TCP-Sockets in Java und C. Verteilte Systeme Hochschule Regensburg Vorlesung 4, Universitätsstraße 31, Regensburg

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1 TCP-Sockets in Java und C Hochschule Regensburg Vorlesung 4, Universitätsstraße 31, Regensburg Prof. Dr. Jan Dünnweber Ziel: Threads sollen unabhängig von ihrer Position kommunizieren können Ersatz Lokale Kommunikation im und Transsystem Ersatz Brücke Allgemeines Prinzip: Jedem Thread die lokale Existenz des Kommunikationspartners vorspielen Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 2 von 17 Der Protokoll-Stack Die Umsetzung des OSI/ISO Modells in TCP/IP: TCP/IP Modell OSI Modell Application Application Presentation (HTTP, ftp, telnet,...) Session Trans Trans (TCP, UDP,...) Aufbau/Versenden eines Pakets über TCP/IP-Sockets 1 Im Sender: von oben nach unten im Protokoll-Stack, von jeder Schicht kommt eine Ergänzungsinfo (Header) hinzu 2 Übertragung des Pakets über den physikalischen Link 3 Im Empfänger: von unten nach oben im Protokoll-Stack, von jeder Schicht wird ihr Infoheader abgeschnitten, bis die ursprüngliche Nachricht von Anwendung bearbeitet wird Network (IP,...) Network Nachricht Link (device driver, NIC,...) Link Physical IP (Internet Protocol, RFC 791) dient v.a. dem Routing und berücksichtigt nicht die Datenintegrität TCP (Transmission Control Protocol, RFC 793) stellt sicher, dass Daten sequentiell und fehlerfrei ankommen Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 3 von 17 Header der Anwendungsschicht Header der Transschicht Header der Netzwerkschicht Header der Linkschicht Das Ergänzen & Abschneiden passiert für den Anwender transparent Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 4 von 17

2 Rechneradressen und Ports Jeder Rechner hat im Internet eine eindeutige IP-Adresse: DNS-Format, z.b.: darwin.hs-regensburg.de oder dotted Format: (Zusammengesetzt aus Netz- und Hostadresse, gelegentlich gekennzeichnet, z.b. durch /30 d.h. 30 Bit Netzmaske) Ein unterscheidet welche Nachricht für welchen Dienst bestimmt ist mithilfe von Ports Ports sind (logische) Adressen möglicher Kommunikationsendpunkte innerhalb eines Rechners TCP- und UDP-Protokolle verwenden Ports, um ankommende Daten konkreten Prozessen auf dem Rechner zuzuordnen UDP verwendet auch IP (-Header), arbeitet aber verbindungslos, d.h. um sicher zu stellen, dass alle Pakete ankommen sind explizite Acknowledgements (ACK) nötig Portadresse 16 bit von 0 bis 65535, davon 0 bis 1023 sog. well-known s reserviert für bekannte Dienste, z.b.: 80 HTTP, 13 Echo, 7 Timeserver, u.s.w. Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 5 von 17 IPv4 vs. IPv6 Es gibt 2 32 (4,3 Milliarden) IPv4 Adressen, die irgendwann ausgehen werden, in IPv6 gibt es Adressen (Vergrößerung um den Faktor 2 96 auf 340 Sextillionen = 34 mit 37 Nullen) Eine IPv4 Adresse setzt sich aus 4 Bytes ( = octets) zusammen, eine IPv6 Adresse hat 8 mal 2 Byte, die hexadezimal geschrieben und durch Doppelpunkte voneinander getrennt werden, z.b. 2001:0db8:c9d2:aee5:73e3:934a:a5ae:9551 Führende Nullen und 0000 Bytepaare können in IPv6 gestrichen werden: Schreibweisen für IPv6 Adressen 2001:0db8:c9d2:0012:0000:0000:0000: :db8:c9d2:12::51 ::1 ist in IPv6 die loopback-adresse ( in IPv4) IPv4 Adressen, wie lassen sich in IPv6 als ::ffff: darstellen Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 6 von 17 Rendezvous: Verbindung von & - Applikationen brauchen zuverlässige Kommunikation, deshalb betrachten wir nur Stream-basierte TCP Sockets In TCP, kommuniziert ein mit dem über die aufgebaute -zu- Verbindung durch Rendezvous: Socket-Aufbau: Prinzip Ein läuft auf einem Rechner und erzeugt einen -Socket, angeschlossen an eine bestimmte Port-Nummer Dieser Socket lauscht am Port auf mögliche Anfragen von s (auf diesem oder einem anderen Rechner) Ein schickt eine Verbindungsanfrage zum konkreten -Rechner und konkretem Port dort "lauscht" connection request Stream-basierte Sockets sind langsamer als UDP, verlangen aber weniger zusätzliche Programmierung und werden viel öfter benutzt Bei diesem Versuch wird im Erfolgsfall ein neuer Socket auf der -Seite für die Kommunikation mit dem erzeugt Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 7 von 17 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 8 von 17

3 Socket-Aufbau (Forts.) Beim erfolgreichen Verbindungsversuch wird automatisch ein neuer Socket auf der -Seite erzeugt, der sich mit der damit aufgebauten verbindung weiter befaßt: "lauscht" weiter connection (two way) Die java.net-klassen Eine plattformübergreifende Möglichkeit zur TCP/IP-Programmierung sind Java Sockets Networking mit Sockets in Java wird im Paket java.net implementiert Klassen für Kommunikation über TCP (Transmission Control Protocol): Socket, Socket Die Klassen URL, URLConnection,... sind high-level Mechanismen zum Anbinden an das Web. Die zwei neuen Sockets werden jeweils mit einem neuen Port verbunden. Die Portnummern werden vom System vergeben. Jetzt kommunizieren und mittels dieser zwei Sockets Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 9 von 17 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 10 von 17 Socket in Java Socket in Java Einfacher Echo- public class Java { public static void main(string[] args) { int = 0; = Integer.parseInt(args[0]); } catch (Exception e) { System.out.println("please specify a valid..."); System.exit(0); } Socket ses = new Socket(); Socket s = ses.accept(); BufferedWriter out = new BufferedWriter( new OutputStreamWriter(s.getOutputStream())); BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader(s.getInputStream())); StringBuffer response = new StringBuffer("Hello " + s.getinetaddress() + "\r\n" ); response.append("i received your message: " + in.readline( ) + "\r\n"); out.write(response.tostring( )); } catch (IOException ex) { ex.printstacktrace( ); } } } Der zugehörige Echo- public class Java { public static void main(string[] args) { int = 0; = Integer.parseInt(args[0]); } catch (Exception e) { System.out.println("please specify a valid..."); System.exit(0); } Socket s = new Socket(" ", ); OutputStreamWriter out = new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()); System.out.println("Enter the message: "); String msg = new BufferedReader( new InputStreamReader(System.in) ).readline(); out.write(msg); } catch (IOException e) { e.printstacktrace( ); } } } Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 11 von 17 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 12 von 17

4 Socket Kommunikation in C Die grundlegend benötigte Struktur ist addrinfo Elemente von addrinfo struct addrinfo { int ai_flags; // AI_PASSIVE,... int ai_family; // AF_INET, AF_INET6,... int ai_socktype; // SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM int ai_protocol; // use 0 for "any" size_t ai_addrlen; // size of ai_addr in bytes struct sockaddr *ai_addr; // struct sockaddr_in or _in6 char *ai_canonname; // full canonical hostname struct addrinfo *ai_next; /* next node */ }; Eine Dokumentation liefert man getaddrinfo Die Aufrufreihenfolge beim Verbindungsaufbau ist getaddrinfo(); /* (1) */ socket(); /* (2) */ bind(); /* (3) */ listen(); /* (4) */ Befüllt wird addrinfo mittels getaddrinfo Definition von getaddrinfo #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netdb.h> int getaddrinfo(const char *node, // "hs regensburg.de" or IP const char *service, // e.g. "telnet" or const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res); die ersten beiden Parameter sind IP-Adresse und Port, darauf folgen Optionen und die Adresse für das Ergebnis Folgende Optionen können via hints angegeben werden struct addrinfo hints; memset(&hints, 0, sizeof(hints)); hints.ai_family = AF_INET; // AF_UNSPEC, etc. hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; // SOCK_DGRAM, etc. hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // AI_CANONNAME, etc. Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 13 von 17 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 14 von 17 Verbindungs- (socket) und Dienst-bereitstellung (bind) erfolgen dann mit den ermittelten (Element-)Werten listen erfordert noch einen backlog-parameter (max. Anzahl von Requests in der Warteschlange) Darauf folgt dann das connect () bzw. accept () Definition von getaddrinfo sockfd = socket( servinfo >ai_family, servinfo >ai_socktype, servinfo >ai_protocol ); if (sockfd!= 0) error("error opening socket"); if ( bind(sockfd, servinfo >ai_addr, servinfo >ai_addrlen)!= 0) error("error on binding"); listen(sockfd,5); // accept or connect... Beispiel Aufruf von accept struct sockaddr_in cli_addr; int sockfd, newsockfd; socklen_t clilen; char buffer[256]; struct cli_addr; clilen = sizeof(cli_addr); newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &cli_addr, &clilen); if (newsockfd < 0) error("error on accept"); Die Kommunikation funktioniert mittels read/write Geschlossen werden die Verbindungen mittels close Eine praktische Referenz ist u.a. guide (bzw. ausführlicher: Network Programming von Brian Hall ASIN B002AD9SNK, books.theinfo.org/go/b002ad9snk Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 15 von 17 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 16 von 17

5 Zusammenfassung Was haben wir gelernt? Networking soll transparent sein (Brückenprinzip) Protokoll-Stack beschreibt Aufbau und Verschicken von Nachrichten Erzeugen und Verbinden von TCP/IP Verbindungen funktioniert in Java und C mittels Sockets In der Übung verbinden wir testweise einen C mit einem Java und umgekehrt Interessante Ergänzung: bedienen Sie jede Anfrage in einem eigenen Thread (Java Threads, vgl. Vorlesung 3 oder POSIX Threads nächste Vorlesung) Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 17 von 17