МАИ, Сети ЭВМ, Лекция №3

МАИ, каф 806, Сети ЭВМ
Программируем сокеты
1

МАИ, каф 806, Сети ЭВМ 2
Сокеты
Сокет –специальный дескриптор файла, для взаимодействия с сетью (термин произошел из UNIX).
Работает напрямую с транспортным уровнем стека TCP/IP.
Два типа сокетов:
 Сервис с соединением (на базе TCP).
 Сервис без соединения (на базе UDP).
a.

Сокеты с соединениемпротокол TCP
Сервис с соединением
Гарантированная доставка
Сохраняет последовательность переданных сообщений
Управление диалогом (можно передавать и получать данные тогда когда нам удобно)
Не очень быстрый
Сокеты Беркли могут работать в одном из двух режимов: блокирующем или неблокирующем. Блокирующий сокет не возвращает контроль пока не отошлет (или пока не получит) все данные, указанные для операции.
3

Потоки
В общем случае при передаче данных в сеть (и соответственно при приеме) мы будем работать с сетью как с файлами.
Мы будем писать и считывать данные «поточным» образом. Т.е. сеть для нас будет своего рода очередью.
Важно понимать, что поскольку данные передаются пакетами, то перед отправкой происходит группировка данных. Таким образом, данные отправляются в сеть не сразу, а в некоторый (случайный для верхнего слоя протокола) момент.
Можно управлять отправкой данных принудительно отправив буфер в сеть.
4

Сокеты с соединением.
Клиентское приложениеСерверное приложениеКлиентский сокетПоток получения данныхПоток отправки данныхСерверный сокетКлиентский сокетПоток отправки данныхПоток получения данныхВиртуальный диалогДанные соединенияСлужебные данныеПользовательские данныеПользовательские данные

В терминах C#
В момент работы метода accept происходит «зависание» сервера в ожидании входящего соединения.
6

Базовые классы005_Address
System.Net.IPAddress
http://msdn.microsoft.com/ru- ru/library/system.net.ipaddress.aspx
 Конструкторы
•Byte[]
•Int64
 Статические свойства
•Any
•Broadcast
•Loopback
•None
 Методы
•Parse (статический).
•TryParse (статический)
•ToString
IPAddress test1 = IPAddress.Parse("192.168.1.1");
IPAddress test2 = IPAddress.Loopback;
IPAddress test3 = IPAddress.Broadcast;
IPAddress test4 = IPAddress.Any;
IPAddress test5 = IPAddress.None;
IPHostEntry ihe = Dns.GetHostEntry(Dns.GetHostName());
7

Базовые классы006_EndPoint
System.Net.IPEndPoint
http://msdn.microsoft.com/ru- ru/library/system.net.ipendpoint.aspx
 Конструкторы
•IPEndPoint(IPAddress, Int32)
 Статические свойства
•MaxPort
•MinPort
 Свойства
•Address
•AddessFamily
•Port
IPHostEntry ihe = Dns.GetHostEntry(Dns.GetHostName());
IPAddress test1 = ihe.AddressList[0];
IPEndPoint ie = new IPEndPoint(test1, 8000);
8

Сокеты с соединением. С#.Базовые классы
1.using System;
2.using System.Net;
3.namespace _06_EndPoint
4.{
5.class Program
6.{
7.static void Main(string[] args)
8.{
9.IPAddress test1 = IPAddress.Parse("192.168.1.1");
10.IPEndPoint ie = new IPEndPoint(test1, 8000);
11.Console.WriteLine("The IPEndPoint is: {0}",ie.ToString());
12.Console.WriteLine("The AddressFamily is: {0}",ie.AddressFamily);
13.Console.WriteLine("The address is: {0}, and the port is: {1}n", ie.Address, ie.Port);
14.Console.WriteLine("The min port number is: {0}",IPEndPoint.MinPort);
15.Console.WriteLine("The max port number is: {0}n",IPEndPoint.MaxPort);
16.ie.Port = 80;
17.Console.WriteLine("The changed IPEndPoint value is: {0}", ie.ToString());
18.SocketAddress sa = ie.Serialize();
19.Console.WriteLine("The SocketAddress is: {0}", sa.ToString());
20.}
21.}
22.}

Сокеты с соединением. С#. Сервер.
Базовые классы
 System.Net.IPEndPoint
 System.Net.IPAddress
 System.Net.Sockets.Socket
Сценарий
 Создание точки подсоединения
 Создание сокета
 Связывание точки подсоединения и сокета
 Ожидание соединения
 Соединение с клиентом
 Отправка/передача данных
 Завершение сеанса связи с клиентом
 Завершение ожидания подсоединения.

Сокеты с соединением. С#. Сервер. немного UML
sd C# СерверПрограмма Сервер:IPEndPoint:Socket:Socketloop Последовательность определяется прикладным протоколомloop Пока реаботает серверbind() listen() Accept() SocketReceive() Send() Shutdown() Close() Close()

Сокеты с соединением. С#. Клиент.
 System.Net.IPEndPoint
 System.Net.IPAddress
 System.Net.Sockets.Socket
Сценарий
 Создание точки подсоединения
 Связывание точки подсоединения и сокета
 Соединение с сервером
 Завершение сеанса связи с сервером

Сокеты с соединением. С#. Клиентнемного UML
sd С# КлиентПрограмма Клиент:IPEndPoint:Socketloop Последовательность определяется прикладным протоколомConnect() Send() Receive() Shutdown() Close()

Пример использование TCP Socket [1/2] .NET Framework
privatestaticvoidOnBeginAccept(IAsyncResultar)
{
Socketlistener=(Socket)ar.AsyncState;
using(Socketclient=listener.EndAccept(ar))
{
byte[]buffer=newbyte[_bufferSize];
client.Receive(buffer);
buffer=Encoding.UTF8.GetBytes(string.Format("Hello,{0}", Encoding.UTF8.GetString(buffer)));
client.Send(buffer);
}
}
14

Пример использование TCP Socket [2/2] .NET Framework
staticvoidMain(string[]args)
{
EndPointendPoint=newIPEndPoint(IPAddress.Loopback,8320);
using(Socketlistener=newSocket(endPoint.AddressFamily,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp))
using(Socketclient=newSocket(endPoint.AddressFamily,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp))
{
listener.Bind(endPoint);
listener.Listen(1);
listener.BeginAccept(newAsyncCallback(OnBeginAccept),listener);
client.Connect(endPoint);
Console.Write("Введитесообщение:");
stringrequest=Console.ReadLine();
intcount=client.Send(Encoding.UTF8.GetBytes(request));
byte[]buffer=newbyte[_bufferSize];
client.Receive(buffer);
stringresponse=Encoding.UTF8.GetString(buffer);
intindex=response.IndexOf('0');
Console.WriteLine(string.Format("Ответсервера:{0}",
response.Remove(index)));
}
}
15

Сокеты и безопасностьNegotiateStream-Клиент
static void Main(string[] args)
{
TcpClient client = new TcpClient();
client.Connect("localhost", 4242);
NegotiateStream kerb = new NegotiateStream(client.GetStream());
kerb.AuthenticateAsClient(CredentialCache.DefaultNetworkCredentials, @"stsddzuba",
ProtectionLevel.EncryptAndSign,
System.Security.Principal.TokenImpersonationLevel.Impersonation);
StreamWriter writer = new StreamWriter(kerb);
writer.WriteLine("Hello kerberized Server");
}
16

Сокеты и безопасностьNegotiateStream-Сервер
static void Main(string[] args)
{
TcpListener listener = new TcpListener(4242);
listener.Start();
TcpClient client = listener.AcceptTcpClient();
NegotiateStream kerb = new NegotiateStream(client.GetStream());
kerb.AuthenticateAsServer(CredentialCache.DefaultNetworkCredentials,
ProtectionLevel.EncryptAndSign,
TokenImpersonationLevel.Impersonation);
Console.WriteLine("Client Identity: {0}", kerb.RemoteIdentity.Name);
WindowsPrincipal principal = newWindowsPrincipal((WindowsIdentity)kerb.RemoteIdentity);
Console.WriteLine("Is Admin? : {0}", principal.IsInRole(WindowsBuiltInRole.Administrator));
Thread.CurrentPrincipal = principal;
DoSomethingOnlyUsersCanDo();
}
[PrincipalPermission(SecurityAction.Demand, Role=@"Пользователи")]
static void DoSomethingOnlyUsersCanDo()
{Console.WriteLine("Users only");}
17

Сокеты без соединенияпротокол UDP
Сервис без соединения (т.е. пересылаем автономные пакеты)
Не гарантированная доставка.
Не гарантированная последовательность.
Очень быстрый
Пример использования: при авторизации клиентов для работы с интернет (популярный протокол RADIUS реализован поверх UDP)
18

Сокеты без соединения. C#. СерверПротокол UDP
1.using System;
2.using System.Net;
3.using System.Net.Sockets;
4.using System.Collections.Generic;
5.using System.Text;
6.namespace _08_UDPClient
7.{
8.class Program
9.{
11.{
12.int recv;
13.byte[] data = new byte[1024];
14.IPEndPoint ipep = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 9050);
15.Socket newsock = new Socket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
16.newsock.Bind(ipep);
17.Console.WriteLine("Waiting for a client...");
18.IPEndPoint sender = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
19.EndPoint Remote = (EndPoint)(sender);
20.recv = newsock.ReceiveFrom(data, ref Remote);
21.Console.WriteLine("Message received from {0}:", Remote.ToString());
22.Console.WriteLine(Encoding.ASCII.GetString(data, 0, recv));
23.string welcome = "Welcome to my test server";
24.data = Encoding.ASCII.GetBytes(welcome);
25.newsock.SendTo(data, data.Length, SocketFlags.None, Remote);
26.while (true) {
27.data = new byte[1024];
28.recv = newsock.ReceiveFrom(data, ref Remote);
29.Console.WriteLine(Encoding.ASCII.GetString(data, 0, recv));
30.newsock.SendTo(data, recv, SocketFlags.None, Remote);
31.}
32.}
33.}
34.}

Сокеты без соединения. C#. Broadcast сообщения
1.using System;
2.using System.Collections.Generic;
3.using System.Text;
4.using System.Net;
5.using System.Net.Sockets;
6.namespace _09_Broadcst
7.{
8.class Program
9.{
11.{
12.Socket sock = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram,ProtocolType.Udp);
13.IPEndPoint iep1 = new IPEndPoint(IPAddress.Broadcast, 9050);
14.IPEndPoint iep2 = new IPEndPoint(IPAddress.Parse("192.168.1.255"), 9050);
15.string hostname = Dns.GetHostName();
16.byte[] data = Encoding.ASCII.GetBytes(hostname);
17.sock.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket,SocketOptionName.Broadcast, 1);
18.sock.SendTo(data, iep1);
19.sock.SendTo(data, iep2);
20.sock.Close();
21.}
22.}
23.}

Как передать данные на другой компьютер?
Протокол данных TCP и UDP предоставляют сервис по передаче данных в виде последовательности байт.
Как передать сложные структуры данных?
Необходима реализация дополнительного слоя, предоставляющего сервис по преобразованию данных из нужного формата в поток байт и обратно.
Как это сделать наиболее просто?
21

Как передать объект на другую машину? сериализацияв .NET
В отличие от приложений на неуправляемом коде, приложения .NET Framework не обязательно выполняются в виде отдельных процессов, а могут существовать в пределах одного процесса операционной системы в своих собственных областях, называемых доменами приложения. Такие области можно рассматривать как некоторые логические процессы виртуальной машины CLR.
При передаче между доменами приложений некоторого объекта для его класса должна быть определена процедура сериализации, которая позволяетсохранитьсостояние объекта в некотором внешнем хранилище (например, в файле, или в сообщении транспортного протокола) припомощипотоков ввода-вывода, и процедура десериализации, создающая копию объекта по сохраненному состоянию
22

А что если объект сложный? граф объектов
Задача сериализации объекта, включающего только поля из элементарных типов значений (наследников классаSystem.ValueType) и строк, не представляет принципиальных трудностей. Для такого объекта в ходе сериализации в поток записываются сами значения всех полей объекта. Однако в общем случае объект содержит ссылки на другие объекты, которые, в свою очередь, могут ссылаться друг на друга, образуя так называемый граф объектов (object graph). 23
public class SampleClass
{
public SampleClassfieldA= null;
public SampleClassfieldB= null;
}
...
SampleClassroot = new SampleClass();
SampleClasschild1 = new SampleClass();
SampleClasschild2 = new SampleClass();
root.fieldA= child1;
root.fieldB= child2;
child1.fieldA = child2;

Просто пронумеруем объектыпочти как ссылки в C++
ObjectID ? В ходе сериализации объектам должны быть поставлены в соответствие некоторые идентификаторы, и в хранилище отдельно сохраняется список объектов, отмеченный идентификаторами, а при сериализации вместо ссылок записываются идентификаторы ссылаемых объектов.
Виртуальный адрес! В программе роль идентификатора объекта выполняет его адрес, но вместо него обычно удобнее назначить некоторые идентификаторы в процедуре сериализации для более легкого чтения человеком полученного образа.
Hash-map … В ходе сериализации нужно ввести список адресов уже записанных объектов, как для ведения списка идентификаторов, так и для обнаружения возможных циклов при обходе графа методом в глубину.
24

.Net Frameworkчем нам поможет?
В .NET Framework выделяется три различных независимых класса форматирования:
 XmlSerializer
 SoapFormatter
 BinaryFormatter.
Технологии
технология веб служб ASP.NETиспользуетXmlSerializer;
технология RemotingиспользуетSoapFormatter,BinaryFormatterили созданный пользователем класс;
при работе с сообщениями MSMQиспользуетсяXmlSerializer(черезXMLMessageFormatter), илиBinaryFormatter(через BinaryMessageFormatter), или созданный пользователем класс;
технология Enterprise Services основана на Remoting и используетBinaryFormatter.
25

System.Xml.XmlSerializer
КлассXmlSerializerреализует открытый текстовый метод сериализации,использующийXML в качестве базового формата хранения и схемы XML для спецификации документа с результатом сериализации.
Начиная с .NET Framework2.0XmlSerializerпозволяет сериализоватьпубличные классы, имеющие конструктор без параметров типаpublicи отвечающие одному из следующих требований:
Класс реализует интерфейсIXMLSerializable. В этом случаеXmlSerializerпросто использует при сериализацииметоды классаGetSchema,ReadXml,WriteXml.
Класс реализует интерфейсSystem.Collections.IEnumerable, но не реализуетICollectionи содержит публичный методAddc единственным параметром, имеющим тип, совпадающий с типом результатасвойстваIEnumerator.CurrentметодаGetEnumeratorсериализуемогообъекта. Такой класс сериализуетсячерез вызовы классаIEnumerator, возвращаемого методомGetEnumerator, а его публичные поля и свойства не сериализуются.
Класс реализует интерфейсSystem.Collections.ICollection, но не реализуетIEnumerable. Для такого класса осуществляется сериализациятолько свойстваItemи публичных полей, реализующих интерфейсICollection. Другие публичные поля и свойства не сериализуются.
Класс реализует интерфейсыICollectionиIEnumerable, имеет публичное индексированное свойствоItemc целым индексом и публичное целое свойствоCount. Тип, принимаемый методомAdd, должен быть типом свойстваItemили одним из его предков. Другие публичные поля и свойства не сериализуются.
Класс не реализует ни один из интерфейсовIXMLSerializer,IEnumerable,ICollectionи имеет атрибутSystem.SerializableAttribute. В этом случае будут сериализованыпубличные свойства и поля класса с учетом специальных атрибутов, управляющих процессом сериализации.
 Подлежащие сериализациипубличные свойства должны иметь реализацию обоих методов,getиset. Кроме того, если класс не использует собственную процедуру сериализации, то он не должен иметь свойств или полей типа интерфейс или многомерных массивов, вместо них следует использовать вложенные массивы.
26

Работа с XSD схемами
В состав .NET Framework входит утилитаxsd.exe, позволяющая выполнять три основные задачи:
создание частичного (partial) описания класса на С# по схеме XSD;
создание схемы XSD по классу С#;
создание схемы XSD по образцу XML-файла (правильность зависит от полноты образца).
Формат: xsd.exe assembly/type:type_name
Таким образом, прииспользованиидля обмена данными между компонентами классаXmlSerializerможно как создать схему по сериализуемому классу и представить ее в качестве спецификации передаваемых данных, так и сгенерировать на языке C# код описания публичных свойств класса из XSD-схемы.
27

XmlSerializerитого
Особенностью классаXMLSerializerявляется то, что в ходе работы он создает сборки с кодом сериализации для каждого обрабатываемого класса при вызове его конструктора.
Если такая задержка нежелательна (например, программа не совершает повторяющейся сериализации одного и того же класса, но желает при этом осуществлять операции максимально быстро), то при помощи утилиты sgen.exe можно заранее создать такие сборки и затем подключить их к проекту.
Резюмируя краткое описаниеXMLSerializer, следует отметить, что несмотря на отдельные сложности его применения к некоторым классам, его использование позволяет создать открытое взаимодействия удаленных компонент со спецификацией сериализуемых классов в виде схемы XSD.
28

System.Runtime.Serialization.Formatters.Soap.SoapFormatterSystem.Runtime.Serialization.Formatters.Binary.BinaryFormatter
Класс форматированияBinaryFormatterреализует двоичный закрытый метод сериализации.
КлассSoapFormatter–текстовый и открытый, основанный на спецификации кодирования SOAP-RPC
Оба указанных класса в простейшем случае при сериализации сохраняют все поля класса (но не его свойства), вне зависимости от их видимости.
Поля, имеющие атрибутSystem.NonSerializeAttribute, игнорируются.
Класс должен иметь атрибутSystem.SerializableAttribute.
Если же обрабатываемый класс реализует интерфейсISerializable:
 он сериализуется вызовом GetObjectData(SerializationInfo info, StreamingContext context)
 десериализация таких классов осуществляется вызовом конструктораISerializable(SerializationInfo info, StreamingContext context)
29

SOCKET
java
30

Сокеты с соединениемна примере JAVA
Носитель
Информации
java.io.OutputStream
Буфер
write
Байт
java.io.InputStream
read
Байт
Байт
Байт
flush

Носитель Информации
Потокив JavaПаттерн Decorator
Базовые интерфейсы
 InputStream
 OutputStream
Потоки-декораторы
 BufferedInputStream
 BufferedOutputStream
 DataInputStream
 DataOutputStream
 ObjectInputStream
 ObjectOutputStream
 PrintStream
Простые потоки
 FileInputStream
 FileOutputStream
 ByteArrayInputStream
 ByteArrayOutputStream
Носитель Информации
Поток-Модификатор
Метод Доступа потока-декоратора
Метод Доступа потока
Метод Доступа потока-декоратора
Метод приложения пользователя

Сокеты с соединением Java. Базовые классы
java.net.InetAddress
 Конструкторы –нет
 Статические методы
•getLocalHost
•getByName
•getAllByName
 Пример
1.import java.net.*;
2.classInetAddressTest
3.{
4.publicstaticvoidmain(Stringargs[]) throwsUnknownHostException
5.{
6.InetAddress Address = InetAddress.getLocalHost();
7.System.out.println(Address);
8.Address = InetAddress.getByName("www.soshnikov.com");
9.System.out.println(Address);
10.InetAddress SW[] = InetAddress.getAllByName("www.mai.ru");
11.for(inti=0; i<SW.length; i++)
12.System.out.println (SW[i]) ;
13.}
14.}

Сокеты с соединением. Java. Сервер.
 java.net.Socket
 java.net.ServerSocket
 java.io.InputStream
 java.io.OutputStream
Сценарий
 Ожидание соединения
 Соединение с клиентом
 Создание объектов-потоков
 Удаление объектов-потоков
 Завершение сеанса связи с клиентом
 Завершение ожидания подсоединения.

Сокеты с соединением. Java. Сервер.
1.importjava.net.*;
2.importjava.io.*;
3.publicclassServerExample
4.{
5.publicstaticvoidmain(Stringargv[])
6.{
7.try{
8.ServerSocket server= newServerSocket(2345);
9.while(true)
10.{
11.Socket client = server.accept();
12.OutputStream os = client.getOutputStream();
13.os.write("Hello World!".getBytes());
14.os.flush();
15.client.close();
16.}
17.} catch(IOException e)
18.{
19.}
20.}
21.}

Сокеты с соединением. Java. Клиент.
 java.net.Socket
 java.net.InetAddress
 java.io.InputStream
 java.io.OutputStream
Сценарий
 Создание адреса
 Соединение с сервером
 Создание объектов-потоков
 Удаление объектов-потоков
 Завершение сеанса связи с сервером

Сокеты с соединением. Java. Клиент.
1.importjava.net.*;
2.importjava.io.*;
3.publicclassClientExample
4.{
5.publicstaticvoidmain(Stringargv[])
6.{
7.try{
8.Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(),2048);
9.ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(client.getOutputStream());
10.ObjectInputStream is = new ObjectInputStream(client.getInputStream());
11.os.write(“Hello server!”);
12.Object result = is.readObject();
13.os.flush();
14.client.close();
15.}
16.} catch(Exception e)
17.{
18.}
19.}
20.}

Сокеты без соединения.Javaпротокол UDP
Классы
 java.net.DatagramSocket
 java.net.DatagramPacket
Пример:
1.bytebuffer[] = newbyte[1024];
2.DatagramSocket ds = newDatagramSocket(1111);
3.ds.send(new DatagramPacket( buffer, buffer.length, InetAddress.getLocalHost(), 2222));
4.DatagramPacket p = newDatagramPacket(buffer, buffer.length);
5.ds.receive(p);
6.System.out.println(new String(p.getData(),0,0,p.getLength())) ;

Библиотека java.nioнеблокирующие сокеты и цикличный буфер
Классы
 ServerSocketChannel
 SocketChannel
Использование
ByteBufferbuffer = ByteBuffer.allocate(4096); ServerSocketChannelssc= ServerSocketChannel.open(); ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080)); ssc.configureBlocking(false);
…
buffer.rewind(); sc.read(buffer)
39

Немного о проблемах написания высокопроизводительных серверов
Большое количество клиентов, и большое количество запросов от клиентов требуют от сервера эффективности обработки запросов.
Какие задачи выполняет сервер?
 Получает запрос от клиента
 Читает данные из сети
 Выполняет вычисления
 Отправляет данные клиенту
Создавая много потоков (Thread) мы потребляем много ресурсов, что приводит к деградации производительности.
Основные вопросы:
 Размер пула потоков?
 Один поток на каждого клиента?
 Один поток на всех клиентов и много потоков обработчиков?
40

МАИ, Сети ЭВМ, Лекция №3

More Related Content

What's hot (20)

Similar to МАИ, Сети ЭВМ, Лекция №3 (20)

More from Dima Dzuba (20)

МАИ, Сети ЭВМ, Лекция №3