Elementy programowania sieciowego
Przygotuj się do laboratorium
- Proszę przypomnieć sobie działanie
fork()
(np. z poprzednich zajęć) - Zapoznaj się z sekcjami “2. What is a socket?” i “5. System Calls or Bust” z Beej's Guide to Network Programming (można oczywiście przejrzeć też pozostałe sekcje )
Wiedza
1. Network Byte Order
- Zapoznać się z następującymi pojęciami:
- Network Byte Order
- Big-Endian
- Little-Endian
- Zapoznać się z funkcjami:
htonl(3)
,htons(3)
,ntohl(3)
,ntohs(3)
2. getaddrinfo(3)
- Funkcja używana do pobrania adresu IP dla zadanej nazwy symbolicznej (np.
uj.edu.pl
) i rodzaju usługi (ftp
,http
) - Jest ulepszoną wersją funkcji
gethostbyname(3)
, działa zarówno z IPv4 jak i IPv6 i ogólnie jest bardziej nowoczesna niż poprzedniczka - Zwraca strukturę
addrinfo
, która zawiera szczegółowe informacje o adresie / adresach IP (jeżeli jest ich więcej niż jeden to poleai_next
zawiera wskaźnik na strukturę opisującą kolejny adres) - Funkcja zwraca 0 w przypadku powodzenia, albo kod błędu w przeciwnym wypadku - kod ten można przetłumaczyć na odpowiedni komunikat za pomocą funkcji
gai_strerror(3)
(działa analogicznie jak strerror, tylko tutaj dla kodów błędów funkcji getaddrinfo)
3. Obsługa adresów IPv4 oraz IPv6
- Adresy IP są przechowywane w odpowiednich strukturach (wskazywanych m.in. przez funkcję
getaddrinfo(3)
):- IPv4:
struct sockaddr_in
,struct in_addr
(zob. manual doip(7)
) - IPv6:
struct sockaddr_in6
,struct in6_addr
(zob. manual doipv6(7)
) struct sockaddr
- struktura na którą często rzutowane są wskaźniki na powyższe struktury, do zapewnienia jednolitego interfejsu (zob. np. manual dobind(2)
)
- Funkcje do konwersji:
inet_pton(3)
– konwertuje zapis “192.168.1.1” na odpowiednią strukturę - czyli inaczej konwertujestring
do reprezentacji binarnej.inet_ntop(3)
– konwertuje strukturę (reprezentację binarną) nastring
.
4. Gniazda
- Gniazda (ang. sockets) są używane w czwartej warstwie sieciowego modelu OSI/ISO
- Istnieje kilka rodzajów socketów, w tym:
- Stream Socket – służą do komunikacji połączeniowej (użycie TCP)
- Datagram Socket – służą do komunikacji bezpołączeniowej (użycie UDP)
-
socket(2)
– do otwierania gniazd i uzyskania deskryptora do komunikacji sieciowejbind(2)
– do powiązania numeru portu z deskryptorem gniazdalisten(2)
– rozpoczęcie nasłuchiwania po stronie serwera (nie jest wymagane użycieconnect
, ponieważ to klient będzie używał tej funkcji do podłączenia do serwera)- argumenty:
sockfd
- deskryptor gniazda. Nasłuchiwanie będzie się odbywać zgodnie z parametrami opisywanymi przez deskryptorbacklog
- maksymalna liczba połączeń oczekujących na akceptację
- po wywołaniu tej funkcji serwer już przyjmuje połączenia (nie pojawia się błąd
connection refused
), ale klienci jeszcze nie są obsługiwani (lądują w kolejce)
accept(2)
– akceptacja połączenia z pierwszym klientem z kolejki (ustawionej przezlisten(2)
)- funkcja zwraca nowy deskryptor gniazda, który służy do komunikacji z zaakceptowanym połączeniem
connect(2)
– do nawiązania połączenia z serwerem- argumenty:
sockfd
- deskryptor gniazdaserv_addr
- adres hosta docelowego, który możemy otrzymać przy pomocy funckjigetaddrinfo
addrlen
- długość adresu, najczęściej podaje się wartośćaddrinfo::ai_addrlen
- uwaga: dopiero po pomyślnym nawiązaniu połączenia (za pomocą
connect()
) możemy używaćsockfd
do komunikowania się z serwerem!
close(2)
– zamknięcie połączenia- dla zainteresowanych: porównać funkcję
close(2)
z funkcjąshutdown(2)
- Wysyłanie/odbieranie danych:
- Wszystko w systemach GNU/Linux/Unix jest reprezentowane za pomocą plików - tak więc gniazda również
- Wysyłanie/odbieranie danych przez/z gniazd jest bardzo podobne do zapisu/odczytu danych do/z pliku
- Jest tak podobne, że do tego celu można użyć funkcji
write(2)
/read(2)
- Jednak system oferuje funkcje specjalizowane
send(2)
/recv(2)
(orazsendto(2)
/recvfrom(2)
dla komunikacji bezpołączeniowej) które oferują dodatkową konfigurację
Ćwiczenia
I. Sockety w Bashu
- Jest możliwe otworzenie Socketa w Bashu za pomocą następującej składni:
exec {deskryptor-pliku}<>/dev/tcp/{host}/{port}
- Np. aby otworzyć dwukierunkowego socketa dla strony Google z portem HTTP i deskryptorem nr 3 (dlaczego akurat taki?) należy napisać:
exec 3<>/dev/tcp/www.google.com/80
- Uruchom i przeanalizuj poniższe przykłady:
- webpage.sh
#!/bin/bash ### # Połącz się ze stroną internetową i pobierz zawartość strony głównej ### exec 3<>/dev/tcp/www.google.com/80 echo -e "GET / HTTP/1.1\nHost: www.google.com\nConnection: close\n\n" >&3 cat <&3
- timeserver.sh
#!/bin/bash ### # Pobierz aktualny czas z serwera NTP # Źródło: https://tldp.org/LDP/abs/html/devref1.html # UWAGA: może NIE działać na serwerze SPK (ze względu na zablokowane porty) ### cat </dev/tcp/time.nist.gov/13
- port-scanner.sh
#!/bin/bash ### # Skaner portów (sprawdza które porty są otwarte). # Jako argument wywołania podaj adres serwera, który chcesz przeskanować, # np. ./port-scanner.sh localhost ### host=$1 port_first=1 port_last=65535 for ((port=$port_first; port<=$port_last; port++)) do # echo "Skanowanie portu $port..." timeout 1 bash -c "(echo >/dev/tcp/$host/$port) >/dev/null 2>&1" && echo "$port otwarty!" done
II. getaddrinfo
- Proszę przeanalizować, skompilować i uruchomić program (źródło):
- showip.c
/* ** showip.c -- show IP addresses for a host given on the command line */ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netdb.h> #include <arpa/inet.h> #include <netinet/in.h> int main(int argc, char *argv[]) { struct addrinfo hints, *res, *p; int status; char ipstr[INET6_ADDRSTRLEN]; if (argc != 2) { fprintf(stderr,"usage: showip hostname\n"); return 1; } memset(&hints, 0, sizeof hints); hints.ai_family = AF_UNSPEC; // AF_INET or AF_INET6 to force version hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; if ((status = getaddrinfo(argv[1], NULL, &hints, &res)) != 0) { fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(status)); return 2; } printf("IP addresses for %s:\n\n", argv[1]); for(p = res;p != NULL; p = p->ai_next) { void *addr; char *ipver; // get the pointer to the address itself, // different fields in IPv4 and IPv6: if (p->ai_family == AF_INET) { // IPv4 struct sockaddr_in *ipv4 = (struct sockaddr_in *)p->ai_addr; addr = &(ipv4->sin_addr); ipver = "IPv4"; } else { // IPv6 struct sockaddr_in6 *ipv6 = (struct sockaddr_in6 *)p->ai_addr; addr = &(ipv6->sin6_addr); ipver = "IPv6"; } // convert the IP to a string and print it: inet_ntop(p->ai_family, addr, ipstr, sizeof ipstr); printf(" %s: %s\n", ipver, ipstr); } freeaddrinfo(res); // free the linked list return 0; }
- Sprawdzić działanie programu dla
www.yahoo.com
,uj.edu.pl
oraz innych wybranych adresów symbolicznych. - Jakie parametry przyjmuje funkcja
getaddrinfo(3)
i jakie zwraca? - W jaki sposób można wyświetlić komunikaty o błędach funkcji
getaddrinfo(3)
? - Zmodyfikuj program w taki sposób, aby przyjmował drugi argument oznaczający usługę (np. http, ftp, telnet, smtp). Przekaż ten parametr w odpowiedni sposób do funkcji
getaddrinfo(3)
III. Programowanie gniazd - protokół TCP
- Proszę przeanalizować, skompilować i uruchomić program:
- simple-server.c
/* ** simple-server.c -- a stream socket server demo ** Modified version of server.c from https://beej.us/guide/bgnet/html/ */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <netdb.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/wait.h> #include <signal.h> #define PORT "3490" // the port users will be connecting to #define BACKLOG 10 // how many pending connections queue will hold void sigchld_handler(int s) { (void)s; // quiet unused variable warning // waitpid() might overwrite errno, so we save and restore it: int saved_errno = errno; while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0); errno = saved_errno; } // get sockaddr, IPv4 or IPv6: void *get_in_addr(struct sockaddr *sa) { if (sa->sa_family == AF_INET) { return &(((struct sockaddr_in*)sa)->sin_addr); } return &(((struct sockaddr_in6*)sa)->sin6_addr); } int main(void) { int sockfd, new_fd; // listen on sock_fd, new connection on new_fd struct addrinfo hints, *servinfo, *p; struct sockaddr_storage their_addr; // connector's address information socklen_t sin_size; struct sigaction sa; int yes=1; char s[INET6_ADDRSTRLEN]; int rv; memset(&hints, 0, sizeof hints); hints.ai_family = AF_UNSPEC; hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // use my IP if ((rv = getaddrinfo(NULL, PORT, &hints, &servinfo)) != 0) { fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(rv)); return 1; } // loop through all the results and bind to the first we can for(p = servinfo; p != NULL; p = p->ai_next) { if ((sockfd = socket(p->ai_family, p->ai_socktype, p->ai_protocol)) == -1) { perror("server: socket"); continue; } if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) { perror("setsockopt"); exit(1); } if (bind(sockfd, p->ai_addr, p->ai_addrlen) == -1) { close(sockfd); perror("server: bind"); continue; } break; } freeaddrinfo(servinfo); // all done with this structure if (p == NULL) { fprintf(stderr, "server: failed to bind\n"); exit(1); } if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) { perror("listen"); exit(1); } sa.sa_handler = sigchld_handler; // reap all dead processes sigemptyset(&sa.sa_mask); sa.sa_flags = SA_RESTART; if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) == -1) { perror("sigaction"); exit(1); } printf("server: waiting for connections...\n"); sin_size = sizeof their_addr; new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, &sin_size); if (new_fd == -1) { perror("accept"); } inet_ntop(their_addr.ss_family, get_in_addr((struct sockaddr *)&their_addr), s, sizeof s); printf("server: got connection from %s\n", s); if (send(new_fd, "Hello, world!", 13, 0) == -1) perror("send"); sleep(5); // just for observing easily that the server cannot serve a few clients concurrently close(new_fd); return 0; }
- Uwaga: do danego portu może być przypisany tylko jeden program (za pomocą
bind
) – dlatego jeżeli pracujesz na współdzielonym serwerze (np. SPK), zmień wartość PORT na jakąś własną (w#define PORT “3490”
) - Jest to prosty serwer, który czeka na połączenie od klienta, wysyła mu wiadomość
Hello, world!
, utrzymuje połączenie przez 5 sekund (sleep
), a następnie zamyka połączenie i kończy swoje działanie - Podłączenie do serwera jako klient można zrealizować na dwa sposoby:
- Korzystając z programu
telnet
wpisując:$ telnet host port
podając odpowiednią nazwę hosta i port (np.
telnet localhost 3490
, jeżeli łączymy się z tej samej maszyny i korzystamy z domyślnego portu)
- Kilka pytań na rozgrzewkę:
- Adres IP identyfikuje hosta w danej sieci (podsieci), co identyfikuje numer portu?
- Czym różni się deskryptor gniazda od deskryptora pliku?
- Proszę zmodyfikować serwer tak, aby po obsłużeniu klienta nie kończył działania, ale powracał do oczekiwania na kolejne połączenie
- Proszę zmodyfikować serwer tak, aby mógł obsługiwać jednocześnie więcej niż jednego klienta
- Podpowiedź: Można użyć funkcji
fork()
do tworzenia procesów potomnych - każdy proces potomny będzie obsługiwał jednego klienta.
- Proszę zmodyfikować serwer tak, aby umożliwiał prowadzenie dialogu a'la komunikator internetowy:
- Jedną stroną jest podłączony klient, a drugą stroną może być serwer (w wersji minimum), albo inny klient (wtedy serwer powinien parować klientów w odpowiedni sposób, np. pierwszy klient rozmawia z drugim, trzeci z czwartym, itd)
- Powinna być umożliwiona komunikacja asynchroniczna (tzn. jedna strona może napisać kilka wiadomości pod rząd). Podpowiedź: po akceptacji połączenia program powinien utworzyć dwa procesy potomne, jeden do czytania portu, drugi do pisania
IV. Programowanie gniazd - protokół UDP
- Jak zmienia się komunikacja w protokole UDP? Proszę przeanalizować, skompilować i uruchomić programy (źródło):
- listener.c - program oczekujący na przychodzącą wiadomość
- talker.c - program umożliwiający wysyłanie wiadomości (wcześniej należy uruchomić program
listener
, aby wiadomość została odebrana)
- W jakich zastosowaniach przydaje się protokół UDP, a w jakich TCP? Jakie są ich zalety i wady?