Programmazione di rete con i SOCKET

In questo articolo, Programmazione di rete con i SOCKET, esploreremo i concetti fondamentali della programmazione con i socket, con un focus su tipologie, modelli di comunicazione, e una guida pratica all’implementazione in linguaggi come Java. Partiremo dai principi base per arrivare a una panoramica sugli stream socket e datagram socket, passando per le API storiche come quelle di Berkeley e i paradigmi di programmazione client-server. Inoltre, toccheremo temi come l’identificazione tramite IP e porte logiche, l’uso del multicast e i protocolli più utilizzati come TCP e UDP.

Indice dei contenuti

Introduzione

La programmazione di rete rappresenta uno degli ambiti fondamentali dell’informatica moderna, poiché consente la comunicazione tra dispositivi attraverso infrastrutture di rete locali (LAN) e geografiche (WAN). Gran parte delle applicazioni che utilizziamo quotidianamente, come i videogiochi online, i sistemi di messaggistica istantanea e i servizi cloud, si basa su meccanismi di comunicazione di rete efficienti e affidabili.

Tra le tecnologie alla base di queste comunicazioni, i socket rivestono un ruolo centrale. Essi costituiscono l’interfaccia software che permette ai processi di scambiarsi dati attraverso la rete, rendendo possibile l’interazione tra applicazioni in esecuzione su host differenti.

Introduzione alla Programmazione di Rete e ai Socket

La programmazione di rete (Networking Programming) è il processo di sviluppo di applicazioni software capaci di comunicare tra loro sfruttando una rete di calcolatori. Tale comunicazione avviene attraverso protocolli standardizzati che permettono lo scambio di informazioni in modo strutturato, affidabile ed efficiente.

Grazie alla programmazione di rete, applicazioni in esecuzione su computer diversi possono cooperare, condividere risorse e fornire servizi distribuiti, come accade nei sistemi di messaggistica, nei servizi web e nelle piattaforme cloud.

API : una panoramica

I moderni sistemi operativi, come Windows e Linux, mettono a disposizione degli sviluppatori un insieme di interfacce denominate API di rete (Application Programming Interface). Queste API si collocano tra i protocolli di trasporto, come TCP e UDP, e i livelli superiori della comunicazione, consentendo alle applicazioni di utilizzare direttamente i servizi di rete senza dover gestire i dettagli più complessi dei livelli inferiori.

In origine, tali API erano accessibili principalmente tramite funzioni scritte in linguaggio C. Oggi, tuttavia, la maggior parte dei linguaggi di programmazione moderni, come Java e Python, fornisce librerie e classi che semplificano notevolmente l’utilizzo delle funzionalità di rete. Quando si utilizza direttamente questa interfaccia, si parla di programmazione a livello di socket.

Programmazione a Livello Applicativo

Con la diffusione del modello client-server e delle applicazioni web, la programmazione di rete si è estesa anche a un livello più alto di astrazione. In questo caso, le applicazioni utilizzano API applicative basate su protocolli come HTTP, che semplificano ulteriormente la comunicazione e la trasmissione dei dati tra client e server.

Questo approccio, definito programmazione a livello applicativo, è ampiamente utilizzato nello sviluppo di servizi web e applicazioni distribuite.

Berkeley Socket API e le Alternative

Le API per la programmazione a livello di socket nascono nel 1981 presso l’Università di Berkeley, nell’ambito del progetto Berkeley Software Distribution (BSD), una variante del sistema operativo Unix. Questo modello, noto come Berkeley Socket API, è diventato uno standard di fatto.

I principali sistemi operativi implementano questa interfaccia con lievi variazioni:

• Linux utilizza direttamente la Berkeley Socket API.
• Windows adotta una variante chiamata WinSock, concettualmente molto simile.

Entrambe le implementazioni supportano il paradigma client-server e i principali protocolli di trasporto:

UDP, basato su datagrammi e non affidabile.

TCP, orientato alla connessione e affidabile;

Definizione di Socket

Affinché un processo in esecuzione su un host possa inviare dati a un processo presente su un altro host, è necessario identificare in modo univoco il destinatario. L’indirizzo IP identifica il dispositivo all’interno della rete, ma non è sufficiente per individuare il singolo servizio o processo in esecuzione su quella macchina.

Porte logiche di comunicazione

Ogni host può eseguire contemporaneamente più applicazioni di rete. Per distinguere tali applicazioni, vengono utilizzate le porte logiche, numeri a 16 bit che consentono di identificare fino a 65.536 canali di comunicazione, numerati da 0 a 65535.

Le porte sono suddivise in tre categorie principali:

• Well Known Ports (0–1023): riservate ai servizi standard, come HTTP, FTP e SMTP.
• Registered Ports (1024–49151): assegnate a specifiche applicazioni e utilizzate prevalentemente dai client.
• Dynamic o Private Ports (49152–65535): assegnate dinamicamente dal sistema operativo ai processi.

Identificazione di un servizio e concetto di socket

Un servizio di rete viene identificato in modo univoco dalla combinazione tra indirizzo IP e numero di porta logica. Questa associazione viene indicata nella forma:

< indirizzo IP : numero di porta >

Tale coppia prende il nome di socket e rappresenta il punto di accesso di un processo verso la rete. Ogni comunicazione tra processi avviene attraverso i rispettivi socket, che fungono da interfaccia tra l’applicazione e il protocollo di rete utilizzato.

Identificazione univoca di una connessione

Quando più connessioni sono attive contemporaneamente, è necessario distinguere in modo univoco ogni singola comunicazione. A questo scopo viene utilizzata una struttura chiamata association, definita da una quintupla composta da:

• indirizzo IP del mittente;
• porta del mittente;
• indirizzo IP del destinatario;
• porta del destinatario;
• protocollo di trasporto utilizzato.

Questa quintupla consente di identificare senza ambiguità ogni connessione di rete.

Famiglie di Socket

Stream socket (SOCK_STREAM)

Gli stream socket permettono di realizzare comunicazioni affidabili e orientate alla connessione, basate sul protocollo TCP. Essi garantiscono una trasmissione ordinata dei dati e una comunicazione bidirezionale simultanea.

In questo modello, i dati vengono trattati come un flusso continuo di byte e arrivano al destinatario nello stesso ordine in cui sono stati inviati. L’affidabilità del canale assicura che non vi siano duplicazioni o perdite di dati.

Ciclo operativo degli stream socket

Nel lato server, il processo crea un socket e si mette in ascolto su una porta specifica. Quando arriva una richiesta di connessione, il server utilizza una primitiva come accept() per creare un nuovo socket dedicato esclusivamente alla comunicazione con il client.

Nel lato client, il processo avvia la connessione verso il socket del server specificando indirizzo IP e porta. Una volta stabilita la connessione, il sistema operativo assegna automaticamente una porta locale al client.

La comunicazione avviene tramite operazioni di lettura e scrittura sul socket e prosegue fino a quando uno dei due estremi chiude il canale.

Datagram socket (SOCK_DGRAM)

I datagram socket consentono una comunicazione senza connessione, basata sull’invio di pacchetti indipendenti, tipicamente utilizzando il protocollo UDP. In questo caso, non viene garantita né la consegna dei dati né il loro ordine di arrivo.

Un singolo socket può inviare dati a più destinatari e ricevere messaggi da sorgenti differenti, rendendo questo modello particolarmente flessibile.

Modalità operative

Ogni processo crea il proprio socket e utilizza primitive specifiche per inviare e ricevere i datagrammi. In Java, ad esempio, si utilizzano i metodi send() e receive(), mentre in C si ricorre a funzioni come sendto() e recvfrom().

Questo approccio è ideale in contesti in cui la velocità è prioritaria rispetto all’affidabilità, come nel gaming online o nello streaming multimediale.

Conclusioni

In questo articolo abbiamo analizzato i concetti fondamentali della programmazione di rete, introducendo il ruolo dei socket nella comunicazione tra processi distribuiti. Abbiamo esaminato il significato di socket, le modalità di identificazione delle connessioni e le principali famiglie di socket utilizzate nelle applicazioni moderne.

I socket rappresentano una tecnologia essenziale per lo sviluppo di applicazioni di rete efficienti e scalabili. La comprensione di questi concetti costituisce una base solida per affrontare lo studio pratico della programmazione di rete.

Nei prossimi approfondimenti verranno presentati esempi concreti di utilizzo dei socket in Java, accompagnati da una guida alla configurazione dell’ambiente di sviluppo con Visual Studio Code. Questo permetterà di tradurre la teoria in pratica e di sviluppare applicazioni reali in modo consapevole ed efficace.