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title = "Re-implementare un protocollo in Rust"
summary = "Step 3: creare una libreria basata sul reverse engineering"
date = "2024-08-01"

tags = ["Libreria", "Lettore di presenze", "TCP", "Rust"]
categories = ["Progetti"]
series = ["Lettore di presenze"]
series_order = 3
+++

Nell'articolo precedente siamo riusciti a comprendere il significato dei
pacchetti che vengono scambiati fra il client ufficiale ed il lettore di
presenze.

Rimane solo una cosa da fare: **Riscrivere l'API in Rust!**

![Rewrite it in Rust](images/01-rewrite-it-in-rust.jpg)

## Ricreare l'API ufficiale

Per iniziare [installiamo Rust](https://rust-lang.org/tools/install/) e creiamo
un nuovo progetto tramite Cargo, il *package manager* di Rust, con il seguente
comando:

```shell
cargo new r701
```

Possiamo poi aprire il progetto col nostro [text editor di
fiducia](https://neovim.io/).

Dato che dobbiamo creare una libreria, andiamo a creare il file `src/lib.rs` e
cominciamo a scrivere la struct che descriverà il nostro lettore:

```rust
// src/lib.rs
use std::io::Result;
use std::net::{TcpStream, ToSocketAddrs};

#[derive(Debug)]
pub struct R701 {
    tcp_stream: TcpStream,
    sequence_number: u16,
}

impl R701 {
    pub fn connect(connection_info: impl ToSocketAddrs) -> Result<Self> {
        // Create a new R701 struct
        let mut new = Self {
            tcp_stream: TcpStream::connect(connection_info)?,
            sequence_number: 0,
        };

        // Try to ping the endpoint
        new.ping()?;
        Ok(new)
    }
}
```

La nostra struct contiene due campi:

* `tcp_stream`, che contiene il descrittore della connessione al nostro
  lettore;
* `sequence_number`, che memorizza il numero dell'ultimo pacchetto inviato.

Per provare se la nostra struct si connette correttamente possiamo modificare
il file `src/main.rs` in modo che si connetta al nostro endpoint:

```rust
// src/main.rs
use r701::R701;

fn main() {
    let r701 = R701::connect("127.0.0.1:5005").unwrap();
    println!("{:?}", r701);
}
```

Se adesso eseguiamo `cargo run`...

![Output di cargo run](images/02-tcp-working.png "Ecco il client che si
connette")

**Urrà!** Il nostro client si connette con successo al server TCP!

Il prossimo step sarà quello di utilizzare la libreria
[std::net::TcpStream](https://doc.rust-lang.org/std/net/struct.TcpStream.html)
per andare ad eseguire le query che abbiamo ricavato dal nostro tentativo di
[reverse
engineering](/it/posts/2024/05/studying-a-communication-protocol)
e ottenere ed elaborare le risposte.

Dato che [tutte le richieste hanno una struttura
standard](/it/posts/2024/05/studying-a-communication-protocol#richieste),
possiamo andare a creare un metodo che prende in input il payload di una
richiesta (rappresentata da una slice di 12 `u8`) e ritorni un `Vec<u8>`
contenente la risposta:

```rust { hl_lines=["6-23"] }
// src/lib.rs

impl R701 {
    // ...

    pub fn request(&mut self, payload: &[u8; 12]) -> Result<Vec<u8>> {
        // Create a blank request
        let mut request = [0x55, 0xaa, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0];
    
        // Insert the payload
        request[2..14].clone_from_slice(payload);
    
        // Insert the sequence number
        request[14..].clone_from_slice(&self.sequence_number.to_le_bytes());
        self.sequence_number += 1;
    
        // Send the request
        self.tcp_stream.write_all(&request)?;
    
        // Create a buffer and return the response
        let mut buffer = BufReader::new(&self.tcp_stream);
        Ok(buffer.fill_buf()?.to_vec())
    }
}
```

Possiamo verificare che tutto funzioni correttamente inviando un [pacchetto di
ping](/it/posts/2024/05/studying-a-communication-protocol#ping) e aspettandoci
la risposta corretta:

```rust { hl_lines=["7-10"] }
// src/main.rs
use r701::R701;

fn main() {
    let r701 = R701::connect("127.0.0.1:5005").unwrap();

    assert_eq!(
        r701.request(&[0x01, 0x80, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]).unwrap(),
        [0xaa, 0x55, 0x01, 0x01, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
    );
}
```

Potremmo addirittura rendere il ping un metodo a se stante nella nostra struct:

```rust { hl_lines=["6-16"] }
// src/lib.rs

impl R701 {
    // ...

    pub fn ping(&mut self) -> Result<()> {
        // Create a request with a payload of `01 80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00`
        let response = self.request(&[0x01, 0x80, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0])?;
    
        // If the response is not `aa 55 01 01 00 00 00 00 00 00` then return an error
        if response != [0xaa, 0x55, 0x01, 0x01, 0, 0, 0, 0, 0, 0] {
            return Err(Error::new(InvalidData, "Malformed response"));
        }
    
        Ok(())
    }
}
```

Con questo metodo possiamo andare a creare anche i metodi per ottenere il [nome
di un
dipendente](/it/posts/2024/05/studying-a-communication-protocol#nome-del-dipendente),
il [numero totale di
presenze](/it/posts/2024/05/studying-a-communication-protocol#numero-totale-di-presenze)
ed un [blocco di
presenze](/it/posts/2024/05/studying-a-communication-protocol#scaricamento-di-tutte-le-presenze).

Se siete interessati, tutto il codice sorgente è già presente su
[nicolabelluti/r701](https://git.nicolabelluti.me/nicolabelluti/r701/src/branch/main/src/r701.rs).

{{< gitea server="https://git.nicolabelluti.me" repo="nicolabelluti/r701" >}}

## Estrarre le presenze tramite il trait TryInto

Una volta creato il metodo che ci permette di estrarre un blocco di presenze,
bisogna trovare il modo idiomatico per trasformarlo da un array di byte a una
struct che rappresenti una singola presenza.

Per iniziare facciamo un po' di *refactoring* rinominando `src/lib.rs` in
`src/r701.rs` e creando un nuovo `src/lib.rs` contenente queste righe:

```rust
// src/lib.rs
mod r701;
pub use r701::R701;
```

In questo modo l'interfaccia esterna della nostra libreria non cambierà, però
così facendo possiamo organizzare il nostro codice in diversi file.

Aggiungiamo il file `src/record.rs` e includiamolo in `src/lib.rs`

```rust { hl_lines=[3,6] }
// src/lib.rs
mod r701;
mod record;

pub use r701::R701;
pub use record::{Record, Clock};
```

```rust
// src/record.rs
use chrono::{DateTime, Local, TimeZone};

pub enum Clock {
    FirstIn,
    FirstOut,
    SecondIn,
    SecondOut,
}

pub struct Record {
    pub employee_id: u32,
    pub clock: Clock,
    pub datetime: DateTime<Local>,
}
```

Con questo codice abbiamo definito la struttura di una presenza che, come
abbiamo detto nell'articolo precedente, è composta dall'ID del dipendente,
dalla data e dall'ora alla quale è stata registrata e dallo stato (se è la
prima entrata, la prima uscita, la seconda entrata o la seconda uscita).

Dato che [non vogliamo impazzire gestendo il
tempo](https://www.youtube.com/watch?v=-5wpm-gesOY), andiamo ad importare il
*crate* [chrono](https://crates.io/crates/chrono/) per la gestione delle date:

```shell
cargo add chrono --no-default-features --features clock
```

Per facilitare la conversione da un vettore di byte alla nostra struct `Record`
possiamo implementare il trait
[TryInto](https://doc.rust-lang.org/std/convert/trait.TryInto.html):

```rust
// src/record.rs
impl TryFrom<&[u8]> for Record {
    type Error = &'static str;

    fn try_from(record_bytes: &[u8]) -> Result<Self, Self::Error> {
        // ...
    }
}
```

Il codice finito è disponibile
[qua](https://git.nicolabelluti.me/nicolabelluti/r701/src/branch/main/src/record.rs#L32).

Possiamo testare se la conversione è corretta tramite un semplice test:

```rust
// src/record.rs

// ...

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn valid_record_conversion() {
        let record_bytes: &[u8] = &[0x10, 0x23, 0x0b, 0x1d, 0x01, 0, 0, 0, 0xb2, 0x17, 0x01, 0];

        assert_eq!(
            record_bytes.try_into(),
            Ok(Record {
                employee_id: 1,
                clock: Clock::FirstIn,
                datetime: Local.with_ymd_and_hms(1970, 1, 1, 0, 0, 0).single().unwrap(),
            })
        )
    }
}
```

## Unire il tutto tramite gli iteratori

Una volta trovato un modo per estrarre dei byte dal dispositivo ed un modo per
convertirli in una struct, dobbiamo trovare il modo idiomatico per mettere
insieme le due cose, ed è proprio qua che entrano in gioco gli iteratori.

Per implemetare il trait
[Iterator](https://doc.rust-lang.org/std/iter/trait.Iterator.html) bisogna
definire solo il metodo `next()` che, partendo dal primo elemento, ritorna
l'elemento successivo.

Una volta definito questo metodo avremmo accesso a molti altri strumenti, come
[map()](https://doc.rust-lang.org/std/iter/trait.Iterator.html#method.map),
[filter()](https://doc.rust-lang.org/std/iter/trait.Iterator.html#method.filter),
[fold()](https://doc.rust-lang.org/std/iter/trait.Iterator.html#method.fold) e,
se andiamo ad importare il *crate*
[itertools](https://crates.io/crates/itertools), anche
[sorted()](https://docs.rs/itertools/0.12.1/itertools/trait.Itertools.html#method.sorted)
e
[into_group_map_by()](https://docs.rs/itertools/0.12.1/itertools/trait.Itertools.html#method.into_group_map_by),
giusto per elencarne alcuni.

Come prima cosa andiamo a creare una nuova struct `RecordIterator` con un
costruttore `from()` che ci permetta di generare un iteratore prendendo in
input una *reference* mutabile ad una struct `R701`:

```rust { hl_lines=[4,8] }
// src/lib.rs
mod r701;
mod record;
mod record_iterator;

pub use r701::R701;
pub use record::{Record, Clock};
pub use record_iterator::RecordIterator;
```

```rust
// src/record_iterator.rs
use crate::R701;
use std::io::Result;

#[derive(Debug)]
pub struct RecordIterator<'a> {
    r701: &'a mut R701,
    input_buffer: Vec<u8>,
    sequence_number: u16,
    total_records: u16,
    record_count: u16,
}

impl<'a> RecordIterator<'a> {
    pub fn from(r701: &'a mut R701) -> Result<Self> {
        // ...
    }
}
```

Il metodo `from()` richiede al lettore il numero totale di timbrate ed il primo
blocco di presenze , salvandoli rispettivamente nella variabile `total_records`
e nel vettore `input_buffer`.

Il metodo `next()` del trait `Iterator` andrà poi a prendere i primi 12 byte
dell'`input buffer` e li trasformerà in una struct `Record` tramite il trait
`TryInto` che abbiamo implementato nel capitolo precedente.

Quando `input_buffer` è vuoto allora viene richiesto al lettore un'altro blocco
di presenze, fino a che non vengono lette tutte.

Se siete interessati tutto il codice è già [disponibile su
Git](https://git.nicolabelluti.me/nicolabelluti/r701/src/branch/main/src/record_iterator.rs).

```rust
// src/record_iterator.rs

// ...

impl<'a> Iterator for RecordIterator<'a> {
    type Item = Record;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        // ...
    }
}
```

Giusto per completezza possiamo implementare un metodo `into_record_iter` nella
struct `R701`, per semplificare l'utilizzo dell'iteratore:

```rust { hl_lines=[2,"9-11"] }
// src/r701.rs
use crate::RecordIterator;

// ...

impl R701 {
    // ...

    pub fn into_record_iter(&mut self) -> Result<RecordIterator> {
        RecordIterator::from(self)
    }
}
```

## Rendere il tutto *Blazingly Fast*

Come prima cosa andiamo a creare un main che crei un file con la stessa
struttura del file `AGLog_001.txt` che abbiamo visto nel [primo
capitolo](/it/posts/2024/04/reverse-engineering-an-attendance-reader/#dump-delle-registrazioni-tramite-usb)
di questa serie:

```rust
// src/main.rs
use r701::R701;

fn main() {
    let mut r701 = R701::connect("127.0.0.1:5005").unwrap();

    println!("No\tMchn\tEnNo\t\tName\t\tMode\tIOMd\tDateTime\t");
    r701.into_record_iter()
        .unwrap()
        .collect::<Vec<_>>()
        .iter()
        .enumerate()
        .for_each(|(id, record)| {
            let name = r701
                .get_name(record.employee_id)
                .unwrap()
                .unwrap_or(format!("user #{}", record.employee_id));

            println!(
                "{:0>6}\t{}\t{:0>9}\t{: <10}\t{}\t{}\t{}",
                id + 1,
                1,
                record.employee_id,
                name,
                35,
                record.clock as u8,
                record.datetime.format("%Y/%m/%d  %H:%M:%S"),
            );
        });
}
```

Già con questo `main()` riusciamo ad ottenere tutti i record in un po' meno di
un minuto, che è la metà del tempo che impiega il [client closed source
ufficiale](/it/posts/2024/05/studying-a-communication-protocol/#configurazione-del-client).

Certo, stiamo leggermente barando dato che il nostro client non riesce ad
estrarre l'ID del registratore, la modalità di registrazione della presenza ed
i secondi del campo `DateTime`, ma per il momento possiamo ignorarli dato che
sono campi superflui.

### Memoizzare il nome dei dipendenti

Per velocizzare ancora di più le cose potremmo evitare di chiedere al tibratore
il nome dei dipendente per ogni record.

Possiamo creare un `HashMap` di nomi e, per ogni record, verificare se il nome
è già presente al suo interno. Se no, allora si può chiedere al timbratore il
nome del dipendente per poi salvarlo all'interno dell `HashMap`.

In questo modo andiamo a ridurre il numero di richieste al minimo
indispensabile.

```rust { hl_lines=[3,6,"16-20"] }
// src/main.rs
use r701::R701;
use std::collections::HashMap;

fn main() {
    let mut names = HashMap::new();
    let mut r701 = R701::connect("127.0.0.1:5005").unwrap();

    println!("No\tMchn\tEnNo\t\tName\t\tMode\tIOMd\tDateTime\t");
    r701.into_record_iter()
        .unwrap()
        .collect::<Vec<_>>()
        .iter()
        .enumerate()
        .for_each(|(id, record)| {
            let name = names.entry(record.employee_id).or_insert_with(|| {
                r701.get_name(record.employee_id)
                    .unwrap()
                    .unwrap_or(format!("user #{}", record.employee_id))
            });

            // ...
        });
}
```

Con questa semplice modifica passiamo da ottenere tutti i record in un minuto
ad ottenerli in **un secondo**. Questo sì che è *blazingly fast*!

### Limitare la lettura delle presenze ad un certo arco temporale

Dato che mi interessano i dati dell'ultimo mese, possiamo utilizzare i metodi
[take_while()](https://doc.rust-lang.org/std/iter/trait.Iterator.html#method.take_while)
e
[skip_while()](https://doc.rust-lang.org/std/iter/trait.Iterator.html#method.skip_while)
per escludere tutti gli elementi precedenti allo scorso mese e per fermare
l'iteratore una volta estratti tutti i record interessati:

```rust { hl_lines=[4,"7-8","16-17"] }
// src/main.rs
use r701::R701;
use std::collections::HashMap;
use chrono::{Local, TimeZone};

fn main() {
    let start = Local.with_ymd_and_hms(2024, 7, 1, 0, 0, 0).unwrap();
    let end = Local.with_ymd_and_hms(2024, 8, 1, 0, 0, 0).unwrap();
    let mut names = HashMap::new();

    let mut r701 = R701::connect("127.0.0.1:5005").unwrap();

    println!("No\tMchn\tEnNo\t\tName\t\tMode\tIOMd\tDateTime\t");
    r701.into_record_iter()
        .unwrap()
        .take_while(|record| record.datetime < end)
        .skip_while(|record| record.datetime < start)
        .collect::<Vec<_>>()
        .iter()
        .enumerate()
        .for_each(|(id, record)| {
            // ...
        });
}
```

Questa modifica non migliora in alcun modo le performance, ma c'è un ultima
miglioria molto semplice che possiamo applicare per questo specifico caso
d'uso...

### Leggere le presenze al contrario

Al posto di iniziare dal primo record mai registrato ed escludere tutti i
record fino ad arrivare al primo del mese interessato potremmo leggere i record
al contrario, partendo da quello più recente ed andando verso a quello più
datato.

Questa miglioria richiede [un po' di
modifiche](https://git.nicolabelluti.me/nicolabelluti/r701/compare/f0ac5fe7..0dd05c0d#diff-44adb0ed617220e3fd4a4bbb2e361059ac47d9c4),
ma ne vale la pena considerando che ci fa passare da un po' meno di un secondo
a **0,2 secondi**!

```rust { hl_lines=["11-12",15] }
// src/main.rs

// ...

fn main() {
    // ...

    println!("No\tMchn\tEnNo\t\tName\t\tMode\tIOMd\tDateTime\t");
    r701.into_record_iter()
        .unwrap()
        .take_while(|record| record.datetime >= start)
        .skip_while(|record| record.datetime >= end)
        .collect::<Vec<_>>()
        .iter()
        .rev()
        .enumerate()
        .for_each(|(id, record)| {
            // ...
        });
}
``
