Sockets

Son una herramienta del sistema operativo que permiten hacer comunicación entre dos procesos que estén, o bien en la misma computadora, o bien en computadoras distintas. Se utilizan para implementar un modelo de cliente-servidor:

Servicios

Los protocolos de red pueden proveer distintos servicios:

• Sin conexión: Los datos se envían al receptor y no hay control de flujo ni de errores. Por ejemplo: UDP, IP.
• Sin conexión con ACK: Por cada dato recibido, el receptor envía un acuse de recibo conocido como ACK.
• Con conexión: Tiene tres fases: Un establecimiento de la conexión, intercambio de datos, y cierre de la conexión. Hay control de flujo y de errores. Por ejemplo: TCP.

Tipos de Sockets

Existen distintos tipos de sockets, según los servicios que proveen:

• Stream Sockets: Proveen un servicio con conexión, utilizan el protocolo TCP.
• Datagram Sockets: Proveen un servicio sin conexión, utilizan el protocolo UDP.
• Raw sockets: Permiten a las aplicaciones enviar paquetes IP. Este también es un servicio sin conexión.
• Sequenced Packet Sockets: Similares a los stream sockets, pero preservan los delimitadores de registro. Utilizan el protocolo SSP (Sequenced Packet Protocol). Hoy en día, no se utilizan.

Sockets en C

Creación

Utilizamos la función socket(), definida como:

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

Esto crea el file descriptor del socket, recibe por parámetro:

• family: Permite elegir la familia del protocolo a utilizar: IPv4, IPv6, local.
• type: Permite elegir el tipo de socket a crear: Stream/Datagram Socket.
• protocolo: Normalmente, se deja un valor de 0, ya que existe un único protocolo para cada tipo de socket.

Retorna el file descriptor, o un -1 en caso de error (y establece la variable externa errno).

Conexión

Para conectarnos, utilizamos la función connect(), definida como:

int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);

Inicia una conexión con el servidor, recibe por parámetro:

• sockfd: Es el file descriptor del socket.
• serv_addr: Puntero a estructura que contiene dirección y puerto de destino.
• addrlen: tamaño del serv_addr.

Retorna 0 en caso de éxito, o -1 en caso de error (y establece la variable externa errno).

Para cerrar la conexión (y el socket), utilizamos la función close().

Lectura / Escritura

De forma genérica, utilizamos:

• La función read() lee bytes del socket
• La función write() escribe bytes en el socket

Si estamos utilizando stream sockets, utilizamos las funciones send() y recv(). No hace falta indicar la dirección, ya que es un protocolo con conexión

Si estamos utilizando datagram sockets, utilizamos las funciones sendto() yreadfrom(). Debemos indicar la dirección de destino, puesto que estamos utilizando un protocolo sin conexión.

Conexión Pasiva

Para crear una conexión pasiva (desde un servidor), utilizamos bind().

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

Esta asigna una dirección local al socket, para que pueda recibir conexiones de clientes. Retorna 0 en caso de éxito, y -1 en caso de error (y establece la variable externa errno).

Luego de esto, debemos utilizar la función listen() para convertirlo en un socket pasivo.

int listen(int sockfd, int backlog);

Recibe por parámetro el backlog que es la longitud máxima de la cola de conexiones pendientes que puede tener el servidor. Retorna 0 en caso de éxito, y -1 en caso de error (y establece la variable externa errno).

Distintas implementaciones de los distintos sistemas operativos toman el número backlog de forma distinta. Algunas implementaciones lo toman como la cantidad total de conexiones ya establecidas, y otras implementaciones como la cantidad total de conexiones (las pendientes y las establecidas).

Conexiones Entrantes

Para tomar una conexión entrante de un cliente, utilizamos accept().

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

Esta función extrae una conexión establecida de la cola de conexiones. Escribe en cliaddr la dirección del cliente con el que se conectó. Si todavía no hay ninguna conexión, entonces el proceso se bloquea hasta que llegue una conexión.

Retorna el file descriptor del cliente en caso de éxito, el cual se utilizará para comunicarse con él. En caso de error, retorna -1 (y establece la variable externa errno).

Dirección de Socket

La dirección de un socket se define de forma genérica con la estructura sockaddr.

struct sockaddr {
	unsigned short sa_familty;
	char sa_data[14];
}

En sa_family se guarda la familia del protocolo. En sa_data se guarda tanto la dirección como el puerto

Por otro lado, tendremos sockaddr_in para cuando utilizamos IP.

struct sockaddr_in {
	short int sin_family;
	unsigned short int sin_port;
	struct in_addr sin_addr;
	unsigned char sin_zero[8];
}

Finalmente, guardamos la dirección en

typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr {
	in_addr_t s_addr;
}

Sockets en Rust

El módulo de std::net nos ofrece estructuras para el manejo de la red.

Conexión Activa

Para conectarse a un servidor, el cliente ejecuta el método connect, que crea un TcpStream. Un stream representa una conexión abierta entre el cliente y el servidor.

pub fn connect<A: ToSocketAddrs>(addr: A) -> Result<TcpStream>

Se le puede enviar un iterador de direcciones, intentando ocnectarse a cada una, hasta lograrlo.

Lectura / Escritura

Un TcpStream implementa tanto el trait std::io::Read como el trait std::io::Write, por lo que tendremos disponibles los métodos de escritura y lectura de bytes.

fn read(&mut self, buf: &mut [u8]) -> Result<usize>
fn write(&mut self, buf: &mut [u8]) -> Result<usize>

El método flush realiza una espera, previniendo que el programa continúe sin haber escrito en la conexión todos los bytes.

fn flush(&mut self) -> Result<()>;

Conexión Pasiva

Para asociar un socket a una dirección, utilizamos la función connect que crea un nuevo TcpListener y lo asocia a una dirección.

pub fn bind<A: ToSocketAddrs>(addr: A) -> Result<TcpListener>

El listener retornado está listo para aceptar conexiones.

Conexiones Entrantes

El método incoming retorna un iterador que devuelva una secuencia de conexiones de tipo TcpStream. La iteración es sobre intentos de conexiones (puede devolver error).

pub fn incoming(&self) -> Incoming<'_>

Si se quiere aceptar una única conexión, podemos utilizar el método accept, que bloquea el hilo hasta que surja una conexión establecida.

pub fn accept(&self) -> Result<(TcpStream, SocketAddr)>

Cierre de Conexión

El cierre de la conexión TCP puede ser realizado de forma individual. La conexión establecida con TcpStream se cierra automáticamente cuando el valor ejecuta drop.

Para cerrar el extremo de escritura, lectura, o ambos, podemos utilizar el método shutdown.

pub fn shutdown(&self, how: Shutdown) -> Result<()>