Национална академия по разработка на софтуер
Разработка на Java приложения, които си комуникират по TCP/IP мрежи
Изтегляне 2.68 Mb.
|
- Навигация на страницата:
- 1.1.Как работи Интернет. Основи на TCP/IP мрежите
- 7-слоен OSI модел на компютърните мрежи
- Пакет от протоколи TCP/IP
- 4-слоен модел на TCP/IP мрежите
- Портове – какво представляват и защо за необходими
- Как работят сокетите и портовете
- Програмен модел клиент/сървър
- Още за сокетите и портовете
- Портовете при UDP протокола
- Услуги в Интернет и стандартни номера на портове
- Класове за работа с мрежа в Java
Разработка на Java приложения, които си комуникират по TCP/IP мрежиВ настоящата глава ще разгледаме средствата на Java за разработка на Интернет приложения, които си комуникират със сокети по стандартните за Интернет протоколи TCP/IP. В началото ще направим кратък преглед на TCP/IP мрежите с който ще въведем базови понятия като IP адрес, сокет, порт, клиент, сървър, протокол, услуга. Ще разгледаме двата основни транспортни протокола TCP и UDP. Ще разгледаме най-общо как работи световната мрежа Интернет и какви услуги предоставя тя. За читателите, които не са добре запознати с Java платформата, ще направим кратък преглед на средствата на Java за осъществяване на входно-изходни операции, които ще ни трябват след това при разработката на клиентски и сървърски приложения, които си комуникират по сокети. Ще обърнем внимание на двата основни типа потоци в Java – текстови и бинарни. Ще разгледаме в дълбочина средствата на Java за създаване на многонишкови (multithreading) приложения и най-вече проблемите със синхронизацията на достъпа до общи ресурси. Ще дадем решение на класическия проблем „производител – потребител” на базата на синхронизационните обекти „монитори”. След всички въведения ще имаме вече достатъчно познания, за да продължим по-нататък с темата за изграждане на приложения, които си комуникират по надеждни двупосочни поточно-ориентирани канали изградени на базата на TCP сокети. Ще обърнем внимание и на средствата на Java за ненадеждно изпращане на единични пакети с информация между две приложения по протокол UDP, след което ще видим как можем да използваме механизмите на multicast инфраструктурата за да реализираме комуникация базирана на абонамент и групова доставка на съобщения. В края на главата ще се запознаем със средствата на Java за извличане на ресурси от глобалната разпределена информационната система WWW (World Wide Web). Ще обясним какво е URL и как ще демонстрираме леснотата, с която в Java можем да извличаме ресурс от WWW по неговия URL адрес. 1.1.Как работи Интернет. Основи на TCP/IP мрежитеНе можем да започнем един практически курс по разработка на Интернет приложения, без да засегнем, поне частично, основните принципи на които се основава пренасянето на данни в световната мрежа. В тази тема ще разгледаме накратко най-важните неща от организацията на TCP/IP мрежите, които имат пряко отношение към мрежовото програмиране с Java. Предполагаме, че читателят има поне начални познания по организация на Интернет и затова няма да обясняваме подробно някои общоизвестни термини като например „сървър”, “протокол” и „мрежа”. 7-слоен OSI модел на компютърните мрежиСпоред световно възприетите стандарти за компютърни мрежи на организацията IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) комуникацията във всяка мрежа се осъществява на следните 7 нива:
Всяко от 7-те нива използва за работата си по-долните нива и не се интересува от това как точно те работят, а само от това какво те осигуряват. Това позволява на разработчиците да се абстрахират от ненужните детайли и да се концентрират върху работата само на нивата, които ги засягат. Така програмирането се опростява, защото програмистът не трябва да се съобразява с цялата сложност на комуникацията, а може да разчита на вече изградената инфраструктура от по-долните нива. Пакет от протоколи TCP/IP“TCP/IP protocol suite” не е протокол. TCP/IP е наименованието на пакета от протоколи, с които работи световната мрежа Интернет. В този пакет се включват протоколите IP, TCP, UDP, ICMP и IGMP. Локалните мрежи, работещи с протоколите от пакета TCP/IP се наричат Интранет мрежи. 4-слоен модел на TCP/IP мрежитеКласическият 7-слоен OSI модел засяга всички страни на организацията на комуникацията между две приложения, но често пъти с цел избягване на излишни детайли при Интернет и Интранет мрежи се използва опростен модел, т. нар. 4-слоен модел на TCP/IP мрежите. При него най-горните 3 слоя от OSI модела са обединени в един, защото реално се отнасят до организацията на комуникацията на ниво приложни програми. Най-долните 2 слоя също са обединени, защото те заедно изпълняват една обща задача – осигуряват пренасянето на информация между две машини, които са директно свързани с някаква комуникационна линия. На практика TCP/IP моделът е опростен частен случай на OSI модела, при който на мрежово и транспортно ниво се използват протоколите от пакета TCP/IP. Приликите с OSI модела могат да се видят в таблицата с описанията на 4-те слоя:
Когато пишем Java програми, които комуникират по мрежата, ние програмираме най-горния слой от TCP/IP модела, така нареченият Application слой. Преносът на данни, предизвикан от нашите Java програми, се осъществява от транспортния слой посредством протоколите TCP или UDP. Транспортният слой използва по-долния мрежов слой за прехвърляне на малки количества информация, наречени IP пакети, от един компютър на друг, а тези пакети се прехвърлят чрез мрежови протоколи и връзки на още по-ниски нива. Като програмисти на Java, не е необходимо да знаем в детайли за всичко това, но все пак трябва да имаме представа поне от TCP и UDP протоколите дотолкова, доколкото е необходимо да преценим кога кой от тях да използваме и от IP протокола дотолкова, доколкото е необходимо да знаем, че всеки компютър в Интернет и Интранет мрежи си има уникален IP адрес, по който можем да се обръщаме към него. IP адресиОсновно понятие в Интернет и всички други TCP/IP мрежи е IP адрес. IP адресите представляват уникални 32-битови номера на компютри и се записват като четири 8-битови числа (в десетична бройна система), разделени по между си с точки. Всеки компютър, работещ в Интернет или Интранет мрежа, има IP адрес. Пример за IP адрес е записът: 212.39.1.17. Машините в TCP/IP базирани мрежи, които имат IP адрес, се наричат хостове (hosts). Чрез проста сметка може да се прецени, че адресното пространство на Интернет се състои от около 4 милиарда IP адреса, но това не е съвсем така, защото няколко големи области от това пространство са резервирани за специални цели. Разпределението на IP адресното пространство на Интернет се управлява от световната организация IANA. DNSЗа улеснение на потребителите някои машини в Интернет освен IP адрес могат да имат и имена. Съответствията между IP адресите и имената на компютрите (хостовете в Интернет) се поддържат от специални DNS сървъри. При заявка DNS сървърите могат да намират IP адрес по име на машина и обратното. На едно име на хост в Интернет могат да съответстват няколко IP адреса, а също и на един IP адрес може да съответства повече от едно име. Протоколът TCPTCP (Transmission Control Protocol) е протокол, който осигурява надежден двупосочен комуникационен канал между две приложения. Можем да сравним този канал с канала, по който се осъществява при обикновен телефонен разговор. Например, ако искаме да се обадим на приятел, ние набираме неговия номер и когато той вдигне, се осъществява връзка между нас двамата. Използвайки тази връзка, ние можем да изпращаме и получаваме данни от нашия приятел, до момента, в който един от двамата затвори телефона и прекрати връзката. Подобно на телефонните линии, TCP протоколът гарантира, че данните, изпратени от едната страна на линията, ще се получат от другата страна на линията без изменение и то в същия ред, в който са изпратени. Ако това е невъзможно по някаква причина, ще възникне грешка (след определено време, наречено timeout) и ние ще разберем, че има някакъв проблем с комуникационния канал. Именно заради тази своя надеждност, TCP е най-често използваният протокол за трансфер на информация по Интернет. Примери за приложения, които комуникират по TCP са Web-браузърите, Web-сървърите, FTP клиентите и сървърите, Mail клиентите и сървърите – приложения, за които редът на изпращане и пристигане на данните е много важен. Протоколът UDPUDP (User Datagram Protocol) е протокол, който позволява изпращане и получаване на малки независими един от друг пакети с данни, наречени дейтаграми, от един компютър на друг. За разлика от TCP, UDP не гарантира нито реда на пристигане на изпратените последователно дейтаграми, нито гарантира, че те ще пристигнат въобще. Изпращането на дейтаграма е като изпращане на обикновено писмо по пощата: редът на пристигане на писмата не е важен и всяко писмо е независимо от останалите. UDP се използва значително по-рядко от TCP заради това, че не осигурява комуникационен канал за данни, а позволява само изпращане на единични независими кратки съобщения (UDP пакети). Портове – какво представляват и защо за необходимиКакто TCP, така и UDP протоколът позволява едновременно да се осъществяват няколко независими връзки между два компютъра. Например можем да зареждаме няколко различни Web-сайта чрез нашия Web-браузър и същевременно да теглим през FTP няколко различни файла от един и същ или няколко различни FTP сървъра. Реално погледнато едно и също приложение (например нашият Web-браузър) отваря едновременно няколко независими комуникационни канала до един или няколко различни сървъра, като по всеки от тях прехвърля някаква информация. За да е възможно няколко приложения да комуникират по мрежата едновременно, е необходимо пакетите информация, предназначени за всяко едно от тях да бъдат обработени от съответното приложение, а не от някое друго. Така всяко приложение изпраща и получава своите данни независимо от другите, така сякаш те не съществуват. Именно за решаване на този конфликт се използват портовете в протоколите TCP и UDP. Портът е число между 0 и 65536 и задава уникален идентификатор на връзката в рамките на машината. Всеки TCP или UDP пакет, освен данните, които пренася, съдържа в себе си още 4 полета, описващи от кого до кого е изпратен пакета: source IP, source port, destination IP и destination port. По IP адресите се разпознават компютрите, отговорни за изпращане и получаване на съответните пакети, а по портовете се разпознават съответните приложения, работещи на тези компютри, които изпращат или трябва да получат информацията от тези пакети. Всяка TCP връзка в даден момент се определя еднозначно от 4 числа: IP източник, порт източник, IP получател и порт получател. СокетиСокет наричаме двойката (IP адрес; номер на порт). Комуникационният канал, който предоставя една TCP връзка наричаме сокет връзка (socket connection). Често пъти сокет връзките се наричат за краткост само сокети. Как работят сокетите и портоветеНапример нека нашият IP адрес е 212.50.1.81 и сме стартирали Internet Explorer и Outlook Express. С Internet Explorer браузваме някакъв сайт при което той е отворил няколко сокета към IP адрес 212.50.1.1 на порт 80 и тегли през тях някакви Web-страници и картинки. В същото време с Outlook Express си теглим новопристигналата поща и за целта той е отворил сокет към 192.92.129.4 на порт 110. В този момент имаме няколко едновременно отворени TCP сокета (няколко независими една от друга комуникационни линии), чрез които нашият компютър комуникира с други два компютъра. Можем да ги представим схематично по следния начин: Internet Explorer = 212.50.1.81:1033 212.50.1.1:80 = Apache Web Server Internet Explorer = 212.50.1.81:1037 212.50.1.1:80 = Apache Web Server Outlook Express = 212.50.1.81:1042 192.92.129.4:110 = Microsoft Exchange POP3 Server Първата връзка служи за изтегляне на някаква Web-страница. Тя има за източник приложението Internet Explorer и за нея е определен порт източник 1033 на нашия компютър (212.50.1.81). За получател е определен компютърът 212.50.1.1 и порт получател 80, който порт е свързан с приложението, което обслужва достъпа до Web-страниците на този компютър – Apache Web Server. Източник и получател не е съвсем точно казано, защото всички TCP връзки са двупосочни, т.е. предоставят два независими канала за данни за всяка от посоките, но все пак можем да приемем за източник това приложение, което е създало връзката (отворило сокета). Втората връзка служи за изтегляне на някаква картинка и прилича много на първата, но с една разлика – портът източник. Този порт източник е свързан също с приложението Internet Explorer на нашия компютър, но е друго число. Въпреки, че двете връзки са между едни и същи приложения, те са различни и независими, т.е. представляват два независими канала за данни. Единия служи за изтегляне на някакъв HTML документ, а другият за изтегляне на някаква картинка. Web-сървърът знае по кой от двата канала да изпрати HTML документа и по кой картинката. Internet Explorer също знае по кой от двата канала ще пристигне HTML документа и по кой картинката. Това се определя от порта източник, който е различен за двата канала. Портът източник се задава автоматично от операционната система при създаване на TCP сокет. Този порт е уникален в рамките на машината. При отваряне на нова сокет връзка програмистът трябва да знае предварително IP адреса и порта на приложението, с който иска да осъществи комуникация.
Сървъри и клиентиСъществуват два вида приложения, които комуникират по TCP протокола – клиентски и сървърски. Клиентските приложения (наричани още клиенти) се свързват към сървърските като отварят сокет връзка към тях. За целта те предварително знаят техните IP адреси и портове. Сървърските приложения (наричани още сървъри) “слушат на определен порт” и чакат клиентско приложение да се свърже към тях. При пристигане на заявка за връзка от някой клиент на порта, на който сървърът слуша, се създава сокет за връзка между клиента на неговия порт източник и сървъра на неговия порт получател. Клиентите отварят сокети към сървърите, а сървърите създават сокети само по клиентска заявка, т.е. те не отварят сокети. Програмен модел клиент/сървърМожем да си представим едно клиент/сървър приложение като магазин с няколко щанда и клиенти, които пазаруват в него. Сървърът може да се сравни с магазин, а портът, на който слуша този сървър – с определен щанд вътре в магазина. Когато дойде клиентът, той се допуска, само ако иска да отиде на някой от щандовете, които работят (допуска се връзка само на отворен порт /порт на който слуша някое сървърско приложение/). Когато клиентът отиде на съответния щанд, той започва да си говори с продавача (осъществява комуникационна линия и прехвърля данни по нея в двете посоки) на определен език, който и двамата разбират (предварително известен протокол за комуникация). Както магазинът, така и щандът могат да обслужват няколко клиента едновременно, без да си пречат един на друг. След приключване на комуникацията клиентът си тръгва (и затваря сокета). Междувременно продавачът може да изгони клиента от магазина, ако той се държи невъзпитано или няма пари (сървърът може да затвори сокета по всяко време). За повечето операции със сокети имаме аналог с нашия пример с магазина и затова взаимодействието „клиент/сървър” лесно може да се интерпретира като взаимодействие от вида „потребител на услуга/извършител на услуга”. Още за сокетите и портоветеТретата връзка от показаните по-горе свърза приложението Outlook Express, което се идентифицира с порт 1042 на нашата машина (212.50.1.81) с приложението Microsoft Exchange POP3 Server, което се идентифицира с порт 110 на машината с IP адрес 192.92.129.4. Пристигналите TCP пакети на нашата машина ще бъдат разпознати от операционната система по четирите полета, които идентифицират един сокет – source IP, source port, destination IP и destination port и ако са валидни, информацията от тях ще се предаде на съответното приложение. Понеже едно приложение, както видяхме, може да отвори повече от един сокет до някое друго приложение, най-правилно е да се каже, че портът източник и портът получател задават не само клиентското и сървърското приложение съответно, но и идентификатора на връзката в рамките на тези приложения, който е уникален за цялата машина. Портовете при UDP протоколаПри UDP комуникацията концепцията с портовете е същата, само че не се осъществява комуникационен канал между приложенията, а се изпращат и получават отделни единични пакети. Тези пакети носят в себе си същата допълнителна информация като TCP връзките – IP и порт на изпращач и IP и порт на получател. И при UDP протокола също има клиентски и сървърски приложения и по същият начин операционната система разпознава кой пакет за кое приложение е. ПротоколиКомуникационните канали, наречени сокети, не са достатъчни за осъществяване на комуникация между две приложения. Ако се върнем на ситуацията в магазина, клиентът трябва да комуникира с продавачката на известен и за двамата език. По същия начин при клиент/сървър комуникация клиентът и сървърът могат да си общуват само ако знаят един и същ език. Формални езици, които се използват за комуникация в компютърни мрежи, се наричат протоколи. Протоколите представляват системи от правила, които задават по какъв начин клиентът и сървърът могат да общуват и описват кои са валидните действия, които клиентът и сървърът могат да извършат във всеки един момент от комуникацията. Услуги в Интернет и стандартни номера на портовеВ Интернет работят много стандартни протоколи за комуникация между приложения, като всеки от тях е свързан с някаква услуга. Всяка услуга работи с някакъв протокол, предварително известен на клиентските и сървърските приложения. Например услугата достъп за Web-ресурси работи по протокола HTTP, услугата за изпращане на e-mail работи по протокола SMTP, а услугата за достъп до файл от FTP сървър работи по протокола FTP. За всяка от тези стандартни Интернет услуги (well-known services) има и асоциирани стандартни номера на портове (well-known ports), на които тези услуги се предлагат. Стандартните портове са въведени за да се улесни създаването на клиентски приложения, понеже всяко клиентско приложение трябва да знае не само IP адреса или името на сървъра, на който се предлага услугата, до която то иска достъп, но също и порта, на който тази услуга е достъпна. Някои стандартни портове, протоколи и услуги са дадени в таблицата по-долу:
Класове за работа с мрежа в JavaJava приложенията могат да използват TCP и UDP протоколите за комуникация през Интернет чрез класовете от стандартния пакет java.net. Най-важните класове, който се използват при разработка на такива приложения са InetAddress, Socket, ServerSocket, DatagramSocket, DatagramPacket и URL. По-нататък в тази глава ще разгледаме в детайли тези класове, но преди това ще направим кратък преглед на средствата за вход/изход и многонишково програмиране в Java, защото те са важна основа, без която не можем да създаваме мрежови приложения. Каталог: books -> inetjava books -> В обятията на шамбала books -> Книга се посвещава с благодарност на децата ми. Майка ми и жена ми ме научиха да бъда мъж books -> Николай Слатински “Надеждата като лабиринт” София, Издателство “виденов & син”, 1993 год books -> София, Издателство “Българска книжница”, 2004 год. Рецензенти доц д. ик н. Димитър Йончев, проф д-р Нина Дюлгерова Научен редактор проф д-р Петър Иванов books -> Николай Слатински “Измерения на сигурността” София, Издателство “Парадигма”, 2000 год books -> Книга 2 щастие и успех предисловие books -> Превръщане на числа от една бройна система в друга books -> Тантриското преобразяване Изтегляне 2.68 Mb. Сподели с приятели:
|