Programmieren II (CS104) Netzwerkaspekte

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1 Programmieren II (CS104) Netzwerkaspekte 15. April 2004 Prof. Dr. Christian Tschudin Departement Informatik, Universität Basel

2 Uebersicht Netz-Implementierungsaspekte, top down Client Architektur read/eval loop vs event driven vs polling Server Architektur internes Multitasking Protokoll time sequence Diagramme Protokoll-Ebenen, Tips Mini-Intro Internet Namen, Adresse, Ports, Streams, Sockets Internet-API in Java c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 2/30

3 Generelle Vorbemerkung Client/Server 1 Problem auf s mal zu lösen ist schwierig genug: hier zwei Parteien plus die Applikationslogik als potentielle Fehlerquellen Deshalb C/S-Kommunikation von Anfang an richtig stellen, mit leerer Funktionalität Möglichst einfaches Protokoll, keine Ausnahmen Ziel von heute: Grundinfos Kommunikation vermitteln, auf Probleme hinweisen, Stolpersteine aus dem Weg räumen Falls nicht anders vermerkt: Pseudocode. c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 3/30

4 Client/Server Grobarchitektur Sternförmig: 1 Server, N clients jeder Client hat (s)eine Verbindung Jede Verbindung wird mehrfach benutzt C S: Anmeldung, Spielzüge, Chat,... S C: Begrüssung, Spielstand, Fehlermldg, Chat,... Multitasking an mehreren Stellen: Server: mehrere Clients zu bedienen Client: mehrere Kanäle (GUI, Netz) zu bedienen c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 4/30

5 Client Architektur Read-Eval Schleife Klassische EDV-Applikation: Input / Verarbeitung / Output Typischer Interpreter (zb Kommando-Shell): read-eval Loop Û Ð ØÖÙ µ ß Ñ Ö µ Ú Ð Ñ µ Ð Wie gleichzeitig von der Tastatur und dem Netz lesen? c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 5/30

6 Client-Architektur Event-getrieben Read-Eval Loop gilt auch für GUI-Anwendungen, auf Event-Ebene : Û Ð ØÖÙ µ ß Ú ÒØ ØÆ ÜØ Ú ÒØ µ Û Ø Ú Òغ ÓÙÖ µ ß ÙØØÓÒ½ ÐÐ ÙØØÓÒ½ Ò Ð Ö Ú Òص Ö ÙØØÓÒ¾ ÐÐ ÙØØÓÒ¾ Ò Ð Ö Ú Òص Ö ººº ÐÐ Gleiches Problem wie vorhin... c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 6/30

7 Client-Architektur Polling Ansatz: permanente Abfrage Beispiel: Û Ð ØÖÙ µ ß Ñ ÒÙÐÐ Ý ØÖÓ Ú Ð Ð µ µ Ñ Ö Ý Ó Ö µ Ð Ò Ø ÒÔÙØ Ú Ð Ð µ µ Ñ Ö Ò ØÛÓÖ µ Ñ µ Ú Ð Ñ µ Ð Polling: ineffizient, unfair, verpönt c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 7/30

8 Û Ð ØÖÙ µ ß ØÁÒØ Ö Ø Ð Ã Ç Ê Æ ÌÏÇÊà ºººµ Ñ Ò Client-Architektur Select Ansatz: Unterstützung durch das Betriebssystem Bsp UNIX: Ð Ø µ Ó Ö Ð Ø Ñ Ò µ Ó Ö ² Ã Ç Ê µ Ñ Ö Ý Ó Ö µ Ð Ó Ö ² Æ ÌÏÇÊõ Ñ Ö Ò ØÛÓÖ µ Ð Effizienz OK, aber: OS-spezifisch, ist nachträglich nur sehr schwer in eine GUI-Umgebung einzubauen. c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 8/30

9 Client-Architektur Threads Ansatz: Separate Programme für jeden Eingabekanal Ñ Ò µ ß Ð ÙÒ Ý Ó Ö Ê Öµ Ð ÙÒ Ò ØÛÓÖ Ê Öµ Ð Ý Ó Ö Ê Ö µ ß Ò ØÛÓÖ Ê Ö µ ß Û Ð ØÖÙ µ ß Û Ð ØÖÙ µ ß Ñ Ö Ý Ó Ö µ Ñ Ö Ò ØÛÓÖ µ Ú Ð Ñ µ Ú Ð Ñ µ ÐÐ ÐÐ c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 9/30

10 Client-Architektur Threads (Forts) Benötigt Unterstützung durch OS oder Laufzeitumgebung In Ø Ö Java: Lösung für uns: Thread(s) für die GUI schon vorhanden (in Swing) zu implementieren: Thread für die Protokoll-Clientseite Eingehandeltes Problem: Datenaustausch zwischen den Threads shared objects c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 10/30

11 Server-Architektur Analoge Diskussion: mehrere Kunden gleichzeitig zu bedienen Ö Ã Ò ÐÃÙÒ ½µ blockierendes geht nicht Threads auch hier eine elegante Lösung Neue Schwierigkeit 1: dynamische Anzahl von Threads (Clients kommen und gehen) Neue Schwierigkeit 2: echte Koordinationsprobleme zw Kunden-threads Zugriff durch Synchronisation koordinieren c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 11/30

12 Server-Architektur das Bild Server Server (permanent) Client 1 Client N... Gameserver Instanzen (dynamisch) 1: Verbindungdaufbau, 2: Delegation, 3: Datenaustausch c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 12/30

13 Protokoll Projekt-Vorgaben sind: textliches Netzwerk Protokoll wegen Debugging Sitzungs-bezogener Datenaustausch (Anmeldung, Liste der Spieler) Spiel-bezogener Datenaustausch (Spielzüge, Spielstand) unabhängiges Feature: Chat Schon besprochen: synchroner C/S-Dialog am Beispiel POP3 asynchrones Protokoll c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 13/30

14 Protokoll Auf welchem Niveau? Zwei Extreme 1. Maximaler Client und schmales Protokoll: Der Client kontrolliert GUI, Anmeldung, Replikation des Spielstands, Abbildung (und Ueberprüfung) von GUI-Aktionen auf Server-Befehle etc 2. Minimaler Client und breites Protokoll: Der Client delegiert (fast) alles an der Server GUI-Aktionen werden gleich weitergegeben, Server kontrolliert, bestimmt sogar GUI-Effekte ( ULC von Canoo) c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 14/30

15 Protokoll Auf welchem Niveau? (Forts) Maximaler Client und schmales Protokoll Wenig Meldungstypen: Sitzungsbezogen - An/Abmeldung, Spielerabfrage Spielbezogen..., Feature Vorteil: schlanker Server (muss nichts vom Client verstehen) Nachteil: Verteilte Programmlogik, Konsistenzprobleme c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 15/30

16 Protokoll Auf welchem Niveau? (Forts II) Minimaler Client und breites Protokoll Viele Meldungstypen: C S: Events für jeden Button, jedes Feld S C: detaillierte Aktionen Vorteil: zentrale Kontrolle, einfachster Client-Code Nachteile: einfache Clients (zb textbasierte) schwierig zu unterstützen komplexer Server, Client-abhängig c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 16/30

17 Protokoll mögliche Vereinfachungen Asynchron, oder 2-Kanal kein Problem mit Chat-Meldungen Nur Ein-Zeilen-Meldungen keine Listen von Strings führen Jede Meldung hat die Form ÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÒÒ wobei ein ein-buchstaben- Tag ist: Ñ Ö ÄÒ µ Û Ø Ñ ¼ µ ß»» ÔÐÙ ÎÓÖØ Ð Ü Ö È Ö Ñ¹ËØ ÖØ ³ ³ ººº Ö ³ ³ ººº Ö Ð c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 17/30

18 Protokoll Klarheit schaffen Protokoll Auslegeordnung, auch für die Kommunikation im Team Client request Server GUI Client logic connect Server Server Game Subserver Time-Sequence-Diagramme reply join hello request OK chat notification reply t Nicht nur für C&S! Auch auf Thread-Ebene. c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 18/30

19 Protokoll Mögliches Vorgehen bei Implementierung Don t build a system, grow it Zuerst nur Kommunikationsskelett für den Server: wartet auf Verbindung, akzeptiert, dann: wartet auf Eingabe, gibt Echo zurück (und auf Konsole/Logfile) Testen mit ± Ø ÐÒ Ø Ó Ø ÔÓÖØ (statt eigenem Client) zuerst single Client dann mehrere Clients Erst dann nächsten Schritt: Mini-GUI dazuschalten Button Text an Server Echo zurück Textfeld c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 19/30

20 Internet Mini-Intro Die End-Knoten sind zentral, nicht das Netz End-Knoten kommunizieren direkt miteinander, bzw einzelne Applikationen in den Endknoten. Adressierungsaufgaben: Knoten benennen richtiges Transport-Protokoll wählen Applikation (innerhalb eines Knoten) wählen c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 20/30

21 Internet Adressierung Logischer Name (für Menschen) ÓÖºÙÖÞºÙÒ º Wird (in Java automat.) abgebildet auf Internet-Adresse Internet-Adresse ½ ½º½ ¾º½º Transport-Protokoll TCP vs UDP TCP gibt fehlergeschützte bidirektionale Datenverbindung TCPbenötige setup und teardown (An/Abmeldung) Port-Adresse eine Nummer ½¼¾ ¼¼¼ Identifiziert die Applikation Diese Adresse wählen Sie! Kollisionsgefahr. c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 21/30

22 TCP-Socket = 4-Tupel src-ip, src-port, dest-ip, dest-port Internet Socket Socket = Internet-Kommunikationsendpunkt (wie eine Steckdose) user space user space user space Game client socket Web srvr Game server Game client src port Port dst port src port accept() kernel src IP kernel space dst IP kernel c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 22/30

23 Internet Socket (Forts) Verbindungsaufbau Client 1. Erzeuge ein Socket Objekt 2. Beziehe (automatisch) irgend eine lokale Port-Nummer 3. Binde Socket an eine Zieladresse (öffne die Verbindung) Datenaustausch Beende die Verbindung, zerstöre Socket c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 23/30

24 Internet Socket (Forts II) Verbindungsaufbau Server 1. Erzeuge ein Socket Objekt 2. Binde Socket an eine festgelegte Port-Nummer 3. Akzeptiere Verbindungsaufbau von Clients 4. Dies erzeugt dynamisch einen neuen Socket! Repräsentiert den Kanal mit diesem Client 5. Weiter mit Schritt 3. c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 24/30

25 Java API für Sockets ( ÑÔÓÖØ Ú ºÒ غ ) Client: ËÓ Ø Ò Û ËÓ Ø Ó Ø ÔÓÖص»» Ë Ö ØØ ½¹»» Ë Ö ØØ ºÐÓ µ Server: Ë ÖÚ ÖËÓ Ø Ò Û Ë ÖÚ ÖËÓ Ø ÔÓÖص»» ÒÑ Ð Û Ð ØÖÙ µ ß ËÓ Ø Ø º ÔØ µ»» ÝÒ Ñ ººº Ð c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 25/30

26 Java API Streams und Puffer ( ÑÔÓÖØ Ú º Óº ) In Java kann nicht direkt mit Sockets gelesen/geschrieben werden. Beziehen eines Streams : ÁÒÔÙØËØÖ Ñ º ØÁÒÔÙØËØÖ Ñ µ Dies stellt den rohen TCP-Datenstrom dar. Beziehen eines lokalisierten (wg Zeichensatz) Streams Ö Ò Û ÁÒÔÙØËØÖ ÑÊ Ö µ ÁÒÔÙØËØÖ ÑÊ Ö Beziehen eines Zeilen-Puffers Ù Ö Ê Ö Ò Û Ù Ö Ê Ö Öµ Blockierendes Lesen: ËØÖ Ò Ñ ºÖ Ä Ò µ c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 26/30

27 Java API Streams und Puffer (Forts) Analog für das Schreiben (Senden von Meldungen) Beziehen eines Streams : ÇÙØÔÙØËØÖ Ñ Ó º ØÇÙØÔÙØËØÖ Ñ µ Dies stellt den rohen TCP-Datenstrom dar. Beziehen eines lokalisierten (wg Zeichensatz) Streams Û Ò Û ÇÙØÔÙØËØÖ ÑÏÖ Ø Ö Óµ ÇÙØÔÙØËØÖ ÑÏÖ Ø Ö Beziehen eines Zeilen-Puffers ÈÖ ÒØÏÖ Ø Ö Ô Ò Û ÈÖ ÒØÏÖ Ø Ö Û ØÖÙ µ (Blockierendes) Schreiben: ÔºÔÖ ÒØÐÒ É Ý Ý ³³µ c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 27/30

28 Varia Port-Wahl: nicht unter 1024 (reserviert) vermeiden bekannter Applikationsports (zb 8080) Lokale Tests (Server und Client auf gleicher Maschine) verwenden, oder ½¾ º¼º¼º½ NameÐÓ Ð Ó Ø Bedenken Sie Firewalls: von ausserhalb der Uni ist ein interner Server nicht erreichbar ev auch Firewall des Betriebssystems selbst c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 28/30

29 Varia Java-Applet Appletlösung ist elegant: Client in Web-Seite integriert Problem: Game-Server muss auf Web-Server-Maschine laufen wegen Applet-Securitymodell Das Applet kann den Host, von dem es heruntergeladen wurde, wie folgt bestimmen: Ó Ø Ø Ó µº ØÀÓ Ø µ ËØÖ Ò Applets auch ohne Web-Server testen (siehe SDK): ± ÔÔÐ ØÚ Û Ö Ñ Ô º ØÑÐ c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 29/30

30 What else? c Tschudin, Departement Informatik, Universität Basel CS104 - Programmieren II : Netzwerk, , 30/30

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