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Redes Sockets-1 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Funciones de sockets en C Prácticas 4 y 5 (versión 2012-2013)

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1 Redes Sockets-1 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Funciones de sockets en C Prácticas 4 y 5 (versión )

2 Redes Sockets-2 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Protocolos de transporte de Internet Se encargan del transporte de los datos extremo a extremo (host a host). Hay dos protocolos para dos tipos de servicio: –TCP (Transmission Control Protocol): orientado a conexión. Garantiza la entrega sin pérdidas, descarte de duplicados, etc. –UDP (User Datagram Protocol) : no orientado a conexión. No garantiza la entrega, equivale en el nivel de transporte al servicio que ofrece IP en el nivel de red. En un host hay una sola instancia de TCP y una de UDP, que dan servicio a todas las aplicaciones que lo soliciten TCP y UDP se encargan de multiplexar el tráfico de los procesos a nivel de aplicación mediante los números de puertos.

3 Redes Sockets-3 Universidad de Valencia Rogelio Montañana 32 bits Especificación del protocolo de transporte VersiónLon. Cab.DS (DiffServ)Longitud Total IdentificaciónRes.DFMFDesplazam. de Fragmento Tiempo de vida (TTL)ProtocoloChecksum Dirección de origen Dirección de destino Opciones (de 0 a 40 octetos) ValorProtocolo 1ICMP 4IP 6TCP 17UDP 89OSPF Protocolos de transporte

4 Redes Sockets-4 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Relleno Flags (8 bits) Resv. (4 bits) Puntero datos urgentes Tamaño ventana Puerto de destino Opciones Checksum L. Cab. (4 bits) Número de acuse de recibo Número de secuencia Puerto de origen Flags:7º: SYN:indica el inicio de una conexión 8º: FIN:indica el final de una conexión 32 bits Puerto de origenPuerto de destino Longitud datagrama UDPChecksum (opcional) Cabeceras UDP y TCP Cabecera UDP Cabecera TCP

5 Redes Sockets-5 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Puertos y Servidores Los puertos se identifican por un número entero de 16 bits (rango de 0 a 65535) Cada paquete lleva un puerto de origen y uno de destino (como las direcciones IP) Los puertos 0 a 1023 están reservados para los servicios bien conocidos, por ejemplo: puerto 80 servicio web (HTTP) de esta forma los clientes web (o lo que sea) saben a que puerto han de dirigir sus peticiones Algunas aplicaciones usan TCP, otras UDP. Algunas usan ambos, dependiendo del tipo de operación

6 Redes Sockets-6 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Algunos servicios bien conocidos ServicioPuertoTCPUDP DayTime13XX FTP21X SSH22X TelNet23X SMTP25X Domain (DNS)53XX BOOTP67X HTTP80X POP3110X NTP123X SNMP161X HTTPS443X

7 Redes Sockets-7 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Nivel de enlace Nivel de red Nivel de transporte Nivel de aplicación Ethertype (0800)DATAGRAMA IPCRC Prot. (6)SEGMENTO TCP P. dest. (23)DATOS APLICACIÓN SMTP (Puerto 25) Telnet (Puerto 23) FTP (Puerto 21) Cabecera MAC Ethernet Cabecera IP Cabecera TCP Multiplexación Checksum HTTP (Puerto 80) HTTP (Puerto 400) Servicio no estándar Múltiples instancias (una por interfaz) Dos instancias (TCP y UDP) Múltiples instancias (una o varias por protocolo) Una instancia IP (puede haber otros protocolos)

8 Redes Sockets-8 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Puertos de Clientes A diferencia de los servidores, los clientes usan números de puerto elegidos arbitrariamente por el sistema operativo, pero siempre con valores superiores al 1023, para no coincidir con los servidores que pueda haber en ese host A los puertos elegidos por los clientes se les suele llamar puertos efímeros ya que, a diferencia de puertos de servidores, suelen tener una vida muy corta (la de la conexión) La mayoría de los sistemas operativos no utilizan para los puertos efímeros todo el rango posible ( ) sino sólo una parte

9 Redes Sockets-9 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Sockets La combinación de una dirección IP y un número de puerto identifica un punto de conexión del nivel de transporte. Es lo que llamamos un socket Ejemplo de socket: : 80 Podemos considerar el socket como la dirección completamente especificada: Av. Blasco Ibáñez 78 – 5ª puerta Dirección IPPuerto Socket Dirección IPPuerto Socket

10 Redes Sockets-10 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Conexión TCP Puerto 1038 El ordenador ejecuta el programa Explorer Socket: Conexión de un cliente a un servidor web IP IP Puerto 80 Socket (rojo = LISTEN) Servidor Web Comunicación entre dos sockets Cliente

11 Redes Sockets-11 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Práctica 4: Programa cliente TCP Se trata de hacer un programa que establezca una conexión al puerto 13 (servicio daytime) de un servidor. La dirección IP se especificará en tiempo de ejecución. Cuando la conexión se establece el servidor devuelve una cadena de caracteres que contiene la fecha y hora, y cierra la conexión El cliente debe leer la cadena recibida y mostrarla por pantalla

12 Redes Sockets-12 Universidad de Valencia Rogelio Montañana TCP Cliente TCP Servidor (daytime, puerto 13) Tiempo Quiero conectar contigo (SYN) Vale, acepto la invitación (SYN) ¡Ya estamos conectados! Conexión TCP al puerto 13 (daytime) CLOSED SYN-SENT LISTEN SYN-RECEIVED ESTABLISHED Mando datos: bytes 1-26 Bytes 1-26 recibidos OK Quiero desconectar (FIN) Vale, de acuerdo (FIN) ¡Adiós! CLOSE-WAIT LAST-ACK CLOSED FIN-WAIT-1 TIME-WAIT LISTEN 2- 4 min. Conexión Desconexión Intercambio de datos (fecha-hora)..... connect close Función

13 Redes Sockets-13 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Como ver las conexiones TCP Comando netstat: nos permite ver que conexiones TCP que tenemos activas en un momento dado (socket origen – socket destino) y el estado en que se encuentran. También nos muestra si tenemos algún puerto a la escucha (modo LISTEN) Programa wireshark: nos permite capturar los paquetes enviados y recibidos, pudiendo analizar su contenido con todo detalle, el momento en que se envían, etc.

14 Redes Sockets-14 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Comando netstat en un host C:\>netstat -n Conexiones activas Proto Dirección local Dirección remota Estado TCP : :21 ESTABLISHED TCP : :110 TIME_WAIT TCP : :110 TIME_WAIT TCP : :1056 ESTABLISHED TCP : :2312 ESTABLISHED TCP :80 *:* LISTEN C:\> IP local IP remota Puerto local Puerto remoto Servidor web a la escucha en este host Conexión de clientes con el servidor web de este host Sesión pendiente de cerrar de un cliente de correo de este host con Conexión de un cliente ftp de este host con Si no se utiliza la opción –n el programa netstat intenta convertir las direcciones IP y los puertos a nombres siempre que puede (por ejemplo pone pop3 en vez de 110)

15 Redes Sockets-15 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Diferencia entre Protocolo e Interfaz Protocolo: Reglas que rigen la comunicación entre dos procesos que se ejecutan en dos sistemas diferentes en la misma capa del modelo OSI. Para asegurar su interoperabilidad es necesario estandarizarlos. Ejemplos de protocolos: IPv4 (RFC 791), TCP (RFC 793), HTTP (RFC 2616) Interfaz: Reglas que rigen la comunicación entre dos procesos en capas consecutivas dentro del mismo sistema. Pueden no ser estándar, pero su estandarización permite la portabilidad de software entre sistemas de distinta arquitectura. Normalmente la Interfaz se especifica y estandariza mediante una API (Interfaz de Programación de Aplicaciones) que es una librería de funciones para la comunicación entre procesos. En TCP/IP las APIs más utilizadas derivan de la librería Berkeley sockets escrita en C, que apareció en el Unix BSD 4.2 en Esta API permite utilizar desde el nivel de aplicación los servicios del nivel de transporte.

16 Redes Sockets-16 Universidad de Valencia Rogelio Montañana A Protocolos e Interfaces HTTP TCP IP Cliente Servidor T E R IP F A T E R F E R F E R F Router Sockets BSD Protocolo Interfaz

17 Redes Sockets-17 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Porgrama cliente TCP (Daytime) 1: Creamos el socket (no se envía nada) 2: Conectamos con el servidor (se intercambian 6 paquetes) 3: Leemos los datos recibidos (no se envía nada) 4: Cerramos el socket (se intercambian 2 paquetes) n = socket ( PF_INET, SOCK_STREAM, 0) connect ( n, (struct sockaddr *)&s,sizeof(struct sockaddr_in)) read ( n, buffer,TAM_BUFFER) close ( n ) Indica protocolo IP Indica protocolo TCP Valor entero que identifica el socket Dir. IP y puerto a conectar El servidor acepta la conexión, devuelve la fecha/hora y cierra. Tarea: Variable donde se recogen los datos recibidos

18 Redes Sockets-18 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Estructura sockaddr_in struct in_addr { unsigned long int s_addr; }; struct sockaddr_in { int sin_family; unsigned short int sin_port; struct in_addr sin_addr; }; connect( n, (struct sockaddr *)&s,sizeof(struct sockaddr_in)) sendto ( n, NULL,0,0, (struct sockaddr *)&s, sizeof(struct sockaddr_in) struct sockaddr_in s;... s.sin_family=PF_INET; s.sin_port= htons (13); if ( inet_aton ( ,&s.sin_addr)==0) error(sock,"inet_aton"); Campos: Ejemplo de uso: Uso TCP: Uso UDP: El número de puerto se guarda en un entero corto (16 bits) La dirección IP se guarda en un entero largo (32 bits) en todas las arquitecturas Funciones de conversión

19 Redes Sockets-19 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Comentarios al programa cliente TCP El entero que devuelve la función socket no tiene nada que ver con el número de puerto del cliente y del servidor. Es un identificador de ese socket elegido por el sistema de ficheros (normalmente el 3). socket no establece ninguna conexión ni transmite ningún paquete, solo prepara el socket local para la conexión connect establece la conexión TCP. Para ello ha de indicar la dirección IP y puerto, es decir el socket remoto con el que queremos conectar. Si connect no da error podemos estar seguros de que la conexión ha funcionado. El programa elige el socket remoto (IP y pueto) pero no el local. La IP es la de la interfaz y el puerto (efímero) lo elige el sistema operativo. connect provoca el intercambio de 6 paquetes (de SYN a FIN). read no transmite nada, su efecto es puramente local. close provoca el envío del FIN por parte del cliente y la confirmación del servidor. Cierra la conexión liberando los recursos reservados en socket. Si en el mismo programa quisiéramos hacer una segunda conexión deberíamos llamar a socket de nuevo

20 Redes Sockets-20 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Práctica 4: Programa cliente UDP El cliente envía un datagrama UDP al puerto 13 del servidor. A continuación se queda bloqueado durante un tiempo (por defecto un segundo) a la espera de la respuesta Si antes de agotar el tiempo se recibe la respuesta el programa muestra por pantalla el contenido (la fecha y la hora) y termina Si no se recibe respuesta dentro del tiempo previsto el programa indica timeout y termina

21 Redes Sockets-21 Universidad de Valencia Rogelio Montañana UDP Cliente UDP Servidor (daytime, puerto 13) Tiempo Datagrama vacío Intercambio de paquetes UDP al puerto 13 LISTEN Mando datos (fecha-hora)

22 Redes Sockets-22 Universidad de Valencia Rogelio Montañana recv( n, buffer, TAM_BUFFER,0) sendto ( n, NULL,0,0, (struct sockaddr *)&s, sizeof(struct sockaddr_in) Porgrama cliente UDP (Daytime) 1: Crear el socket 2: Enviar datagrama vacío 3: Esperar respuesta 5: Cerrar el socket n = socket ( PF_INET, SOCK_DGRAM, 0) close ( n ) Indica protocolo IP Indica protocolo UDP Valor entero que identifica el socket Dir. IP y puerto de destino El servidor recibe el datagrama y devuelve la fecha/hora. Tarea: Variable donde se recogen los datos recibidos Datagrama vacío select( n +1, &conjunto,NULL,NULL, &timeout ) Conjunto de sockets de lectura Tiempo de espera 4: Leer la respuesta

23 Redes Sockets-23 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Comentarios al programa cliente UDP socket prepara el socket local, pero no manda ningún paquete ni especifica el socket remoto (dirección IP y puerto) sendto envía el datagrama UDP. En ella indicamos la dir. IP y puerto de destino, es decir el socket al que queremos enviar el paquete En ningún momento indicamos nuestro socket (el del cliente) en el programa. La IP es la nuestra y el puerto (efímero) lo elige el sistema operativo La correcta ejecución de sendto no demuestra que el paquete haya llegado a su destino, solo que ha salido. Podría no existir la IP de destino, o estar cerrado el puerto 13 en ese host y sendto terminaría sin error Con select nos ponemos a esperar la respuesta. El valor que devuelve select puede ser: –Negativo, es que se ha producido algún error –Cero, es que se ha agotado el tiempo sin recibir respuesta –Positivo, es que se ha recibido alguna respuesta. En ese caso para leerla debemos utilizar recv

24 Redes Sockets-24 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Estructura timeout (en select) struct timeval { unsigned long int tv_sec; /* Segundos */ unsigned long int tv_usec; /* Millonesimas de segundo */ }; timeout.tv_sec=1; timeout.tv_usec=0; Campos: Ejemplo de uso: select ( n +1, &conjunto,NULL,NULL, &timeout ) Uso en la select: Timeout 1 segundo

25 Redes Sockets-25 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Arquitecturas big-endian y little-endian Los procesadores big-endian representan los enteros colocando primero el byte más significativo. Los procesadores little-endian lo hacen al revés. Ejemplo: Un short int (16 bits) con valor 13 en big-endian es 0x000D Un short int con el valor 13 en little-endian es 0x0D00 Internet utiliza siempre formato big-endian Las funciones htons, htonl, ntohs y ntohl se encargan de convertir los datos en caso necesario. De este modo los programas son independientes de la arquitectura utilizada En un sistema big-endian estas funciones no hacen nada, pero debemos usarlas siempre para que los programas funcionen en todos los casos de forma transparente

26 Redes Sockets-26 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Funciones de conversión de enteros En la estructura sockaddr_in se manejan dos tipos de enteros: –Cortos (16 bits) para los números de puerto. –Largos (32 bits) para las direcciones IP. Las funciones htons y ntohs (htonl/htons) realizan la conversión host->red o red->host en cada caso Los números de puerto, cuando se imprimen o muestran por pantalla se representan como un entero de 16 bits, por lo que no es necesaria ninguna conversión adicional. Sin embargo las direcciones IP se suelen representar como cuatro enteros de 8 bits separados por puntos. Las funciones inet_aton e inet_ntoa se encargan de las conversiones necesarias. Ejemplo: printf (Dir. IP: %s %d\n inet_ntoa ( ) ) genera: Dir. IP:

27 Redes Sockets-27 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Funciones de conversión Nombre largoNombre cortoEjemplo host to network shorthtonss.sin_port= htons (13); network to host shortntohsprintf (Puerto: %hu, %d\n ntohs (s.sin_port) ) host to network longhtonls.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY) network to host longntohlhost = ntohl (direccion) internet ASCII to networkinet_atoninet_aton ( ,&s.sin_addr) internet network to ASCIIinet_ntoaprintf (Dir. IP: %s %d\n inet_ntoa (s.sin_addr) )

28 Redes Sockets-28 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Programa servidor TCP Se trata de hacer un servidor del protocolo IRC (Internet Relay Chat). Cuando un cliente envía un mensaje de texto el servidor lo difunde a todos los clientes conectados en ese momento El puerto utilizado para ofrecer el servicio se elegirá en tiempo de ejecución Cuando un cliente se conecta se le asigna un socket (valor entero elegido por el sistema) que le identifica. Los valores de los sockets no tienen por que ser correlativos ni crecientes Para llevar control de los clientes conectados el programa guarda en una lista o vector los sockets asignados: –Cuando se conecta un nuevo cliente añade un elemento a la lista –Cuando un cliente se desconecta quita su elemento y compacta el resto de la lista

29 Redes Sockets-29 Universidad de Valencia Rogelio Montañana n = socket ( PF_INET, SOCK_STREAM, 0) INADDR_ANY y puerto Programa servidor TCP: inicialización bind( n, (struct sockaddr *)&s, sizeof(struct sockaddr_in) 2: Asociarle un puerto 1: Crear el socket Tarea: 3: Ponerlo en modo listen listen( n,5) 4: Esperar conex. nuevas select ( n + 1, &conjunto, NULL, NULL, &timeout ) Conjunto de sockets de lectura Una vez ejecutada la select, si todo ha ido bien ya deberíamos ver el puerto correspondiente en modo LISTEN con el netstat

30 Redes Sockets-30 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Comentarios a la inicialización del programa servidor TCP socket solo prepara las cosas reservando los recursos, como siempre. bind asocia un determinado número de puerto con ese socket, y una dirección IP. El puerto es el que hemos elegido para proveer el servicio, y como no queremos restringirlo a una IP concreta ponemos como dirección INADDR_ANY. De esta manera aceptamos cualquier IP. listen pone el puerto indicado en bind en modo LISTEN. select deja el programa a la espera de nuevas conexiones, pero solo hasta agotar el tiempo marcado en &timeout. El programa no puede quedarse eternamente esperando nuevas conexiones, pues también ha de hacer otras cosas

31 Redes Sockets-31 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Programa servidor TCP: conexión y lectura de un cliente Tarea: 4: Esperar conex. nuevas select ( n + 1, &conjunto, NULL, NULL, &timeout ) 5: Aceptar una conexión ncon(i) = accept ( n, (struct sockaddr *)&s, &cod ) select ( maxncon +1, &conjunto, NULL, NULL, &timeout ) 6: Preparar para leer i=0; while (i<*num) { if ( FD_ISSET ( ncon[i], &conjunto )) cod=read(ncon[i],buffer[cont],TAM_TEXTO) } i++; 7: Leer (hay que buscar el socket que nos ha mandado datos, la select no nos lo dice) Socket creado para el cliente IP y puerto del cliente Macro para averiguar si un socket se ha visto afectado por la select

32 Redes Sockets-32 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Macros FD utilizadas en select FD_ZEROInicializa el conjunto FD_SETAñade un socket al conjunto FD_CLRBorra un socket del conjunto FD_ISSETComprueba si un socket ha sido afectado por la select fd_set conjunto; struct timeval t; FD_ZERO(&conjunto); for(i=0;i

33 Redes Sockets-33 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Programa servidor TCP: escritura en los clientes Tarea: 8: Preparar para escribir 9: Escribir (en todos los clientes) 10: Cerrar la conexión de un cliente select ( maxncon + 1, NULL, &conjunto, NULL, &timeout ) i=0; while (i<*num) { if (FD_ISSET(ncon[i],&conjunto)) cod= write ( ncon[i], buffer,strlen) } i++; close ( ncon[i] ) Conjunto de sockets de escritura

34 Redes Sockets-34 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Programa servidor TCP: Cierre de la conexión de un cliente Cuando leemos datos de un cliente con la función read el valor devuelto indica el número de bytes leídos. Si devuelve 0 significa que el cliente ha cerrado la conexión: nbytes = read ( ncon[i],buffer,TAM_TEXTO ); if (cod==0) close ( ncon[i] );

35 Redes Sockets-35 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Ejecución del Programa servidor TCP Durante su ejecución el programa servidor está en un bucle sin fin que llama consecutivamente a dos funciones: AceptarConexion Leer La salida de cada función se produce bien, porque se ha hecho la tarea prevista (aceptar conexión o leer) o porque se ha agotado el timeout de la select. ¿Qué ocurre si en la select ponemos un timeout grande, por ejemplo de 10 segundos? ¿Y si ponemos uno muy pequeño, por ejemplo un microsegundo?


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