reprezentarea adreselor– Oferirea de servicii speciale pentru aplicatii


API retea• TCP/IP nu include definirea unui API• Se pot utiliza mai multe API‐uri pentru programarea aplicatiilor Internet (TCP/IP)– Socket‐uri BSD (Berkeley System Distribution)– TLI (Transport Layer Interface) – AT&T, XTI– Winsock– MacTCP

• Functii oferite: specificare de puncte terminale locale si la distanta, initiere si acceptare de conexiuni, trimitere si receptare de date, terminare conexiune, tratare erori


Cuprins

• Interfata de programarea aplicatiilor (API) bazata pe socket‐uri BSD– Caracterizare– Creare– Primitive


Socket• Socket‐uri BSD (Berkeley System Distribution)• Facilitate generala, independenta de hardware, protocol si tipul de transmitere, pentru comunicarea intre proceseaflate pe masini diferite, in retea

• Suporta pentru familii multiple de protocoale– Protocolul domeniului UNIX pentru comunicatii(locale) intre masini UNIX (e.g., uucp)

– Protocolul domeniului Internet folosind TCP/IP– Altele: XNS Xerox, ISO/OSI,…

• Independenta in reprezentarea adreselor


Socket• Abstractiune a unui punct terminal (endpoint) la nivelul transport

• Utilizeaza interfata de programareI/O existenta(similar fisierelor, pipe‐urilor, FIFO‐urilor etc.)

• Poate fi asociat cu unul/mai multe procese, existind in cadrul unui domeniu de comunicatie

• Ofera un API pentru programarea in retea, avind implementari multiple


Socket

Similar unui descriptor de fisier

Diferente apar la creare si la diferite operatiunide control al socket‐urilor


Socket | primitive de baza

socket() creeaza un nou punct terminal al conexiuniibind() ataseaza o adresa locala la un socketlisten() permite unui socket sa accepte conexiuniaccept() blocheaza apelantul pina la sosireaunei cereri de conectare (utilizata de serverul TCP)

connect() tentativa (activa) de stabilire a conexiunii(folosita de clientul TCP)

send()/receive() trimitere/receptare de date via socketclose() elibereaza conexiunea (inchide un socket)shutdown() inchide directional un socket


Socket

• Alte apeluri– citire de dateread() / readv() / recvfrom() / recvmsg()

– trimitere de datewrite() / writev() / sendto() / sendmsg()

– multiplexare I/Oselect()

– administrarea conexiuniifnctl() / ioctl() / setsockopt() / getsockopt()getsockname() / getpeername()


Socket‐uri|tabela de descriptori

Tabela de descriptori

0

1

2

3

4

Family: AF_INETService: SOCK_STREAMLocal IP: 193.231.30.197Local Port: 80Remote IP: 19.132.6.78Remote Port: 3726


Socket‐uri|creare• Apelul de sistem (primitiva) socket()#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>

int socket (int domain, int type, int protocol)

Domeniul de comunicare: AF_UNIX, AF_INET,

AF_ROUTE

Protocolul utilizatpentru transmitere

(uzual: 0 pentru niv. transp.)

Modalitatea de realizare a comunicarii: SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, SOCK_RAW


Socket‐uri|creare• Valoarea de retur– Succes: descriptorul de socket creat– Eroare: –1

• Raportarea erorii se realizeaza via errno– EMFILE – ENFILE– EACCES– EPROTONOSUPPORT– ENOMEM– ENOBUFFERS– EINVAL

Constantedefinite in errno.h


Socket‐uri

• Domeniul & tipul unui socket si protocoalele folosite

AF_LOCAL ≡ AF_UNIX(din motive istorice)

AF_INET AF_INET6 AF_LOCAL AF_ROUTE SOCK_STREAM TCP TCP Da SOCK_DGRAM UDP UDP Da

SOCK_RAW IP IPv6 Da


Socket‐uri• Observatii

– Primitiva socket() aloca resursele necesareunui punct terminal de comunicare, dar nu stabileste modul de adresare

– Socket‐urile ofera un mod generic de adresare– Pentru TCP/IP trebuie specificate (adresa IP, port)– Alte suite de protocoale pot folosialte scheme de adresare

• Tipuri POSIX: int8_t, uint8_t, int16_t, uint16_t, int32_t, uint32_t, u_char, u_short, u_int, u_long


Socket‐uri• Tipuri POSIX folosite de socket‐uri:

– sa_family_t – familia de adrese – socklen_t – lungimea structurii de memorare – in_addr_t – adresa IP (v4) – in_port_t – numarul de port

• Specificarea adreselor genericestruct sockaddr {

uint8_t sa_len;sa_family_t sa_family; char sa_data[14];

};

Tipul de adresa

Valoarea adresei

Utiliz. de

nucleu


Socket‐uri

• Tipul sockaddr permite oricare tip de adresare• Exemplu: folosirea socket‐urilorpentru comunicarea dintre studenti– Tipul de adresa: AF_STUDENTS– Valori de adrese: Zaq⇔ 1, Moko⇔ 2, Tux ⇔ 3,…

– Initializarea structurii AF_STUDENTSpentru a indica un anumit student: struct sockaddr un_stud;un_stud.sa_family = AF_STUDENTS;un_stud.sa_data[0] = 3;

Tux


Socket‐uri• Pentru AF_INET vom avea nevoie de 16 biti – numarul de port si de 32 biti – adresa IPv4

• Se foloseste o structura speciala: sockaddr_instruct sockaddr_in {

uint8_t sin_len;sa_family_t sin_family;in_port_t sin_port;struct in_addr sin_addr; char sin_zero[8];

};struct in_addr {

in_addr_t s_addr;};


Socket‐uri

sin_lensa_lensa_family

sa_data

AF_INETsin_port

sin_addr

sin_zero

sockaddr sockaddr_in


Socket‐uri• Toate valorile stocate in sockaddr_in vor respectaordinea de codificare a retelei (network byte order)sin_port un numar de port TCP/IPsin_addr o adresa IP

• ‘h’ : host byte order ‘n’ : network byte order• ‘s’ : short (16 biti) ‘l’ : long (32 biti)

uint16_t htons(uint16_t);uint16_t ntohs(uint_16_t);

uint32_t htonl(uint32_t);uint32_t ntohl(uint32_t);


Socket‐uri• Pentru IPv6, se foloseste sockaddr_in6struct sockaddr_in {u_int16_t sin6_family; /* AF_INET6 */u_int16_t sin6_port;u_int32_t sin6_flowinfo;u_int32_t sin6_scope_id;struct in6_addr sin6_addr; };

struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16];

};


Socket‐uri|asignarea unei adrese• Asignarea unei adrese la un socket existent se realizeaza cu bind()

int bind ( int sockfd, const struct sockaddr *myaddr,int addrlen );

• Se returneaza: 0 succes, –1 eroare variabila errno contine eroarea efectiva: EBADF, ENOTSOCK, EADDRINUSE, EINVAL, EACCESS

const!


Socket‐uri|asignarea unei adrese• Exemplu:

#define PORT 7000int sd, eroare;struct sockaddr_in adresa;

sd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0); /* TCP */adresa.sin_family = AF_INET; /* umplerea structurii */adresa.sin_port = htons (PORT); /* portul */adresa.sin_addr = htonl (adresaIP); /* adresa IP */

eroare = bind (sd, (sockaddr *) &adresa, sizeof (adresa));


Socket‐uri|asignarea unei adrese• Utilizari ale lui bind()

– Serverul doreste sa ataseze un socket la un port pre‐stabilit (pentru a oferi servicii via acel port)

– Clientul vrea sa ataseze un socket la un port specificat– Clientul cere sistemului de operare sa asignezeorice port disponibil

• In mod normal, clientul nu necesita atasareala un port specificat

• Alegerea oricarui port liber: adresa.port = htons (0);


Socket‐uri|asignarea unei adrese

• Alegerea adresei IP la bind()– Daca gazda are asignate mai multe adrese IP?– Cum se rezolva independenta de platforma?

• Pentru a atasa un socket la adresa IP locala, se va utilizain locul unei adrese IP constanta INADDR_ANY



• Conversia adreselor IP:int inet_aton ( void *, struct in_addr *);ASCII “x.x.x.x” ⇒ reprezentare interna pe 32 biti

char *inet_ntoa ( struct in_addr );reprezentare 32 biti (network byte order) ⇒ ASCII “x.x.x.x”

vezi si functia inet_addr()



• Observatii:– Pentru IPv6 in locul constantei INADDR_ANYse va folosi – vezi antetul netinet/in.h:serv.sin6.addr = in6addr_any;

– Functiile de conversie pentru IPv6 sunt:inet_pton()inet_ntop()


Socket‐uri|listen()• Stabilirea modului pasiv de interactiune

– Adresa intotdeauna este cunoscuta– Nucleul sistemului va trebui sa accepte cereride conectare directionate la adresa la care este atasat socket‐ul3way handshake

– Conexiunile multiple receptionatevor fi plasate intr‐o coada de asteptare

– Se returneaza 0 = succes, –1 = eroare

int listen ( int sockfd, int backlog );

Socket TCP atasat unei adrese

Numarul de conex. din coada de astept.


Socket‐uri|listen()

• Remarci:– Alegerea valorii backlog depindede aplicatie – in mod uzual 5

– Serverele HTTP ar trebui sa specificeo valoare backlog cit mai mare (din cauza incarcarii cu cereri multiple)


Socket‐uri|accept()• Asteptarea conexiunilor din partea clientilor

– Cind aplicatia este pregatita pentru a trata o noua conexiune, va trebui sa interogam sistemul asupra unei alte conexiuni cu un client

– Se returneaza descriptorul de socket corespunzator punctului terminal al clientului sau –1 = eroare

int accept( int sockfd,struct sockaddr* cliaddr, socklen_t *addrlen );

Socket TCP (mod pasiv)

• trebuie initial sa fie egal cu lungimea structurii cliaddr• se va returna numarul de bytes folositi in cliaddr


Socket‐uri|connect()• Incercarea de a stabili o conexiune cu serverul

– Stabilirea unui punct terminal (al serverului)– Nu necesita atasarea cu bind(), sistemulde operare va asigna o adresa locala (IP, port)

– Se incearca stabilirea unei conexiuni3way handshake

int connect( int sockfd,const struct sockaddr *server,socklen_t addrlen );

Socket TCP

Contine adresa serverului (IP, port)


Socket‐uri|connect()• Returneaza:

– Valoarea 0 = succes– Valoarea –1 = eroare

• EISCONN• ETIMEDOUT• ECONNREFUSED• ENETUNREACH• EADDRINUSE• EINPROGRESS• EADDRNOTAVAIL• EAFNOSUPPORT


I/O TCP|read()• Apelul este blocant in mod normal, read() returneaza doar cind exista date disponibile

• Citirea de la un socket TCP poate returnamai putini octeti decit numarul maxim dorit

• Trebuie sa fim pregatiti sa citim cite 1 byte la un moment dat!

• Daca partenerul a inchis conexiunea si nu mai sunt date de primit, se returneaza 0 (EOF)

• Erori: EINTR – un semnal a intrerupt citirea, EIO – eroare I/O, EWOULDBLOCK – socket‐ul nu are date intr‐o citire neblocantaint read ( int sockfd, void *buf, int max );


I/O TCP|write()• Apelul este blocant in mod normal• Pentru un socket neblocant, write() poate scrie mai putin de num octeti

• Erori: – EPIPE – scriere la un socket neconectat– EWOULDBLOCK – nu se pot accepta date fara blocare, insa operatiunea este setata ca fiind neblocanta

int write ( int sockfd, void *buf, int num );


I/O TCP|exemplu#define MAXBUF 127 /* lungime buffer citire */char *cerere = “da-mi ceva”;char buf[MAXBUF]; /* buffer pentru raspuns */char *pbuf = buf; /* pointer la buffer */int n, lung = MAXBUF;

/* nr. bytes cititi, nr. bytes liberi in buffer */

/* trimitem cererea */write (sd, cerere, strlen (cerere));

/* asteaptam raspunsul */while ((n = read (sd, pbuf, lung)) > 0) {pbuf += n;lung -= n;

} Comunicarea dintre client si server


Inchiderea conexiunii|close()

• Terminarea “gratioasa” a conexiunii• Dealocarea memoriei alocate socket‐ului

– 3way handshake pentru inchiderea conexiunii– Pentru procese care partajeaza acelasi socket, se decrementeaza numarul de referinte la acel socket; cind ajunge la 0, socket‐ul este dealocat

• Probleme– Serverul nu poate termina conexiunea, nu stie daca si cind clientul nu va mai trimite si alte cereri

– Clientul nu poate sti daca datele au ajuns la server

int close ( int sockfd );


Inchiderea conexiunii|shutdown()• Inchiderea unidirectionala

– Cind un client termina de trimis cererile, poate apela shutdown() pentru a specifica faptul ca nu va mai trimite date pe socket, fara a dealoca socket‐ul

– Serverul va primi EOF si, dupa expedierea catre client a ultimului raspuns, va putea inchide conexiunea

int shutdown ( int sockfd, int dir );

• 0 nu se accepta operatii de citire (SHUT_RD)• 1 nu se accepta operatii de scriere (SHUT_WR)• 2 nu se accepta operatii I/O

inchidere in ambele sensuri (SHUT_RDWR)


Metaphor for Good RelationshipsCopyright Dr. Laura’s Network Programming Corp.

To succeed in relationships…– you need to establish your own identity.– you need to be open & accepting.– you need to establish contacts.– you need to take things as they come, not as you expect them.

– you need to handle problems as they arise.


Client/server TCP|server• Modelul unui server TCP iterativ

– Creare socket pentru tratarea conexiunilor cu clientii: socket()– Pregatirea structurilor de date (sockaddr_in) – Atasarea socket‐ului la adresa locala (port): bind()– Pregatirea socket‐ului pentru ascultarea portuluiin vederea stabilirii conexiunii cu clientii: listen()

– Asteptarea realizarii unei conexiuni cu un anumit client (deschidere pasiva): accept()

– Procesarea cererilor clientului, folosindu‐se socket‐ul returnatde accept(): succesiune de read()/write()

– Inchiderea (directionata) a conexiunii cu clientul: close(), shutdown()


Client/server TCP|client

• Modelul unui client TCP iterativ– Creare socket pentru conectarea la server: socket()– Pregatirea structurilor de date (sockaddr_in) – Atasarea socket‐ului: bind() – optional– Conectarea la server (deschidere activa): connect()– Solicitarea de servicii si receptionarea rezultatelor trimise de server: succesiune de write()/read()

– Inchiderea (directionata) a conexiunii cu serverul: close(), shutdown()



Rezumat

• Modelul client/server• API pentru programarea in retea• Socket‐uri BSD

– Caracterizare– Creare– Primitive

• Modelul client/server TCP


Intrebari?

Date post:	06-Feb-2017
Category:	Documents
Upload:	vutuyen
View:	236 times
Download:	1 times

Programarea în reţea (partea I)

Documents