Teil 2: Anwendungsschicht

Transkript

1 Datennetze Teil 2: Anwendungsschicht Sommersemester 2004 Prof. Dr. Thomas Wieland

2 Übersicht Teil Internet-Anwendungen 2.2 Protokolle der Anwendungsschicht 2.3 SOAP als Beispiel für ein RPC-Protokoll 2.4 Socket-Programmierung 2

3 2.1 Internetanwendungen

4 Client-Server-Computing Mehrere Clients greifen auf Ressourcen eines (zentralen) Servers zu Varianten: Thick Client Umfangreiche grafische Applikation auf Client nur wenig Datenverkehr mit Server Anwendungslogik auf dem Client Thin Client Einfache Applikation auf Client Umfangreicherer Datenverkehr mit Server Anwendungslogik weitgehend auf dem Server Ultra-thin Client Client übernimmt nur Darstellung der Inhalte und Behandlung von Benutzereingaben Vollständige Aufbereitung der Darstellung auf dem Server, umfangreicher Datenverkehr (Web-Applikation) Anwendungslogik vollständig auf dem Server 4

5 Client/Server-Interaktion im Netz Quelle: Kurose/Ross: "Computernetze" 5

6 Client-Server-Verbindungen Grundlegende Voraussetzungen: Leistungsfähige Endgeräte "Einfache" Entwicklung von Anwendungen für Endgeräte Schnelle und unkomplizierte Kommunikation Ggf. auch über drahtlose Netze Situation heute Ziel C/S-Modell Standard bei Web- und Unternehmensanwendungen Drahtlose Datenverbindungen langsam, teuer und unzuverlässig Vorwiegend "thick clients" bzw. Browser Robuste, preisgünstige, überall verfügbare Datenverbindungen Web-Applikation mit mobilen Endgeräten ("Ultra-thin clients") 6

7 Design von Client/Server- Applikationen Keine überflüssigen Daten (wie Bilder) verschicken, wenn es auch mit einer URL geht Auf Latenzzeiten beim Server achten Einsatz von Caching, wo immer es möglich ist Wenn andere Aufgaben blockiert werden könnten, auf asynchrone Kommunikation ausweichen Beim Client die Möglichkeit des Serverausfalls beachten und entsprechende Fehler abfangen Statt in jedem Aufruf ein Datum abzufragen, mehrere Daten in einen Aufruf zusammenfassen Ziel: Zahl der Aufrufe minimieren 7

8 Anforderungen an Netzanwendungen Anwendung Datenverlust Bandbreite zeitsensitiv Filetransfer Kein Verlust Elastisch Nein Kein Verlust Elastisch Nein Web-Dokumente Kein Verlust Elastisch (wenige kbps) Nein Echtzeitaudio/-video Verlusttolerant Audio: wenige kbps bis 1Mbps Ja, einige hundert ms Video: 10 kbps bis 5 Mbps Gespeichertes Audio/Video Verlusttolerant wie oben Ja: wenige Sekunden Interaktive Spiele Verlusttolerant Bis zu 10 kbps Ja, einige hundert ms Finanzanwendungen Kein Verlust Elastisch Tlw. 8

9 2.2 Protokolle der Anwendungsschicht

10 HTTP Protokoll des World Wide Web Textbasiert, einfaches Format Lose Kopplung zwischen Client und Server Client sendet Anfrage, die der Server beantwortet Verbindung zwischen Anfragen nur durch Zusatzaufwand möglich Session management, z.b. mit Cookies, URL-IDs etc. Transportiert textuelle und binäre Inhalte Get /somedir/page.html HTTP/1.1 Host: Connection: close User-Agent: Mozilla/6.0 Accept-language: de (Daten) 10

11 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) Protokoll für Übermittlung von s Definition des Formats des Mailheaders der Kommandosyntax der Rückmeldungen von Empfängern von SMTP-Kommandos typischer Ablauf: Probleme: Öffnen einer TCP-Verbindung durch Absender Senden der Identifikation des Absenders der Nachricht (MAIL) Senden der Identifikation der Empfänger (RCPT) Übermittlung der Nachricht (DATA) Schließen der TCP-Verbindung (QUIT) keine Sonderzeichen wegen Beschränkung auf 7-Bit-ASCII keine Übermittlung von Binärdateien 11

12 Format einer SMTP-Nachricht HELO <hostname> MAIL FROM: < -Adresse des Absenders> RCPT TO: < -Adresse des Empfängers> DATA From: < -Adresse des Absenders> To: < -Adresse des Empfängers> Subject: <Betreff> Nachricht mit beliebig vielen Zeilen. QUIT Leerzeile zur Trennung von Header und Nachricht Punkt als Endezeichen der Nachricht 12

13 Möglichkeiten des Mail- Versands aus Java Simpelste Form: Versand über Socket-Verbindung Vorteil: Keine Zusatzsoftware nötig Nachteil: SMTP-Protokoll muss selbst implementiert werden Komfortabler: Versand über URLConnection Vorteil: Bereits im JDK vorhanden, SMTP direkt unterstützt Nachteil: Nicht alle Funktionsmerkmale des Umgangs mit Mails können genutzt werden In der Praxis: JavaMail API Vorteil: Mächtige Schnittstelle mit viel Funktionalität Nachteil: Zusätzliches Package, das installiert werden muss 13

14 MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) Erweiterung der Headerdefinition aus SMTP durch genauere Beschreibung des Nachrichteninhalts Content-Transfer-Encoding: Beschreibung der Codierung, um Übermittlung per SMTP zu ermöglichen 7bit, 8bit, binary, quoted-printable, base64, x-token Content-Type: Art der übermittelten Daten Typ Subtyp Beschreibung Text Plain Unformatierter ASCII-Text Richtext ASCII-Text mit einfachen Formatierungen Im ag e Gif Standbild im GIF-Format Jpeg Standbild im JPEG-Format Audio Basic Klangdaten Video Mpeg Bewegtbilder im MPEG-Format A pplication O ctet-stream N icht interpretierbare B ytefolge Postscript Druckbares Dokum ent im Postscript-Form at Mixed Unabhängige Teile in der angegebenen Reihenfolge Alternative Gleiche Nachricht in verschiedenen Form aten Multipart Parallel Teile m üssen gleichzeitig ausgegeben werden D igest Jed er Teil b ildet vo llständige N achricht 14

15 Mail-Zugangsprotokolle POP3 Post Office Protocol, Vers. 3 Drei Phasen: Autorisierung Benutzername und Passwort gesendet Transaktion Nachrichten abrufen Nachrichten zum Löschen markieren Mail-Statistiken ausgeben Aktualisierung Nach dem "quit" des Clients Löschen der markierten Nachrichten IMAP Internet Mail Access Protocol Ermöglicht mehrere Mail- Ordner auf dem Server Jeder Benutzer hat Ordner- Hierarchie Server bietet Suchmöglichkeiten Auch nur Teile einer Nachricht (Header, MIME- Part) können abgerufen werden 15

16 SNMP (Simple Network Management Protocol) Protokoll zur Netzwerkverwaltung Unterstützung für Datenanalyse, Fehlerbehebung... Abfrage und Setzen von Parametern sog. Agenten Benachrichtigung des Netzwerkmanagers über besondere Vorkommnisse momentan vorwiegend SNMPv2 (1996 als Standard verabschiedet) im Einsatz SNMPv3 im März 2002 verabschiedet zusätzlich Unterstützung für Authentifikation, Verschlüsselung und Zugangskontrolle 16

17 2.3 SOAP als Beispiel für ein RPC-Protokoll RPC: Remote Procedure Call

18 Drei Sichten für den Wechsel Middleware für Internet-Anwendungen Einseitige Nutzung des WWW Software- Wiederverwendung Web-Seite WebService 18

19 Einseitige Nutzung des WWW Millionen von Webservern weltweit, unzählige Informationen verfügbar Aber rein grafische Schnittstelle Alles ist auf einen menschlichen Benutzer zugeschnitten Bei den Daten, die den Client erreichen, sind Inhalt und Layout nicht getrennt, das Layout ändert sich häufig Informationen auf Webservern kann fast nicht durch Software ausgewertet werden B2B-Datenaustausch scheitert oft an unterschiedlichen Formaten und Prozessen 19

20 Bisherige Middleware-Ansätze unzureichend für Web-Umgebungen DCOM RMI CORBA Reichhaltige Kommunikation (Objekte) Sehr verbindungsorientiert (viele Pakete werden ausgetauscht, um die Sitzung zu starten/aufrechtzuerhalten) Teilweise nicht auf allen Plattformen verfügbar Verwendet proprietäre Sicherheitseinstellungen Interagiert fast nicht mit anderer Middleware (CORBA, RMI etc.) Arbeitet nicht über Domänen- oder Firewallgrenzen hinweg 20

21 Das klassische Problem bei verteilten Rechnern Server und Client müssen sich verstehen Implementierungsdetails beeinträchtigen die Kommunikation Sicherheitseinstellungen und modelle (Firewalls) verhindern Interoperabilität Nur dieselbe Plattform kann miteinander sprechen (COM mit COM, EJB mit EJB, ORB mit ORB) Die Formate für Methodenaufrufe sind hochgradig an das darunter liegende Komponentenmodell gebunden ( COM, CORBA etc.) Die Kommunikationsprotokolle (DCOM, RMI, IIOP) sind untereinander und mit dem Internet inkompatibel. 21

22 Ideen Firewalls blockieren COM/IIOP-Anfragen, sind aber normalerweise für HTTP-Anfragen offen Setze auf HTTP als Transportprotokoll Wir müssen zudem ein Datenformat einführen, das selbstbeschreibend sein muss, um wirklich interoperabel zu sein. Definiere das Datenformat mit XML Die Lösung: Simple Object Access Protocol SOAP Verlässt sich auf HTTP für die Kommunikation Selbstbeschreibendes einfaches XML-basiertes Nachrichtenformat Arbeitet zusammen mit: Jedem Betriebssystem Jeder Programmiersprache Jeder Plattform 22

23 SOAP Nachrichten SOAP Message Protocol Headers SOAP Envelope SOAP Header Headers SOAP Body Message Name & Data Die gesamte SOAP-Nachricht Standard Protocol (HTTP, SMTP, etc.) und SOAP Header <Envelope> umfasst Nachrichteninhalt <Header> umfasst die Header Individuelle Header <Body> enthält Nachrichtenname und Daten XML-codierter SOAP Nachrichtenname und Daten 23

24 Kommunikation mit SOAP SOAP definiert zwei Arten von Nachrichten: Anfragen und Antworten. Anfragen enthalten das angesprochene Ziel sowie die in- und die in/out- Parameter. Antworten umfassen einen Fehlercode oder das Resultat zusammen mit den in/out- und den out-parametern. SOAP ist grundsätzlich nicht auf HTTP beschränkt, jedes Übertragungsprotokoll (z.b. SMTP) kann verwendet werden. SOAP erfindet nichts Neues, wo es bereits einen Standard gibt. Beispielsweise wird SSL bzw. HTTPS für Verschlüsselung benutzt. SOAP kann unterschiedliche Infrastrukturen überbrücken und so Anwendungen miteinander verbinden. SOAP ist ein W3C working draft (XML-Protocol) SOAP wird von allen wichtigen Software-Herstellern unterstützt SOAP-Kommunikation ist in einer Vielzahl von Programmiersprachen implementiert 24

25 Beispiel für SOAP Die Methode boolean PlaceOrder([in] Title string, [in] Author string, wird übertragen als [out] DaysToDelivery integer); POST /BookServer HTTP/1.1 Host: Content-Type: text/xml Content-Length: nnnn SOAPMethodName: Some-Namespace-URI#PlaceOrder <SOAP:Envelope xmlns:soap="urn:schemas-xmlsoap-org:soap.v1 > <SOAP:Body> <m:placeorder xmlns:m="some-namespace-uri > <Title>XML companion</title> <Author>Neil Bradley</Author> </m:placeorder> </SOAP:Body> </SOAP:Envelope> 25

26 Benutzung von SOAP Komplexere Datenstrukturen werden ebenfalls in XML ausgedrückt Im Normalfall sollte der Entwickler nichts von SOAP bemerken Implementierungen übernehmen die Serialisierung, verbergen die Details Umsetzung auf Programmiersprachen einfach, daher viele Lösungen verfügbar SOAP ist auch für Embedded Systeme einsetzbar Client Proxy SOAP HTTP Web-Server DCOM, IIOP, RMI Application Server XML-Parser XML-Parser 26

27 2.4 Socket- Programmierung

28 Netz-API Am gebräuchlichsten heute: Socket-Interface Socket: Verbindungspunkt des lokalen Anwendungsprozesses mit dem Netz Programmierschnittstelle umfasst Erstellen eines Socket Anbinden eines Socket an das Netz Senden/Empfangen von Nachrichten Schließen des Socket 28

29 Aufbau / Nutzung von Verbindungen (1) Operationen auf Sockets Aufruf durch Prozesse auf dem Application Layer ins Betriebssystem integriert Socketoperation SOCKET BIND LISTEN ACCEPT CONNECT SEND RECEIVE CLOSE Bedeutung Erzeugung eines Socket Zuordnung der Socketadresse Bereitschaft zur Verbindungsannahme blockierendes Warten auf Verbindungsanfrage aktiver Verbindungsaufbau Senden von Daten über eine Verbindung Empfangen von Daten über eine Verbindung Schließen einer Verbindung 29

30 Aufbau / Nutzung von Verbindungen (2) Schematischer Ablauf einer Verbindung Sender SOCKET(S1) BIND(S1, IP1, P1) CONNECT(S1) SEND(S1, B1) CLOSE(S1) Schreiben der Daten aus Sendepuffer B1 auf Socket S1 Empfänger SOCKET(S2) BIND(S2, IP2, P2) LISTEN(S2) ACCEPT(S2) RECEIVE(S2, B2) CLOSE(S2) Lesen der Daten von Socket S2 in Empfangspuffer B2 Zuordnung der Socketadresse an Socket S1 bestehend aus IP-Adresse IP1 plus Portnummer P1 Zuordnung der Socketadresse an Socket S2 bestehend aus IP-Adresse IP2 plus Portnummer P2 30

31 Ablauf der Client/Server- Verbindung Quelle: Kurose/Ross: "Computernetze" 31

32 Client-Sockets in Java Klasse java.net.socket für Client-Verbindung Konstruktoren Entweder nur mit Host und Port des Zielrechners oder auch noch mit Angabe des lokalen Rechners Der Port kann Standard sein (z.b. 80 für http) oder selbst gewählt (größer als 2048) public Socket(String host, int port) throws IOException public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException 32

33 Methoden der Socket-Klasse Adresse des Hostrechner: public InetAddress getinetaddress() Port-Nummer des Hostrechners: public int getport() OutputStream für Senden zum Server: public OutputStream getoutputstream() throws IOException InputStream für Lesen der Daten vom Server: public InputStream getinputstream() throws IOException Lesen und Setzen der Zeit, die eine Leseanforderung dauern darf, bevor eine InterruptedIOException ausgelöst wird (Vorgabe: 0 entsprechend unbegrenzter Wartezeit) public int getsotimeout() throws SocketException public void setsotimeout(int timeout) throws SocketException 33

34 Server-Socket Server-Socket muss laufen, bevor Client eine Verbindung herstellen kann Konstruktor: public ServerSocket(int port) Server in Wartestellung auf Clientanfragen bringen: public Socket accept() Liefert einen Client-Socket zurück, von dem gelesen werden kann, die Adresse bestimmt werden kann etc. Weitere Methoden: public void close() Schließen des Server-Socket public InetAddress getinetaddress() lokale Server-Adresse public int getsotimeout() Timeout bei Server-Blockierung In der Praxis: Multi-Thread-Server (siehe Praktikum) 34