Windows Socket Programming

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Windows Socket Programming

• Corso di Sistemi di Elaborazione delle
  Informazioni
• a.a 2007/2008
• Autori Alberto Colombo
• Fulvio Frati

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Sommario

• Richiami di TCP
• Classificazione dei socket
• Socket client-server UDP
• Socket client-server TCP
• Esempio server multiporta
• gethostbyname gethostbyaddr
• Java Socket

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Richiami di TCP porte

• I protocolli TCP e UDP usano le porte per mappare
  i dati in ingresso con un particolare processo
  attivo su un computer.
• Ogni socket è legato a un numero di porta così
  che il livello TCP può identificare
  lapplicazione a cui i dati devono essere
  inviati.

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Socket definizione

• A livello programmatico, un Socket è definito
  come un identificativo univoco che rappresenta
  un canale di comunicazione attraverso cui
  linformazione è trasmessa RFC 147
• La comunicazione basata su socket è indipendente
  dal linguaggio di programmazione.
• Client e server devono concordare solo su
  protocollo (TCP o UDP) e numero di porta

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Richiami di TCP well-known ports

• Le porte sono rappresentate da valori interi
  positivi (16 bit).
• Rappresentano punto di collegamento fra strato
  fisico e applicazioni rappresentano un canale di
  comunicazione
• Alcune porte sono state riservate per il supporto
  di servizi well-known
• ftp ? 21/tcp
• telnet ? 23/tcp
• smtp ? 25/tcp
• login ? 513/tcp.
• I servizi e i processi a livello utente
  generalmente usano un numero di porta gt1024.

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Socket Comunicazione
Il server riceveuna richiesta daun client
Crea un nuovo socketche dialogherà col cliente
torna in ascolto dialtre richieste
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Socket Classificazione (1)

• Datagram Socket
• Utilizzano un protocollo senza connessione ? UDP
• Non è necessaria una procedura iniziale di
  connessione e riconoscimento fra client e server
• Non dà garanzie di ricezione e ordine dei
  pacchetti
• Stream Socket
• Utilizzano un protocollo con connessione ? TCP
• La comunicazione avviene solo fra nodi tra cui è
  stato stabilito un canale di comunicazione
• Garantisce ordine e ricezione dei pacchetti
• Raw socket
• Dà completo accesso allo strato fisico del
  sistema per poter sfruttare funzionalità non
  implementate dalle interfaccie
• Solo per utenti esperti

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Socket Classificazione (2)

• Sincroni
• il client ed il server si sincronizzano ad ogni
  messaggio sia send() (per inviare) che receive()
  (per ricevere) sono bloccanti
• send() ritorna dopo che è stata fatta lissue
  della receive
• receive() ritorna solo dopo che il messaggio
  arriva in coda
• Asincrona
• send() non è bloccante, significa che
  loperazione ritorna subito dopo che il messaggio
  è stato copiato su un buffer locale
• receive() puo essere sia bloccante che non. Non
  bloccante significa che ritorna subito il
  controllo allapplicazione, poi tramite polling o
  interrupt notificherà laccodamento del messaggio
  nella coda

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Differenze ambiente Unix e Windows

• Include files, tutte le librerie raccolte in una
• WSAGetLastError() al posto della variabile errno
• closeSocket() al posto di close()
• Non supporta Raw Socket
• Fork implicito

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UDP/TCP client Header
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UDP/TCP Client Inizializzazione librerie

• WSAStartup(version, WSAData)
• WORD version, versione delle librerie da caricare
• LPWSADATA WSAData, struttura per ricevere i
  dettagli della Windows Socket Implementation
• Necessaria solo in ambienti Windows

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UDP/TCP Client Creazione del socket

• socket(af, type, protocol)
• int af, famiglia di indirizzi da utilizzare
  (AF_INET, PF_INET, AF_UNIX)
• int type, tipo di socket (SOCK_STREAM,
  SOCK_DGRAM)
• int protocol, tipo di protocolo utilizzato
  (IPPROTO_UDP, IPPROTO_TCP).
• Restituisce un valore negativo se non a buon fine

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UDP Client sendTo()

• sendTo(socket, echoString, bufferLength, flag,
  to, toLength)
• int socket, descrittore del socket
• char echoString, messaggio da spedire
• int bufferLength, dimensione in bytes
• int flags, indica la modalità con cui viene
  effettuata la chiamata (default 0)
• sockaddr to, indirizzo destinatario
• int toLength, dimensione indirizzo in byte.
• Non è necessario una procedura di connessione fra
  client e server

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UDP Client recvfrom()

• recvfrom(socket, buffer, bufferLength, flags,
  from, fromLength)
• SOCKET socket, descrittore del socket
• char buffer, messaggio spedito
• int bufferLength, dimensione in bytes
• int flags, indica la modalità con cui viene
  effettuata la chiamata (default 0).
• sockaddr from, indirizzo mittente
• int fromLength, dimensione indirizzo in byte.

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UDP Client Chiusura socket
closesocket(socket) chiude il socket specificato
e ritorna 0 se la chiusura è andata a buon fine,
altrimenti un codice derrore, recuperabile con
WSAGetLastError(). WSACleanup() rilascia la
libreria.
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UDP Server Port Binding

• bind(socket, address, addressLength)
• SOCKET socket,descrittore del socket
• sockaddr address, indirizzo del socket
• int addressLength, dimensione dellindirizzo in
  byte.
• Lega ogni comunicazione su quel protocollo e su
  quella porta allapplicazione

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UDP Server Ricezione messaggi

• Il server rimane in attesa della ricezione di un
  messaggio sulla recvfrom()
• Nella struct echoclntAddr sono salvate tutte le
  informazioni relative al chiamante (in sin_addr
  lindirizzo IP)

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UDP Socket
Server INADDR_ANYClient servIP
Client
Server
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TCP Client Creazione del socket

• Crea un socket basato su TCP di tipo STREAM

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TCP Client Connessione

• Stabilisce una connessione verso uno specifico
  server
• connect(socket, address, addressLength)
• SOCKET socket, descrittore del socket
• sockaddr address, indirizzo del server
• int addressLength, dimensione dellindirizzo in
  byte.

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TCP Client Invio dati

• Invia i dati specificati verso un socket già
  connesso
• Non è necessario indicare ogni volta lindirizzo
  del mittente
• send(socket, buffer, bufferLength, flags)
• SOCKET socket, descrittore del socket
• char buffer, messaggio da inviare
• int bufferLength, dimensione del messaggio in
  byte
• int flag, indica la modalità con cui viene
  effettuata la chiamata (default 0).

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TCP Client Ricezione dati

• Riceve dati da un socket connesso e restituisce
  il numero di byte ricevuti
• Quando restituisce 0 la comunicazione è
  interrotta
• recv(socket, buffer, bufferLength, flag)
• SOCKET socket, descrittore del socket
• char buffer, messaggio da inviare
• int bufferLength, dimensione del messaggio in
  byte
• int flag, indica la modalità con cui viene
  effettuata la chiamata (default 0).

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TCP Server Connessione

• Dopo il bind, il server rimane in ascolto
  (listen) sul socket
• listen(socket, backlog)
• SOCKET socket, descrittore del socket
• int backlog, dimensione massima della coda delle
  connessioni in attesa.

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TCP Server Accettazione

• Quando un client richiede la connessione, viene
  un creato un nuovo socket per gestire la
  comunicazione
• Il socket iniziale rimane in attesa di nuove
  richieste
• accept(socket, clientAddress, clientAddressLength)
  
• SOCKET socket, descrittore del socket
• sockaddr clientAddress, indirizzo del client che
  ha richiesto laccesso
• int clientAddressLength, dimensione di
  clientAddress in byte.

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TCP Server Select (1)

• Permette di gestire simultaneamente più socket
  che gesticono porte diverse
• Primo passo creazione di un array di socket
  ognuno su una porta differente nellesempio la
  lista delle porte è passata a riga di comando
• Per ogni porta è creato un socket server distinto

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TCP Server Select (2)

• La select() ad intervalli specificati, controlla
  quali socket hanno fatto richiesta in lettura,
  scrittura o hanno riscontrato errori di
  comunicazione e restituisce il numero di socket
  interessati
• I socket richiedenti sono marcati ed inseriti in
  specifici array per le successive operazioni
• select(0,readfds, writefds, errorfds, timeout)
• fd_set readfs, puntatore allarray di socket in
  lettura
• fd_set writefs, puntatore allarray di socket in
  scrittura
• fd_set errorfs, puntatore allarray di socket
  controllati per errori
• timeval timeout, tempo di attesa per la select

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TCP Server Select (3)

• Per capire quali socket hanno richiesto
  laccesso, si scorre larray dei socket e si
  applica FD_ISSET()
• FD_ISSET restituisce un valore non-zero se il
  socket è stato marcato
• FD_ISSET(socket, set)
• SOCKET socket, il descrittore del socket da
  controllare
• fd_set set, puntatore allinsieme dei socket
  marcati.

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TCP Server Select (4)

• Prima di ogni chiamata a select() è necessario
  inizializzare linsieme dei socket marcabili.
  Occorre invocare
• FD_ZERO() svuota linsieme dei socket marcati
• FD_SET(), prepara la lista dei socket attivi,
  aggiungendo allinsieme il socket che potrà poi
  essere marcato dalla select()

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Esempio Socket paralleli fork (1)

• Duplica il processo
• Restituisce
• Al processo padre pid (Process Id) processo
  figlio
• Al processo figlio pid 0
• In caso di errore -1
• I descrittori aperti dal padre saranno condivisi
  anche dal figlio
• Un descrittore chiuso in un processo rimane
  aperto nellaltro processo
• Crea repliche del processo server per gestire
  comunicazioni parallele
• Lesecuzione ricomincia nel processo figlio
  dallistruzione sucessiva alla fork
• Chiamata di sistema tipica di Linux, non
  utilizzabile sotto Windows

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Esempio Socket paralleli fork (2)
Sono nel processo padre, chiudo socket connesso e
ritorno allaccept
Sono nel processo figlio, chiudo socket
principale in ascolto e gestisco la comunicazione
con il socket connesso
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gethostbyname() gethostbyaddr()

• struct hostent gethostbyname(const char name)
• struct hostent gethostbyaddr(const void addr,
  int len, int type)
• Restituiscono un puntatore ad un oggetto di tipo
  hostent che descrive un indirizzo internet a
  partire da un nome o da un indirizzo
• Parametri
• name nome dellhost da ricercare, es.
  www.dti.crema.unimi.it
• addr, puntatore alla struttura in_addr che
  contiene lindirizzo
• len, lunghezza in byte della variabile addr
• type, famiglia di indirizzi, es. AF_INET

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Riassumendo
UDP
TCP
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Java socket

• Server
• Creare un oggetto ServerSocket, specificando il
  numero di porta a cui legarlo
• Chiamare accept() per restare in attesa di
  richieste di connessione
• Quando accept() termina la connessione col client
  è stabilita
• accept() restituisce un socket per comunicare col
  client
• Client
• Creare un oggetto di tipo Socket, specificando
  indirizzo e porta
• Quando loggetto è costruito la connessione col
  server è stabilita
• La comunicazione avviene direttamente attraverso
  i canali messi a disposizione dalloggetto
  Socket
• getInputStream(), getOutputStream(), ottengono
  rispettivamente un canale di input e di output

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Java socket Serializzazione

• Il meccanismo della serializzazione permette di
  scrivere e ricevere direttamente oggetti (istanze
  di classi) sui flussi in output e input
• Gli oggetti scambiati devono implemetare
  linterfaccia Serializable
• La maggior parte delle classi standard implementa
  Serializable

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Java Socket Server (1)

• //SimpleServer.java un semplice programma server
• import java.net.
• import java.io.
• public class SimpleServer
• public static void main(String args)
• throws IOException
• // Registra il servizio sulla porta 1234
• ServerSocket s new ServerSocket(1234)
• // Aspetta e accetta una connessione
• Socket s1s.accept()

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Java Socket Server (2)

• // Ottiene un flusso di comunicazione associato
  al socket
• OutputStream s1out s1.getOutputStream()
• DataOutputStream dos new DataOutputStream(s1out
  )
• // Invia una stringa!
• dos.writeUTF(Hello world")
• // Chiude la connessione, ma non il socket server
• dos.close()
• s1out.close()
• s1.close()

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Java Socket Client (1)

• // SimpleClient.java un semplice programma
  client
• import java.net.
• import java.io.
• public class SimpleClient
• public static void main(String args)
• throws IOException
• // Apre la connessione a un server, alla porta
  1234
• Socket s1 new Socket(myserver.dti.unimi.it,1
  234)

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Java Socket Client (2)

• // Ottiene un file handle dal socket e legge
  linput
• InputStream s1In s1.getInputStream()
• DataInputStream dis new DataInputStream(s1In)
  
• String st new String (dis.readUTF())
• System.out.println(st)
• // Alla fine, chiude la connessione e esce
• dis.close()
• s1In.close()
• s1.close()

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Esempio socket paralleli thread
Server
Client
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Annotazioni finali

• Le slide saranno pubblicate su
• http//ra.crema.unimi.it
• References
• MSDN Getting started with Winsock