PDF de programación - Introducción a la programación con Sockets

INTRODUCCIÓN A LA
PROGRAMACIÓN CON SOCKETS

Celeste Campo ([email protected])

Carlos García Rubio ([email protected])

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS

Pág. 1

ÍNDICE

1.

Introducción.

2. API de sockets:

– Llamadas al sistema

– Estructuras de datos.

3. Esquemas cliente/servidor.

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS

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BIBLIOGRAFÍA

• Básica:

– W. R. Stevens: “Unix Network Programming”. Volume 1:

Networking APIs-Sockets and XTI. 1998 (L/S 004.451.9 UNIX
STE ).

– Capítulo 22 de D. E. Comer: “Internetworking with TCP/IP vol I”,

2 Ed. Prentice Hall, 2000.

– Beej's Guide to Network Programming

(http://beej.us/guide/bgnet/pdf/bgnet_A4_2.pdf).

• Complementaria:

– http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Sockets.ht

ml

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS - INTRODUCCIÓN

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Introducción

• TCP/IP no define el interfaz con los programas de aplicación (API).

– Depende mucho del sistema operativo.

• El interfaz socket, de BSD UNIX, se ha convertido en el estándar

“de facto”.
– A principios de los 80s, ARPA funda un grupo en la Universidad de
California en Berkeley para integrar TCP/IP en el sistema operativo
UNIX.

– El sistema que desarrollaron se conoce como Berkeley UNIX o BSD

UNIX.

– Como parte del proyecto, se define un API C para que las aplicaciones

puedan usar TCP/IP para comunicarse: interfaz socket.

• Comunicación entre procesos (IPC).
• Aparece a partir de la versión 4.1 de BSD
• Se basa en las llamadas de E/S de UNIX.

• En el interfaz socket se basan los APIs de otros sistemas

operativos (como el Windows sockets) y lenguajes de
programación (java, Python…)

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Llamadas al sistema en UNIX

• UNIX: sistema operativo de tiempo compartido desarrollado a

principios de los 70s.

• Orientado a procesos:

– Cada proceso se ejecuta con un privilegio.

• Las aplicaciones interactúan con el sistema operativo mediante

llamadas al sistema (“system calls”):
– Cada vez que una aplicación necesita acceder a un servicio del

sistema operativo, lo hace a través de una llamada al sistema.

• Por ejemplo, las operaciones de E/S.

– La llamada se ejecuta con privilegios del sistema operativo.

• Para el programador, una llamada al sistema funciona como una

llamada a una función:
– Se le pasan unos argumentos.
– Realiza una acción.
– Devuelve resultados.

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS - INTRODUCCIÓN

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Entrada/Salida

•

Llamadas al sistema para E/S:

– open()

• Prepara el dispositivo o el fichero para hacer la entrada o la salida.
• Devuelve un entero (descriptor de fichero) que se usará en el resto de las llamadas

para hacer referencia a ese dispositivo.
int desc;
desc = open(“filename”, O_RWDR, 0);

– read()

• Lee datos del dispositivo o fichero.

read(desc,buffer,128)

– write()

• Escribe datos en el dispositivo o fichero.

write(desc,buffer,128)

– close()

• Termina el uso de ese dispositivo.

close(desc)

– Otras llamadas:

• create(): crea un fichero.
• lseek(): permite moverse (“saltar”) por un fichero sin tener que leer ni escribir.
• ioctl(): para control del dispositivo (tamaño de buffer, tabla de caracteres, etc.).

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Comunicación entre procesos (IPC)

• Sigue una estructura parecida a la Entrada/Salida:

Crear socket

Conectar

Enviar

Recibir

Cerrar socket

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Crear el socket

• Se hace con la llamada socket().

Crear socket

Conectar

Enviar

Recibir

Cerrar socket

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS - API DE SOCKETS

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Crear el socket: socket()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

•

domain: dominio de aplicación que representa a una familia de protocolos.

– PF_INET: DARPA Internet (TCP/IP). Comunicaciones sobre IPv4.
– PF_INET6: IPv6. Comunicaciones sobre IPv6.
– PF_UNIX: Sistema de ficheros UNIX (pipe).
– PF_PACKET: Packet sockets (Linux).

•

type: tipo de comunicación.

– SOCK_STREAM: fiable y ordenada.
– SOCK_DGRAM: no fiable y desordenada, conservando los límites de los paquetes.
– SOCK_RAW: acceso directo a los protocolos de bajo nivel.

•

protocol: protocolo.

– Para especificar un protocolo concreto cuando varios pueden dar ese servicio.
– Si se da el valor 0, el sistema elige un protocolo adecuado según el tipo.
– getprotocolbyname() devuelve el número de protocolo a partir del nombre del protocolo

mirando en el fichero /etc/protocols

•

Resultado:

– Descriptor del socket que se reutilizará en las siguientes llamadas.
– “-1” si se ha producido un error.

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Crear el socket: clasificación

Llamada

socket(PF_INET,
SOCK_STREAM,
IPPROTO_TCP)

socket(PF_INET,
SOCK_DGRAM,
IPPROTO_UDP)

socket(PF_INET,

SOCK_RAW,

IPPROTO_ICMP)

Tipo

Acceso a:

TCP socket

UDP socket

Raw socket

TCP

UDP

IP

socket(PF_PACKET,

SOCK_RAW,

ETH_P_ALL)

Packet socket
(Raw socket)

Ethernet
(Linux only)

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Estructura de datos por socket

• Al realizar la llamada a socket(), el sistema operativo lo que crea

es una estructura de datos para mantener la información asociada
a esa comunicación.

Tabla de descriptores

(una por proceso)

0:

1:

2:

3:

4:

.
.
.

Estructura de datos

de un socket

familia: PF_INET

servicio: SOCK_STREAM

IP local

IP remota

puerto local

puerto remoto

.
.
.

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS - INTRODUCCIÓN

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Conectar el socket

• Consiste en indicar las IP y puertos que se va

a usar en la comunicación.

Crear socket

• Este paso difiere según sea un cliente o

servidor y stream o dgram:
– Servidor stream:

• bind()
• listen()
• accept()

– Cliente stream:

• bind() (opcional)
• connect()

– Servidor dgram:

• bind()

– Cliente dgram:

• No es necesario hacer nada (opcionalmente

se puede hacer bind() y connect())

Conectar

Enviar

Recibir

Cerrar socket

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS - INTRODUCCIÓN

Pág. 12

Conectar el socket

• bind()

– Se suele usar sólo en servidor (stream o dgram),

aunque también se puede usar en el cliente.
• Si no se hace se asignan valores por defecto.

– Asigna al socket la dirección IP y puerto locales

• listen()

– Se usa en servidor stream.
– Indica que el socket se va a quedar a la escucha

esperando que un cliente se conecte.

• accept()

– Se usa en servidor stream.
– Cuando un cliente se conecta, nos devuelve un nuevo

socket por el que nos comunicaremos con él.

• connect()

– Se usa en cliente stream.
– Establece conexión con la IP y puerto remoto

indicados.

– También se puede usar opcionalmente en los clientes

dgram.

• No se establece conexión. Simplemente toma nota de la

IP y puerto del otro extremo.

Crear socket

Conectar

Enviar

Recibir

Cerrar socket

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS - API DE SOCKETS

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Especificar dirección local: bind()

•

Inicialmente el socket se crea sin dirección origen ni destino:
– En TCP/IP esto significa que no han sido asignados: dirección IP local,

puerto local, dirección IP destino, puerto destino.

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

• sockfd: descriptor del socket.

• my_addr: es un puntero a una estructura sockaddr.

• addrlen: longitud de la estructura anterior.

• Resultado:

– “-1” si se ha producido un error.

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS – API DE SOCKETS

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Estructura sockaddr

struct sockaddr {

unsigned short sa_family;
char

sa_data[14];

};

• Mantiene información sobre direcciones de sockets.

• Campos:

– sa_family: familia de direcciones (admite varios valores, como por

ejemplo AF_INET).

– sa_data: dirección y número de puerto para el socket.

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AF_ versus PF_

•

•

•

En la llamada sockets, al hablar de familias de protocolos hemos visto unas
constantes que empiezan por PF_.

– PF_INET, PF_INET6, PF_UNIX, PF_PACKET…

Al hablar de familias de direcciones aparecen constantes que empiezan por AF_.

– AF_INET, AF_INET6…

Ambas constantes están definidas en <sys/socket.h> y en realidad apuntan al
mismo valor.

2

/* Supported address families. */
...
#define AF_INET
...
#define AF_INET6 10
...
/* Protocol families, same as address families. */
...
#define PF_INET
...
#define PF_INET6 AF_INET6
...

AF_INET

•

Por esta razón en la práctica encontraremos mucho código fuente que usa
indistintamente AF_ o PF_.

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS – API DE SOCKETS

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Estructura sockaddr_in

struct sockaddr_in {

unsigned short sin_family;
unsigned short int sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char

sin_zero[8];

};

struct in_addr {

unsigned long s_addr;

};

• Mantiene información sobre direcciones de sockets (más fácil manejo que la

estructura anterior).

• Campos:

– sin_family: admite varios valores, como AF_INET.
– sin_port: número de puerto para el socket.
– sin_addr: dirección IP para el socket.
– sin_zero: relleno para mantener el mismo tamaño que sockaddr (debe rellenarse a

cero).

• Notas:

– sin_port y sin_addr deben seguir la “ordenación de octetos de la red”.
– Es posible hacer “casting” entre punteros a estructuras sockaddr_in y sockaddr.

PROGRAMACIÓN CON SOCKETS – API DE SOCKETS

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Ordenación de octetos

• Dos posibles ordenaciones de los octetos:

– Primer octeto es el más significativo.
– Primer octeto es el menos significativo.

•

La “ordenación de octetos de la red” sigue la primera ordenación (“Big-
Endian”), pero los ordenadores pueden almacenar sus datos de cualquier
de la dos formas, por lo tanto en algunos casos es preciso realizar
conversiones.

• Todo lo que se envíe por la red debe seguir la “ordenación de la red”:

– Datos que se envían por el socket.
– Algunos campos en determinadas estructuras.

• Métodos de conversión (#include <netinet/in.h>):

– htons(): “Host to Network Short” (short de máquina a short de red).
– htonl(): “Host to Network Lo