Redes de datos y Sockets

Temario oficial de sockets

¿Qué es una red informática?

Video EducAr

Modelo OSI y TCP/IP

Modelo ISO de comunicación entre sistemas. Simplificado en la época de TCP/IP.

Modelo OSI y TCP/IP

Las capas de Aplicación, Presentación y Sesión se han fusionado actualmente en la capa de Aplicación.
Con TCP/IP la capa de trasporte corresponde a TCP o UDP
Con TCP/IP la capa de red es la dirección IP (IPv4 o IPv6)
La capa de enlace será Ethernet, WiFi u otras
El medio físico puede ser cable, fibra optica, el aire (WiFi), etc...

Un poco de historia: ARPANET, OSI, CERN, ICANN, etc... (fuente IEEE)

Introducción

Todos usamos TCP/IP en internet
Protocolo IP: Mi dirección!
Protocolos de transmisión:
- TCP: Transmission Control Protocol
- UDP: User Datagram Protocol
- SCTP: Stream Control Transmission Protocol (IETF 2000)
Cliente/Servidor: En una conexión TCP/IP siempre debe haber un servidor (que espera conexiones) y un cliente (que se conecta al servidor).
Socket: Abstracción de conexión entre un par cliente servidor que permite conectarnos/trabajar como si estuvieramos trabajando con archivos.

La dirección IP (v4)

Classful

Classless

En el esquema classful la dirección define que parte es de red y que parte es de host.
En el esquema classless necesitamos una mascara de 32bits o un entero que nos definen que parte es red y que parte es host.

Mi IP

¿Como la consigo? Dos opciones:
- Fijo mi IP manualmente
- Uso el protocolo DHCP
Ejemplo red:
- Red 192.168.0.0
- Mascara v₁: 255.255.255.0
- Mascara v₂: /24
- Router 192.168.0.1
- Broadcast 192.168.0.255
- Host1 192.168.0.10
- Host2 192.168.0.11
- Host3 192.168.0.12

Mi IP

Dirección de loopback: 127.0.0.1

Manejo dirección Linux:

archivo: /etc/network/interfaces


iface eth0 inet static
     address 192.168.1.10
     network 192.168.1.0
     netmask 255.255.255.0
     broadcast 192.168.1.255
     gateway 192.168.1.254

Formato de IPv4 vs. IPv6

Espacio de direcciones

Internet Topology Map, January 2009 (UC Regent)

Imagenes detalladas del 2009 y del 2014

Mi Configuracion


$ ip a

lo: loopback
eth0 / e* : Cable
wlan0 / w* : WiFi

Ejemplo de red

¿Como me conecto a Internet?

Tengo un modem de algún proveedor con una IP pública
Ese modem me da servicios de: Router, Switch/WiFi, Proxy, DHCP, etc...
Mi máquina arranca sin IP... ¡Necesita una para poder conectarse!
Dentro de la red interna (Ethernet o WLAN) hace un pedido de broadcast (todos lo reciben) via DHCP
En el modem existe un server DHCP que asigna una IP privada y la asocia a la dirección física (MAC Address)
DHCP me asigna: Una IP, la red, el router y el DNS más cercano.

¡Ya puedo navegar por internet!

DNS

www.nachodigital.com.ar -> 66.228.47.221


$ ping www.wikipedia.org
	PING dyna.wikimedia.org (208.80.154.224): 56 data bytes
	64 bytes from 208.80.154.224: icmp_seq=0 ttl=52 time=175.908 ms
	64 bytes from 208.80.154.224: icmp_seq=1 ttl=52 time=174.921 ms

El DNS nos ha dicho que la IP de
www.wikipedia.org es 208.80.154.224

Puertos TCP

Ya tenemos la dirección IP... ¿Que nos falta?

Imaginemos nuestra máquina como un edificio...
Dentro del edificio hay muchas oficinas...
Dentro de una máquina hay muchos programas...
Entonces... ¿Como distinguimos entre ellos?
¡Necesitamos algo más que la dirección!
Puertos TCP/UDP al rescate...

Resumen TCP/IP

Direcciones IP:

IPv4: 2³² hosts
IPv6: 2¹²⁸ hosts

Puertos:

TCP: 2¹⁶
UDP: 2¹⁶

Cada uno, espacios de puertos por protocolo.

Paquete TCP

Puertos TCP

TCP usa el concepto de número de puerto para identificar a las aplicaciones emisoras y receptoras. Cada lado de la conexión TCP tiene asociado un número de puerto (de 16 bits sin signo, con lo que existen 65536 puertos posibles) asignado por la aplicación emisora o receptora.
Los puertos bien conocidos son asignados por la Internet Assigned Numbers Authority (IANA), van del 0 al 1023 y son usados normalmente por el sistema o por procesos con privilegios.
Los puertos registrados son normalmente usados por aplicaciones privadas (por ejemplo 8080). Los puertos dinámicos/privados también son usalmente usados por las aplicaciones de usuario.

Puertos (IANA)

SSH -> 22
WEB -> 80
DNS -> 53
FTP:
- 20 (datos)
- 21 (control)

Ejemplo

www.nachodigital.com.ar:80

Ejemplo de puertos

2001
3000
4004
4161
8080

Siempre arriba de 1024

Herramienta1: NetCat

Herramienta1

NetCat:


sudo apt install netcat

Para correr un server


nc -n -vv -l -p 4161

Cliente que se conecta a ese server


nc 127.0.0.1 4161
echo "Hola Mundo" | nc 127.0.0.1 4161
cat test.txt | nc 127.0.0.1 4161

Herramientas 2

TCPdump


sudo apt-get install tcpdump
sudo tcpdump -i lo

WireShark


sudo apt-get install wireshark
kdesu wireshark -i lo

Nota: Ambos programas hay que correrlos como root para poder capturar (por eso el uso de sudo).

¿Problemas de red?

Si misma red y problemas:


sudo iptables -F

iptables es un firewall que viene con linux.
Esto limpia las reglas que trae.

Para saber que hay configurado:


sudo iptables -L

Guia Beej para redes en castellano (pdf local)

Guia Beej para redes (online, original y en ingles)

Programación de Sockets

Bajar presentación de redes y sockets

Orden de bytes para el host y la red

big-endian (TCP/IP, IBM RS6000, SUN, ...)
- dirección N : byte más significativo
- dirección N+1: byte menos significativo

Little-endian (Intel x86, DEC Alpha, ...)
- dirección N : byte menos significativo
- dirección N+1: byte más significativo

Orden de bytes para el host y la red

Funciones de orden de bytes
para el host y la red

unsigned long htonl (unsigned long hostlong)

Convierte un long del formato de la máquina al de la red.

unsigned short htons (unsigned short hostshort)

Convierte un short del formato de la máquina al de la red.

unsigned long ntohl (unsigned long netlong)

Convierte un long del formato de la red al de la máquina.

unsigned short ntohs (unsigned short netshort)

Convierte un short del formato de la red al de la máquina.

TCP: Conexión

Arquitectura Cliente / Servidor

Sockets

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

Domain: AF_UNIX, AF_INET, AF_INET6, mas...
Type: SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, mas...
Protocols: Con estas opciones puede ser 0

Los sockets son una abstracción que nos permite comunicarnos con otros programas usando descriptores de fichero estándar de Unix.
Hay distintos tipos, usaremos AF_INET (IPv4). Dentro de estos existen TCP (SOCK_STREAM) o UDP (SOCK_DGRAM). Para crearlos usaremos la función socket()

Socket TCP

Uso sockets

Server
1. bind()
2. listen()
3. accept()

Cliente
1. socket connect()

Luego lo usamos mediante el file descriptor (ambos)

bind


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

sockfd: Valor retornado por socket()
sockaddr: Estructura de direcciones
addrlen: Tamaño de la estructura

bind: Sus estructuras

Existe un struct sockaddr, pero para un manejo
mas sencillo en TCP/IP se usa:


struct sockaddr_in {
    short int          sin_family;    // familia de direcciones, AF_INET
    unsigned short int sin_port;      // Número de puerto
    struct in_addr     sin_addr;      // Dirección de Internet
    unsigned char      sin_zero[8];   // Relleno para preservar el tamaño
                                      // original de struct sockaddr
};

Dirección de Internet (una estructura por herencia histórica):


struct in_addr {
    unsigned long s_addr;        // Esto es un long de 32 bits, ó 4 bytes
};

listen


int listen(int sockfd, int backlog);

backlog: Cantidad de conexiones que pueden quedar en la cola de conexión esperando.

accept


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

addr y addrlen: Dirección del cliente remoto y su tamaño.
Este llamado es bloqueante y el programa queda en este punto hasta que aparezca una conexión nueva.

connect


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

Pide una conexión con un socket para manejarla (sockfd) y la dirección del servidor (addr/addrlen).

read/write

unistd.h

read() - Lectura de archivos o sockets:


ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

write() - Escritura en archivos o sockets:


ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

Ambas funciones son bloqueantes y pensadas para archivos.
Se quedan esperando hasta que algo haya para leer o se pueda
enviar la data a enviar.

send/recv

sys/socket.h

Estas funciones son especificas para manejo de sockets
y proveen información adicional (flags).

send() - Envio de datos por un socket:


ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

recv() - Recepción de datos desde un socket:


ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

Socket UDP

Uso UDP

No nos conectamos:
1. sendto()
2. recvfrom()

Como la comunicación es inconexa no es necesario conectarse al socket, solo usarlo. Igual es como si hubiera un servidor/cliente. Siempre uno tiene que quedarse escuchando, el que recibe.

sendto/recvfrom

sys/socket.h

Estas funciones son el send/recv con manejo de sockets UDP
ya que permiten especificar el otro participante.

sendto() - Envio de datos por un socket UDP:


ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

recvfrom() - Recepción de datos desde un socket UDP:


ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                      struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

Codigo de ejemplo

Ejemplo UDP (zip)
Ejemplo TCP Server
Ejemplo TCP Client

Con la librería de Info1
- sock-lib.h & sock-lib.c
- TCP server.c & client.c
- Archivo explicando la librería: readme

Comunicación UDP en WireShark

Pck66: 51215 (clt) -> 21234 (srv) -- Msg

Pck67: 21234 (srv) -> 51215 (clt) -- Ack

Librería de la catedra y ejemplos

Server/cliente usando la librerías
sencillo, concurrente fork y threads.

Libreria de la Catedra

Archivos:

Ejemplo de uso server/cliente TCP

Archivos:

Sockets y Fork

Archivos:

Sockets y Threads

Archivos:

Procesos y Sockets

¡Quiero hacer un servidor que atienda
a varios clientes al mismo tiempo!

Y no morir en el intento...

Como atender varios pedidos
al mismo tiempo

Hay dos formas:

Una fácil de implementar, pero dificil de programar

Usamos send()/recv() como NONBLOCKING

Otra mas dificil de implementar, pero mucho mas elegante

Creamos distintos procesos: fork()

NONBLOCKING

Parte no bloqueante de sockets_3client_nonblocking.c


    printf("wait...");
    do {
        n = recv(sockfd,buffer,255,MSG_DONTWAIT);
        printf(".");
    } while (n == -1);

Trabajando en modo no bloqueante, retorna:

-1 si no llegó nada.
>0 si llegaron datos.

¿Y el resto del código?

Mayormente no cambia. Tenemos los mismo pasos:

Creacion con socket()
Armado de la estructura serv_addr
Conexión al socket con connect()
Envio/recepción de datos con send()/recv()
Cierre del socket

¿Y en el servidor cambia algo?

No en este ejemplo, pero se puede cambiar el server a una máquina de estados. De esa manera y como no bloqueante se pueden manejar multiples conexiones simultaneamente. Pero para poder manejar distintos sockets es mejor usar fork()

Compilar los ejemplos de código:


$ gcc -o client sockets_3client_nonblocking.c
$ gcc -o server sockets_3server_nonblocking.c

Codigo:

Usando fork()

Fork nos permite crear un proceso "hijo", copia del "padre".

man 2 fork


#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

El proceso hijo es un duplicado del padre, pero
tiene un PID distinto (valor retornado pid_t).

¿Como identificamos clones?

The 6th day (2000)

Gravity Falls

fork() retorna...

0 : En el proceso nuevo (hijo)
-1 : Si hay un error
pid: El process ID del proceso hijo al padre

Ejemplo1:


$ gcc -o ej1 ej_fork.c

Fork: Funciones

getpid() - Obtiene el PID del proceso actual.
getppid() - Obtiene el PID del proceso padre.
wait() - Espera a que un proceso cambie de estado.

man 2 wait


#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

Memoria del child process

Si bien Unix originalmente copiaba toda la memoria del proceso padre, Linux desde el principio fue pensando para intel 386 que tiene "copy on write" lo que permite usar la misma memoria hasta que el programa cambie un dato.

Por esto una vez copiado, la dirección a mostrar es la misma. Pero existe otra razón adicional, Linux tiene un manejo de memoria virtual. Lo que nos muestra puede tener el mismo puntero, pero no es la misma dirección de memoria física (ref).

Ejemplo2:


gcc -o ej2 ej_fork_kill.c

Para el segundo ejemplo utilizaremos los comandos:

kill - Dado un PID lo "mata".
ps - Lista los procesos corriendo en la máquina.

ps ax: Ver todos los procesos
ps elf: Para ver todas las columnas

top / htop - Monitoreo "online" de procesos.

top viene, htop hay que instalarlo.

pstree - Arbol de procesos.

Ejemplo3:


gcc -o ej3 ej_fork_count.c

En este ejemplo vemos padre e hijo trabajando en paralelo.

Ejemplos vistos

Más ejemplos de fork

Notas sobre el uso de fork y la memoria virtual.

Ejemplo TCP fork

Codigo:

Modificación del server del ejercicio anterior (didáctico)
- Original: sockets_1server.c
- Version Fork: sockets_1server_fork.c
Ejercicio fork con wait() (como se debe):
- tcp-cliente.c
- tcp-servidor.c

Ejemplo TCP fork


$ gcc -o ej3-tcp-clt tcp-cliente.c
$ gcc -o ej3-tcp-svr tcp-servidor.c


$ ./ej3-tcp-svr
$ ./ej3-tcp-clt 127.0.0.1
$ ./ej3-tcp-clt 127.0.0.1
...
$ ps ax | grep ej3

Otro ejemplo UDP


$ gcc -o ej4-udp-clt udp-cliente.c
$ gcc -o ej4-udp-svr udp-servidor.c


$ ./ej4-udp-svr
$ ./ej4-udp-clt 127.0.0.1 Hola
$ ./ej4-udp-clt 127.0.0.1 Mundo

Codigo:

Ejemplo Fork

Con la libreria de la catedra

client.c y server.c

Reciclando nuestro bind

Pedir un int que valga 1:
```
const int uno=1;
```

Antes de armar el socket agregar:


setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void*)&uno,
                                                      (socklen_t)(sizeof(uno)));

Ejemplo Allegro/TCP pooling


$ gcc -o al08_keyboard_client al08_keyboard_client.c -lallegro -lallegro_main -lallegro_image -lallegro_primitives
$ gcc -o al08_keyboard_server al08_keyboard_server.c -lallegro -lallegro_main -lallegro_image -lallegro_primitives


$ ./al08_keyboard_server
$ ./al08_keyboard_client 127.0.0.1

Codigo:

Redes de datos y Sockets

¿Qué es una red informática?

Video EducAr

Modelo OSI y TCP/IP

Modelo OSI y TCP/IP

Introducción

La dirección IP (v4)

Mi IP

Mi IP

Formato de IPv4 vs. IPv6

Formato de IPv4 vs. IPv6

Espacio de direcciones

Mi Configuracion

Ejemplo de red

¿Como me conecto a Internet?

DNS

Puertos TCP

Resumen TCP/IP

Paquete TCP

Puertos TCP

Puertos (IANA)

Ejemplo

Ejemplo de puertos

Herramienta1: NetCat

Herramienta1

Herramientas 2

TCPdump

WireShark

¿Problemas de red?

Guia Beej para redes en castellano (pdf local)

Guia Beej para redes (online, original y en ingles)

Programación de Sockets

Orden de bytes para el host y la red

Orden de bytes para el host y la red

Funciones de orden de bytes para el host y la red

TCP: Conexión

Arquitectura Cliente / Servidor

Sockets

Socket TCP

Uso sockets

bind

bind: Sus estructuras

listen

accept

connect

read/write

unistd.h

send/recv

sys/socket.h

Socket UDP

Uso UDP

sendto/recvfrom

sys/socket.h

Codigo de ejemplo

Comunicación UDP en WireShark

Librería de la catedra y ejemplos

Server/cliente usando la libreríassencillo, concurrente fork y threads.

Libreria de la Catedra

Ejemplo de uso server/cliente TCP

Sockets y Fork

Sockets y Threads

Procesos y Sockets

¡Quiero hacer un servidor que atiendaa varios clientes al mismo tiempo!

Y no morir en el intento...

Como atender varios pedidos al mismo tiempo

Hay dos formas:

NONBLOCKING

¿Y el resto del código?

¿Y en el servidor cambia algo?

Usando fork()

¿Como identificamos clones?

The 6th day (2000)

Gravity Falls

fork() retorna...

Ejemplo1:

Fork: Funciones

Memoria del child process

Ejemplo2:

Ejemplo3:

Ejemplos vistos

Funciones de orden de bytes
para el host y la red

Server/cliente usando la librerías
sencillo, concurrente fork y threads.

¡Quiero hacer un servidor que atienda
a varios clientes al mismo tiempo!

Como atender varios pedidos
al mismo tiempo