Giáo trình Lập trình truyền thông (Phần 7)

Nội dung text: Giáo trình Lập trình truyền thông (Phần 7)

1. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông 1.1.3. Các chế độ giao tiếp Xét kiến trúc của hệ thống mạng TCP/IP Hình 4.3 – Bộ giao thức TCP/IP Tầng vận chuyển giúp chuyển tiếp các thông điệp giữa các chương trình ứng dụng với nhau. Nó có thể hoạt động theo hai chế độ: • Giao tiếp có nối kết, nếu sử dụng giao thức TCP • Hoặc giao tiếp không nối kết, nếu sử dụng giao thức UDP Socket là giao diện giữa chương trình ứng dụng với tầng vận chuyển. Nó cho phép ta chọn giao thức sử dụng ở tầng vận chuyển là TCP hay UDP cho chương trình ứng dụng của mình. Bảng sau so sánh sự khác biệt giữa hai chế độ giao tiếp có nối kết và không nối kết: Chế độ có nối kết (TCP) Chế độ không nối kết (UDP) • Tồn tại kênh giao tiếp ảo giữa • Không tồn tại kênh giao tiếp ảo hai bên giao tiếp giữa hai bên giao tiếp • Dữ liệu được gởi đi theo chế độ • Dữ liệu được gởi đi theo chế độ bảo đảm: có kiểm tra lỗi. truyền không bảo đảm: Không kiểm tra lại gói tin lỗi hay mất, bảo đảm lỗi, không phát hiện không thứ tự đến của các gói tin . . . truyền lại gói tin bị lỗi hay mất, • Dữ liệu chính xác, Tốc độ truyền không bảo đảm thứ tự đến của chậm. các gói tin . . . • Dữ liệu không chính xác, tốc độ truyền nhanh. • Thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ, không cần chính xác cao: truyền âm thanh, hình ảnh . . . Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 60
2. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông 1.2. Xây dựng ứng dụng Client-Server với Socket Socket là phương tiện hiệu quả để xây dựng các ứng dụng theo kiến trúc Client- Server. Các ứng dụng trên mạng Internet như Web, Email, FTP là các ví dụ điển hình. Phần này trình bày các bước cơ bản trong việc xây dựng các ứng dụng Client- Server sử dụng Socket làm phương tiện giao tiếp theo cả hai chế độ: Có nối kết và không nối kết. 1.2.1. Mô hình Client-Server sử dụng Socket ở chế độ có nối kết (TCP) Giai đoạn 1: Server tạo Socket, gán số hiệu cổng và lắng nghe yêu cầu nối kết. • socket(): Server yêu cầu tạo một socket để có thể sử dụng các dịch vụ của tầng vận chuyển. • bind(): Server yêu cầu gán số hiệu cổng (port) cho socket. • listen(): Server lắng nghe các yêu cầu nối kết từ các client trên cổng đã được gán. Server sẵn sàng phục vụ Client. Giai đoạn 2: Client tạo Socket, yêu cầu thiết lập một nối kết với Server. • socket(): Client yêu cầu tạo một socket để có thể sử dụng các dịch vụ của tầng vận chuyển, thông thường hệ thống tự động gán một số hiệu cổng còn rảnh cho socket của Client. • connect(): Client gởi yêu cầu nối kết đến server có địa chỉ IP và Port xác định. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 61
3. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông • accept(): Server chấp nhận nối kết của client, khi đó một kênh giao tiếp ảo được hình thành, Client và server có thể trao đổi thông tin với nhau thông qua kênh ảo này. Giai đoạn 3: Trao đổi thông tin giữa Client và Server. • Sau khi chấp nhận yêu cầu nối kết, thông thường server thực hiện lệnh read() và nghẽn cho đến khi có thông điệp yêu cầu (Request Message) từ client gởi đến. • Server phân tích và thực thi yêu cầu. Kết quả sẽ được gởi về client bằng lệnh write(). • Sau khi gởi yêu cầu bằng lệnh write(), client chờ nhận thông điệp kết quả (ReplyMessage) từ server bằng lệnh read(). Trong giai đoạn này, việc trao đổi thông tin giữa Client và Server phải tuân thủ giao thức của ứng dụng (Dạng thức và ý nghĩa của các thông điệp, qui tắc bắt tay, đồng bộ hóa, ). Thông thường Client sẽ là người gởi yêu cầu đến Server trước. Nếu chúng ta phát triển ứng dụng theo các Protocol đã định nghĩa sẵn, chúng ta phải tham khảo và tuân thủ đúng những qui định của giao thức. Bạn có thể tìm đọc mô tả chi tiết của các Protocol đã được chuẩn hóa trong các tài liệu RFC (Request For Comments). Ngược lại, nếu chúng ta phát triển một ứng dụng Client-Server riêng của mình, thì công việc đầu tiên chúng ta phải thực hiện là đi xây dựng Protocol cho ứng dụng. Giai đoạn 4: Kết thúc phiên làm việc. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 62
4. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông • Các câu lệnh read(), write() có thể được thưc hiện nhiều lần (ký hiệu bằng hình ellipse). • Kênh ảo sẽ bị xóa khi Server hoặc Client đóng socket bằng lệnh close(). Như vậy toàn bộ tiến trình diễn ra như sau: 1.2.2. Mô hình Client-Server sử dụng Socket ở chế độ không nối kết (UDP) Giai đoạn 1: Server tạo Socket - gán số hiệu cổng. o socket(): Server yêu cầu tạo một socket để có thể sử dụng các dịch vụ của tầng vận chuyển. o bind(): Server yêu cầu gán số hiệu cổng cho socket Giai đoạn 2: Client tạo Socket. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 63
5. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông Giai đoạn 3: Trao đổi thông tin giữa Client và Server. Sau khi tạo Socket xong, Client và Server có thể trao đổi thông tin qua lại với nhau thông qua hai hàm sendto() và recvfrom(). Đơn vị dữ liệu trao đổi giữa Client và Server là các Datagram Package (Gói tin thư tín). Protocol của ứng dụng phải định nghĩa khuôn dạng và ý nghĩa của các Datagram Package. Mỗi Datagram Package có chứa thông tin về địa chỉ người gởi và người nhận (IP, Port). 1.3. Socket dưới ngôn ngữ Java Java hỗ trợ lập trình mạng thông qua các lớp trong gói java.net. Một số lớp tiêu biểu được dùng cho lập trình Client-Server sử dụng socket làm phương tiện giao tiếp như: • InetAddress: Lớp này quản lý địa chỉ Internet bao gồm địa chỉ IP và tên máy tính. • Socket: Hỗ trợ các phương thức liên quan đến Socket cho chương trình Client ở chế độ có nối kết. • ServerSocket: Hỗ trợ các phương thức liên quan đến Socket cho chương trình Server ở chế độ có nối kết. • DatagramSocket: Hỗ trợ các phương thức liên quan đến Socket ở chế độ không nối kết cho cả Client và Server. • DatagramPacket: Lớp cài đặt gói tin dạng thư tín người dùng (Datagram Packet) trong giao tiếp giữa Client và Server ở chế độ không nối kết. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 64
6. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông 1.3.1. Xây dựng chương trình Client ở chế độ có nối kết Các bước tổng quát: 1. Mở một socket nối kết đến server đã biết địa chỉ IP (hay tên miền) và số hiệu cổng. 2. Lấy InputStream và OutputStream gán với Socket. 3. Tham khảo Protocol của dịch vụ để định dạng đúng dữ liệu trao đổi với Server. 4. Trao đổi dữ liệu với Server nhờ vào các InputStream và OutputStream. 5. Đóng Socket trước khi kết thúc chương trình. 1.3.1.1. Lớp java.net.Socket Lớp Socket hỗ trợ các phương thức cần thiết để xây dựng các chương trình client sử dụng socket ở chế độ có nối kết. Dưới đây là một số phương thức thường dùng để xây dựng Client: public Socket(String HostName, int PortNumber) throws IOException Phương thức này dùng để nối kết đến một server có tên là HostName, cổng là PortNumber. Nếu nối kết thành công, một kênh ảo sẽ được hình thành giữa Client và Server. • HostName: Địa chỉ IP hoặc tên logic theo dạng tên miền. • PortNumber: có giả trị từ 0 65535 Ví dụ: Mở socket và nối kết đến Web Server của khoa Công Nghệ Thông Tin, Đại Học Cần Thơ: Socket s = new Socket(“www.cit.ctu.edu.vn”,80); Hoặc: Socket s = new Socket(“203.162.36.149”,80); public InputStream getInputStream() Phương thức này trả về InputStream nối với Socket. Chương trình Client dùng InputStream này để nhận dữ liệu từ Server gởi về. Ví dụ: Lấy InputStream của Socket s: InputStream is = s.getInputStream(); public OutputStream getOutputStream() Phương thức này trả về OutputStream nối với Socket. Chương trình Client dùng OutputStream này để gởi dữ liệu cho Server. Ví dụ: Lấy OutputStream của Socket s: OutputStream os = s.getOutputStream(); public close() Phương thức này sẽ đóng Socket lại, giải phóng kênh ảo, xóa nối kết giữa Client và Server. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 65
7. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông Ví dụ: Đóng Socket s: s.close(); 1.3.1.2. Chương trình TCPEchoClient Trên hệ thống UNIX, Dịch vụ Echo được thiết kế theo kiến trúc Client-Server sử dụng Socket làm phương tiện giao tiếp. Cổng mặc định dành cho Echo Server là 7, bao gồm cả hai chế độ có nối kết và không nối kết. Chương trình TCPEchoClient sẽ nối kết đến EchoServer ở chế độ có nối kết, lần lượt gởi đến Echo Server 10 ký tự từ ‘0’ đến '9', chờ nhận kết quả trả về và hiển thị chúng ra màn hình. Hãy lưu chương trình sau vào tập tin TCPEchoClient.java import java.io.*; import java.net.Socket; public class TCPEchoClient{ public static void main(String args[]){ try { Socket s = new Socket(args[0],7); // Nối kết đến Server InputStream is = s.getInputStream(); // Lấy InputStream OutputStream os = s.getOutputStream(); // Lấy OutputStream for (int i='0'; i ’9’ den EchoServer os.write(i); // Gởi 1 ký tự sang Server int ch = is.read(); // Chờ nhận 1 ký tự từ Server System.out.print((char)ch); // In ký tự nhận được ra màn hình } } //try catch(IOException ie){ System.out.println("Loi: Khong tao duoc socket"); } //catch } //main } Biên dịch và thực thi chương trình như sau: Chương trình này nhận một đối số là địa chỉ IP hay tên miền của máy tính mà ở đó Echo Server đang chạy. Trong hệ thống mạng TCP/IP mỗi máy tính được gán một địa chỉ IP cục bộ là 127.0.0.1 hay có tên là localhost. Trong ví dụ trên, chương trình Client nối kết đến Echo Server trên cùng máy với nó. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 66
8. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông 1.3.2. Xây dựng chương trình Server ở chế độ có nối kết 1.3.2.1. Lớp java.net.ServerSocket Lớp ServerSocket hỗ trợ các phương thức cần thiết để xây dụng các chương trình Server sử dụng socket ở chế độ có nối kết. Dưới đây là một số phương thức thường dùng để xây dựng Server: public ServerSocket(int PortNumber); Phương thức này tạo một Socket với số hiệu cổng là PortNumber mà sau đó Server sẽ lắng nghe trên cổng này. Ví dụ: Tạo socket cho Server với số hiệu cổng là 7: ServerSocket ss = new ServerSocket(7); public Socket accept() Phương thức này lắng nghe yêu cầu nối kết của các Client. Đây là một phương thức hoạt động ở chế độ nghẽn. Nó sẽ bị nghẽn cho đến khi có một yêu cầu nối kết của client gởi đến. Khi có yêu cầu nối kết của Client gởi đến, nó sẽ chấp nhận yêu cầu nối kết, trả về một Socket là một đầu của kênh giao tiếp ảo giữa Server và Client yêu cầu nối kết. Ví dụ: Socket ss chờ nhận yêu cầu nối kết: Socket s = ss.accept(); Server sau đó sẽ lấy InputStream và OutputStream của Socket mới s để giao tiếp với Client. 1.3.2.2. Xây dựng chương trình Server phục vụ tuần tự Một Server có thể được cài đặt để phục vụ các Client theo hai cách: phục vụ tuần tự hoặc phục vụ song song. Trong chế độ phục vụ tuần tự, tại một thời điểm Server chỉ chấp nhận một yêu cầu nối kết. Các yêu cầu nối kết của các Client khác đều không được đáp ứng (đưa vào hàng đợi). Ngược lại trong chế độ phục vụ song song, tại một thời điểm Server chấp nhận nhiều yêu cầu nối kết và phục vụ nhiều Client cùng lúc. Các bước tổng quát của một Server phục vụ tuần tự 1. Tạo socket và gán số hiệu cổng cho server. 2. Lắng nghe yêu cầu nối kết. 3. Với một yêu cầu nối kết được chấp nhận thực hiện các bước sau: o Lấy InputStream và OutputStream gắn với Socket của kênh ảo vừa được hình thành. o Lặp lại công việc sau: ƒ Chờ nhận các yêu cầu (công việc). ƒ Phân tích và thực hiện yêu cầu. ƒ Tạo thông điệp trả lời. ƒ Gởi thông điệp trả lời về Client. ƒ Nếu không còn yêu cầu hoặc Client kết thúc, đóng Socket và quay lại bước 2. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 67
9. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông 1.3.2.3. Chương trình STCPEchoServer STCPEchoServer cài đặt một Echo Server phục vụ tuần tự ở chế độ có nối kết. Server lắng nghe trên cổng mặc định số 7. Hãy lưu chương trình sau vào tập tin STCPEchoServer.java import java.net.*; import java.io.*; public class STCPEchoServer { public final static int defaultPort = 7; public static void main(String[] args) { try { ServerSocket ss = new ServerSocket(defaultPort); while (true) { try { Socket s = ss.accept(); OutputStream os = s.getOutputStream(); InputStream is = s.getInputStream(); int ch=0; while(true) { ch = is.read(); if(ch == -1) break; os.write(ch); } s.close(); } catch (IOException e) { System.err.println(" Connection Error: "+e); } } } catch (IOException e) { Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy 68
10. Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Cần Thơ - Giáo Trình Lập Trình Truyền Thông System.err.println(" Server Creation Error:"+e); } } } Biên dịch và thực thi chương trình theo cách sau: Mở một cửa số DOS khác và thực thi chương trình TCPEchoClient ta có kết quả như sau: Hai chương trình này có thể nằm trên hai máy khác nhau. Trong trường hợp đó khi thực hiện chương trình TCPEchoClient phải chú ý nhập đúng địa chỉ IP của máy tính đang chạy chương trình STCPEchoServer. Xem địa chỉ IP của một máy tính Windows bằng lệnh ipconfig. 1.3.2.4. Server phục vụ song song Các bước tổng quát của một Server phục vụ song song Server phục vụ song song gồm 2 phần thực hiện song song nhau: • Phần 1: Xử lý các yêu cầu nối kết. • Phần 2: Xử lý các thông điệp yêu cầu từ khách hàng. Có cấu trúc như hình sau, trong đó Phần 1 là (Dispatcher Thread), Phần 2 là các (Worker Thread) Phần 1: Lặp lại các công việc sau: • Lắng nghe yêu cầu nối kết của khách hàng. Biên Soạn: Ngô Bá Hùng - Nguyễn Công Huy Hình 4.5 Server ở chế độ song song69