Guía de Sockets

... o cómo conectar dos procesos sin morir en el intento

Objetivo

El presente documento tiene como fin explicar conceptos básicos de redes para luego poder adentrarse en qué son, cómo funcionan y cómo implementar sockets para crear un modelo cliente-servidor funcional para el trabajo práctico cuatrimestral.

¿Qué es un cliente-servidor?

Antes de poder adentrarnos a hablar de sockets y cómo conectar dos procesos en C, primero hay que definir y tener bien en claro un par de conceptos de redes que se necesitan para poder arrancar.

Casi todo el mundo de la informática está tomado por la arquitectura de cliente-servidor. En ella definimos dos partes que son, como el nombre indica, el cliente y el servidor.

El propósito del cliente es iniciar una conexión contra el servidor para realizar solicitudes, y este último es el que este va a entender y resolver. Cabe mencionar que si el servidor no está andando, el cliente no puede realizar ningún tipo de solicitud, y por lo tanto no puede operar.

Por otro lado, es responsabilidad del servidor aceptar las conexiones entrantes de los muchos clientes, es decir, ser capaz de atender varios clientes a la vez, y mantener disponibilidad de sus servicios una vez se haya terminado la solicitud de un cliente; por ejemplo, imagínense cómo sería el mundo si Google atendiera a un usuario a la vez cada solicitud que se hiciera una búsqueda, o si se cayera su servidor cada vez que un cliente cierra la pestaña.

A su vez, los servidores pueden ser clientes de otros servidores. Esta jerarquía puede ser indefinida.

Algunas preguntas clave para saber dentro de una arquitectura quién es cliente y quién es servidor:

• ¿Quién inicia la conexión con quién?
• ¿Qué proceso necesita atender a N de otro?
• ¿Qué proceso puede continuar funcionando con normalidad si se cae otro?

IPs y puertos. ¿Dónde atraco el barco?

Cuando tenemos dos computadoras o más dentro de una misma red (sea esta doméstica, empresarial o pública) dentro de esa red cada uno de los dispositivos tiene una IP, un ID único para cada dispositivo dentro de la red. Las IPs tienen la particularidad de ser cuatro números, separados por un punto, donde cada uno va de 0 a 255 (por ejemplo, 192.168.0.16). Si ahora mismo abrimos un cmd, powershell o cualquier otra terminal y escriben ipconfig para Windows o ifconfig para Linux y MacOSx , vamos a ver una pantalla que, entre otras cosas, nos dirá algo así como 192.168.algo.algo. Esa es la IP que la computadora tiene asignada dentro de nuestra red doméstica. Los celulares, otras computadoras u otros dispositivos que se conecten a Internet tienen sus propias IPs asignadas, todas distintas entre sí.

Luego, por otro lado, tenemos los puertos. Estos son unidades lógicas dentro del sistema operativo para que una misma computadora, y por lo tanto la misma IP, pueda tener varios procesos corriendo que necesiten operar dentro de la red. ¿Por qué necesitaríamos que nuestras computadoras sean capaces de tener más de un proceso de red corriendo? Tomen por ejemplo sus PCs en estos momentos, con un navegador abierto, y en el background aplicaciones como Discord, Spotify, Steam, actualizaciones del SO y muchísimas más corriendo en simultáneo. Cada una de estas ocupando un puerto distinto para conectarse a sus respectivos servidores, en sus respectivas IPs y puertos.

Cada sistema operativo tiene 65535 puertos (2^16), y tiene los primeros 1000 (por lo menos) reservados para sus tareas y otras cosas que no son relevantes para la materia. Lo importante es que cuando desarrollemos la comunicación entre nuestros procesos, debemos tomar puertos que estén libres porque, como ya dijimos, dos procesos no pueden ocupar el mismo puerto al mismo tiempo.

En síntesis, podemos pensar en la red como una calle donde la IP es análoga a la altura donde está el edificio al que queremos llegar, y el puerto es análogo al timbre/departamento que queremos llamar.

Protocolo de comunicación

Podemos definir un protocolo como una serie de pasos a seguir ante determinado evento. Por lo tanto, un protocolo de comunicación no es más que una definición y estandarización de cómo se van a estar comunicando dos procesos distintos en la red. Podríamos hacer una analogía de decir que para que dos procesos se puedan comunicar, necesitan estar hablando en el mismo idioma (protocolo).

Cuando dos procesos van a conectarse, lo primero que se realiza es una operación llamada handshake. No es más que una presentación por parte del cliente para hacerle saber al servidor que cumplen el mismo protocolo, y por lo tanto pueden entablar una comunicación.

Por otro lado, también es responsabilidad del servidor detectar cuando se le quiere conectar un cliente de otro protocolo para rechazar esa conexión

Sockets y Soquetes

Hablamos largo y tendido sobre las conexiones entre procesos, cómo se hacen y sobre los clientes y servidores que necesitan comunicarse mediante esas conexiones. Bueno, un socket es la representación que el sistema operativo le da a esa conexión. Cuando un cliente quiere iniciar una conexión contra su servidor, lo que hace es solicitarle al sistema operativo que cree un socket, hacer que ese socket ocupe un puerto libre, y se conecte con el socket del servidor que está a la espera de nuevos clientes, ocupando también un puerto del servidor.

Algunos se estarán preguntando; si interviene el sistema operativo, ¿hay llamadas al sistema? SÍ

Las llamadas al sistema que el cliente tiene que realizar para conectarse a su servidor son distintas a las que el servidor tiene que hacer para prepararse para recibir conexiones entrantes de los clientes. Por suerte, vamos a explicar el flujo y orden de cada una de ellas.

IMPORTANTE

El diagrama indica la secuencia en la que deberían ser llamadas las funciones. Que éstas estén al mismo nivel, no significa que deban suceder exactamente al mismo instante.

socket()

La primera syscall que hay que utilizar para iniciar una conexión por socket entre dos procesos es socket(). Esta lo que hace es generar lo que se llama un file descriptor (fd), que son básicamente los IDs que Linux utiliza para representar cualquier cosa del sistema (archivos, bloques de memoria, teclados, impresoras, monitores, discos rígidos, etc). Estos file descriptors son representados en los programas C por un entero, lo cual no quiere decir que todo entero sea un file descriptor.

Para poder crear un socket cliente y un servidor corriendo en la misma máquina, podemos hacerlo de la siguiente manera:

Cliente

int err;

struct addrinfo hints, *server_info;

memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_family = AF_INET;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;

err = getaddrinfo("127.0.0.1", "4444", &hints, &server_info);

int fd_conexion = socket(server_info->ai_family,
                         server_info->ai_socktype,
                         server_info->ai_protocol);

// ...

freeaddrinfo(server_info);

Servidor

int err;

struct addrinfo hints, *server_info;

memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_family = AF_INET;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_flags = AI_PASSIVE;

err = getaddrinfo(NULL, "4444", &hints, &server_info);

int fd_escucha = socket(server_info->ai_family,
                        server_info->ai_socktype,
                        server_info->ai_protocol);

// ...

freeaddrinfo(server_info);

getaddrinfo() es una llamada al sistema que devuelve información de red sobre la IP y puerto que le pasemos, en este caso del servidor. Escapa un poco del objetivo de este documento su funcionamiento, pero lo único que necesitamos saber es que nos guarda en la variable server_info un puntero que apunta hacia los datos necesarios para la creación del socket. Esta memoria que nos fue devuelta debe ser liberada con freeaddrinfo().

• Si el flag AI_PASSIVE está presente en hints.ai_flags y el primer parámetro de getaddrinfo() es NULL, las direcciones devueltas por getaddrinfo() son las adecuadas para crear un socket de escucha.

• Por el contrario, si no está presente el flag AI_PASSIVE y el primer parámetro de getaddrinfo() es una dirección IP, las direcciones devueltas por getaddrinfo() son las adecuadas para crear un socket de conexión.

Para el caso particular de socket() no vamos a entrar en muchos detalles de qué es cada parámetro de la función porque son conceptos que se escapan del alcance de la materia (y se verán en detalles en una correlativa de ésta). A fines didácticos, quedemos en que esta configuración nos crea un socket capaz de hacer todo lo que vamos a necesitar durante el cuatrimestre.

IMPORTANTÍSIMO

Seguramente te preguntarás: ¿qué hace esa variable err? Bueno, se la dejamos a modo de placeholder porque, si bien en esta guía solamente te estamos mostrando el "camino feliz", podría pasar que alguno de estos llamados a funciones falle.

Cuando esto ocurre, estas funciones no van a terminar el programa, sino que nos retornarán un valor que nos haga saber que la operación falló, dándonos el poder de decidir qué hacer cuando ésto ocurra.

Algunas funciones como socket() solo devuelven un valor especial en caso de error, pero no devuelven el motivo del mismo. En esos casos, vamos a necesitar de otra variable llamada errno para poder obtener el motivo del error.

TIP

En cada título les dejamos el link a la documentación de cada función para que puedan revisar al detalle qué valores pueden retornar y cómo manejar sus errores. Generalmente, al menos que les pidamos alguna lógica de reintentos, lo más común va a ser imprimir por pantalla el error y finalizar el programa con abort().

Estos links también les pueden ser de gran utilidad para imprimir errores:

• errno(3) — Linux manual page
• strerror(3) — Linux manual page
• error_show() - Commons Library
• gai_strerror(3p) — Linux manual page

bind() y listen()

Ya dijimos que los clientes para poder comunicarse con sus servidores, deben hacerlo a través de la IP del servidor físico en el que estén corriendo y el puerto que estén ocupando en dicho servidor a la espera de nuevas conexiones por parte de los clientes. Las llamadas al sistema que realizan esa preparación por parte del proceso servidor son bind() y listen().

bind() lo que hace es tomar el socket que creamos con anterioridad y pegarlo con pegamento industrial al puerto que le digamos.

Por otro lado, listen() toma ese mismo socket y lo marca en el sistema como un socket cuya única responsabilidad es notificar cuando un nuevo cliente esté intentando conectarse.

Una vez realizados ambos pasos, nuestro servidor está listo para recibir a los clientes.

Servidor

err = bind(fd_escucha, server_info->ai_addr, server_info->ai_addrlen);

err = listen(fd_escucha, SOMAXCONN);

bind() está recibiendo el puerto que debe ocupar a partir de los datos que le suministramos al getaddrinfo con anterioridad. En este caso estamos diciendo que obtenga información de red sobre una IP NULL, en el puerto 4444, arbitrario elegido para este ejemplo. Le decimos que obtenga información sobre la computadora local porque es en la computadora local donde estamos tratando de levantar el servidor para que los clientes en otras computadoras se puedan contectar.

Luego, listen() recibe como segundo parámetro la cantidad de conexiones vivas que puede mantener. SOMAXCONN como indica el nombre, es la cantidad máxima que admite el sistema operativo.

TIP

Probablemente la función bind() falle si uno inicia un servidor después de haber finalizado otro en el mismo puerto. Asumiendo que hicimos el chequeo del valor de err correspondiente, veremos que el error es Address already in use.

Esto se debe a que, por razones de seguridad, el sistema operativo no libera el puerto inmediatamente. Una forma de aliviar esto es agregar la siguiente línea inmediatamente luego de llamar a socket():

err = setsockopt(fd_escucha, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &(int){1}, sizeof(int));
if (err == -1) {
    error_show("setsockopt failed");
    abort();
}

setsockopt() es una función que sirve para agregar configuraciones extra a los sockets. En este caso, SO_REUSEPORT permite que varios sockets se puedan bind()ear a un puerto al mismo tiempo.^[1]

accept() y connect()

Una vez el socket del servidor se marcó en modo de escucha, estamos preparados para empezar a recibir las conexiones de nuestros clientes.

Para hacer esto, el servidor utiliza la llamada al sistema accept(), la cual es bloqueante. Esto significa que el proceso servidor se quedará bloqueado en accept() hasta que se le conecte un cliente.

Cuando el cliente intente conectarse al servidor, lo hará mediante la llamada al sistema connect(). Si el servidor no está en accept(), connect() fallará y devolverá un error.

Cliente

err = connect(fd_conexion, server_info->ai_addr, server_info->ai_addrlen);

Servidor

int fd_conexion = accept(fd_escucha, NULL, NULL);

Y así de simple, nuestros procesos ya están conectados.

Una vez que el cliente fue aceptado, accept() retorna un nuevo socket (file descriptor) que representa la conexión BIDIRECCIONAL entre ambos procesos.

Esto quiere decir nuestro fd_escucha no va a ser el que participe de dicha comunicación, solamente tiene la responsabilidad de quedarse escuchando nuevas conexiones y aceptarlas.

¿Y cómo hacemos para enviar mensajes entre ambos fd_conexion... ?

send() y recv()

Una vez establecida la conexión entre el cliente y el servidor, ya estamos listos para comenzar a enviar mensajes libremente entre ambos. Pero antes, un último paso que les recomendamos cumplir es un proceso que se conoce como handshake.

Como ya dijimos antes, su único propósito es enviar un paquete que le informe al ervidor cuál es el protocolo con el que está intentando iniciar una conversación para que el servidor le conteste si es capaz de entender ese protocolo (OK) o le informe que no en caso contrario (ERROR).

Entonces, a modo de ejemplo, tomemos un servidor super minimalista donde su handshake es que el cliente le envíe un int32_t (entero signado de 32 bits) cuyo valor sea 1. Digamos también por simpleza que cuando el servidor responde 0 es OK y -1 es ERROR.

Cliente

size_t bytes;

int32_t handshake = 1;
int32_t result;

bytes = send(fd_conexion, &handshake, sizeof(int32_t), 0);
bytes = recv(fd_conexion, &result, sizeof(int32_t), MSG_WAITALL);

if (result == 0) {
    // Handshake OK
} else {
    // Handshake ERROR
}

Servidor

size_t bytes;

int32_t handshake;
int32_t resultOk = 0;
int32_t resultError = -1;

bytes = recv(fd_conexion, &handshake, sizeof(int32_t), MSG_WAITALL);
if (handshake == 1) {
    bytes = send(fd_conexion, &resultOk, sizeof(int32_t), 0);
} else {
    bytes = send(fd_conexion, &resultError, sizeof(int32_t), 0);
}

recv en este caso es bloqueante debido a que le estamos pasando el flag MSG_WAITALL, que se encarga de esperar a que llegue por socket la cantidad de bytes que le decimos en el tercer parámetro. A causa de esto, el cliente espera la respuesta del handshake antes de continuar.

Por otro lado, si el cliente en lugar de enviar un 1, estuviera enviando otro entero, o un char con el valor "1", el servidor le devolvería error, porque éste entiende que está solicitando comunicarse mediante otro protocolo cuyo handshake sea ese.

Durante este proceso, en bytes nos vamos guardando la cantidad de bytes enviados y/o recibidos en ambos lados. Esto nos va a servir para ir validando que efectivamente se hayan enviado y recibido los bytes esperados y manejar los casos de error o de desconexión (este último lo veremos en detalle más adelante).

Una vez pasado el proceso de handshake, ya el cliente se encuentra en vía libre para poder enviarle otros mensajes al servidor para que éste le conteste con los resultados de sus solicitudes. Tanto send() como recv() se encargan de mover bytes de datos a través de la red, y eso es lo que representa el segundo parámetro de ambas funciones, y ese es el motivo por el que reciben una posición de memoria.

Todo muy lindo para los datos "primitivos" (int, char, float, strings, etc.), pero si la operación a solicitarle al servidor requiere más de un atributo estamos en un problema con el ejemplo visto. Para poder enviar datos más complejos a través de nuestros sockets, necesitamos enviar la información serializada.

IMPORTANTE

Para extender el concepto de serialización, tenemos disponible la guía, que incluye un modelo de paquete propuesto para el envío mediante sockets.

Algunos quizá estén pensando "¿por qué no puedo simplemente realizar múltiples send() para una sola operación/mensaje?" Porque al estar trabajando con paquetes de red no puedo garantizar el orden de llegada. Si necesito enviar un único mensaje simple cuyo contenido sea un entero o un string esto no es un problema ya que los datos primitivos están serializados en sí mismos, pero al complejizarse las solicitudes debido a que el servidor necesita más datos para poder procesarlos, serializar no es una recomendación, es una necesidad.

close()

Por último, e igual de importante que todo lo demás, los sockets una vez que no los usemos más deben ser cerrados con close(fd). Esto normalmente se realiza con los fd_conexion ya que, como dijimos antes, los fd_escucha deben dar disponibilidad constante para todas las solicitudes de los clientes que tenga en el tiempo en el que el proceso esté ejecutando.

Cuando uno de los dos nodos se desconecta, el otro podría estar esperando un mensaje o intentar enviar uno. De ser así, ambas syscalls se maneja de forma diferente:

• recv nos retorna el valor 0 para que podamos manejar esa desconexión y cerrar el socket que acceptamos con anterioridad.

• send lanza una señal llamada SIGPIPE que nos interrumpe la ejecución del programa. Si queremos evitar esto, podemos pasarle el flag MSG_NOSIGNAL como último parámetro al momento de invocarla.

TIP

Es muy importante tener en cuenta que la syscall close() no cierra el socket instantáneamente, sino que, a veces, por razones técnicas, el socket se mantiene vivo por algunos minutos luego de llamar a close().

Este tiempo de retardo puede variar entre 20 segundos y 4 minutos^[2].

Multiplexando ando

IMPORTANTE

Se recomienda fuertemente esperar a ver el concepto de "hilo" en la teoría de la materia y ver el video de hilos en C antes de comenzar este apartado.

Ya charlamos antes sobre que una de las condiciones para que un proceso servidor sea considerado servidor es necesario que sea capaz de atender a múltiples clientes de manera concurrente. El concepto de poder atender dos o más conexiones al mismo tiempo se conoce como multiplexación.

Pensemos en todo lo que hicimos hasta ahora. Creamos sockets en ambos cliente y servidor, marcamos el servidor en escucha a nuevas conexiones, y se queda bloqueado en accept hasta que su cliente haga connect(). ¿Y si otro cliente hace connect() mientras el servidor no está en accept() por estar atendiendo al otro cliente?

En general depende de la configuración de connect(), pero con el ejemplo que venimos armando se quedaría bloqueado hasta que el servidor lo acepte, cosa que no va a pasar hasta que no termine con el otro cliente, y por lo tanto, tenemos un problema.

Necesitamos de alguna herramienta que sea capaz de paralelizar tareas dentro de un mismo proceso. ¿Será que el sistema operativo nos brinda algo capaz de hacer esto?

¡Ya sé! ¡Hilos! Si bien los hilos no son llamadas al sistema relacionadas a los sockets, sí podemos usarlos para poder paralelizar las tareas que solicitan los muchos clientes que se nos van a conectar, para así poder volver lo más rápido posible al accept() con el socket de escucha. Lo que podemos hacer es algo por este estilo:

Servidor

while (1) {
     pthread_t thread;
     int *fd_conexion_ptr = malloc(sizeof(int));
     *fd_conexion_ptr = accept(fd_escucha, NULL, NULL);
     pthread_create(&thread,
                    NULL,
                    (void*) atender_cliente,
                    fd_conexion_ptr);
     pthread_detach(thread);
}

Entonces, de esta manera estamos creando un hilo por cada conexión nueva entrante, y ese hilo tendrá comunicación únicamente con el cliente cuyo socket le estemos pasando a través de pthread_create().

IMPORTANTE

El malloc() lo realizamos debido a que, como pthread_create() solamente acepta como parámetro un puntero hacia una posición de memoria, si le pasáramos un puntero a un int que se encuentra en el stack usando &, en el momento en el que el hilo quiera acceder al valor éste se habrá pisado luego del siguiente accept().

Entonces llegará un punto en el que todos los hilos que creemos van a estar usando siempre el mismo file descriptor (y eso probablemente genere condiciones de carrera).

Contenido complementario

Esta guía es un resumen bastante reducido y minimalista de la guía Beej (en inglés), donde obviamos muchos conceptos de redes que no interesan para esta materia. Para los interesados, o aquellos que deseen ahondar más en busca de distintas formas de implementación, les comentamos que además hay una traducción casera de la cátedra. Si ven alguna oportunidad de mejora en redacción o traducción estamos abiertos a escucharlos.

Notas finales

¡Y eso fue todo! Les recordamos que cualquier duda que se les presente, la pueden realizar en los medios de consulta correspondientes, y que hagan uso de las guías y los video tutoriales de esta página.

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1. Si bien la segurización de aplicaciones no está dentro del alcance de esta materia, es importante tener en cuenta que el uso de SO_REUSEPORT puede ser un riesgo de seguridad si no se toman las medidas necesarias. Cualquier proceso podría crashear nuestro servidor y ocupar el puerto que éste estaba utilizando sin darle tiempo al cliente de enterarse, pudiendo interceptar la comunicación y enviar mensajes maliciosos. A este tipo de ataque se lo conoce como "port hijacking". ↩︎

2. Why don't my sockets close? ↩︎