Rechnerkommunikation. Aufgabenblatt 3. Webserver in Java

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1 Rechnerkommunikation Aufgabenblatt 3 Webserver in Java In dieser Übung soll ein Webserver in zwei Schritten entwickelt werden. Am Ende sollen Sie demonstrieren können, dass der Webserver in der Lage ist, Ihre Homepage an einen Webbrowser auszuliefern. Dazu soll die Version 1.0 von HTTP, wie sie in RFC definiert ist, implementiert werden, in der für jede Komponente der Webseite separate HTTP-Anfragen gesendet werden. Der Server lauscht auf einem bestimmten Port. Wenn er eine TCP Verbindungsanfrage erhält, übernimmt er die neue TCP-Verbindung auf einem anderen Port. Um diese Programmieraufgaben zu vereinfachen, soll der Code in zwei Schritten entwickelt werden. Zuerst werden Sie einen Server schreiben, der nur den Inhalt der HTTP-Anfragen, die er erhält, anzeigt. Wenn dieses Programm fehlerfrei läuft, können Sie den Code hinzufügen, der nötig ist, um eine passende Antwort zu erzeugen. Während Sie den Code entwickeln, können Sie Ihren Server mittels eines Webbrowsers testen. Aber denken Sie daran, dass Sie nicht mit dem Standard-Port 80 arbeiten. Daher müssen Sie die Portnummer in der URL im Browser explizit angeben. Wenn z.b. Ihre Rechneradresse host.informatik.uni-erlangen.de lautet, Ihr Server auf Port lauscht, und Sie die Datei index.html abrufen wollen, sollten Sie folgende URL im Browser eingeben: Wenn Sie :12345 weglassen, nimmt der Browser als Port 80 an, an welchem höchstwahrscheinlich kein Server zu finden ist. Wenn der Server einen Fehler entdeckt, sendet er eine Antwortnachricht mit einer entsprechenden HTML-Seite, sodass die Fehlerinformation im Browserfenster erscheint. Aufgabe 3.1 Nachfolgend wird der Code für die erste Implementierung unseres Webservers besprochen. Wo immer Sie ein? sehen, muss ein fehlendes Detail ergänzt werden. Die Verarbeitung jeder ankommenden Anfrage findet innerhalb einer separaten Methode 1 1

2 statt. Die Struktur des Webservers sieht wie folgt aus: import java.io.* ; import java.net.* ; import java.util.* ; public final class WebServer public static void main(string argv[]) throws Exception private static void httprequest(?) throws Exception Normalerweise beantworten Webserver Dienstanforderungen, die über den wohlbekannten Port 80 eintreffen. Sie können jeden Port wählen, der höher als 1024 ist, aber denken Sie daran, die selbe Portnummer zu verwenden, wenn Sie eine Anfrage an Ihren Webserver von Ihrem Browser aus starten. public static void main(string argv[]) throws Exception // set the port number: int port = 12345; Als nächstes öffnen wir einen Socket und warten auf eine TCP-Verbindungsanfrage. Die Listen- Operation wird in einer Endlosschleife platziert, da der Server permanent Dienstanforderungen verarbeiten soll. Daher muss zum Beenden des Webservers die Tastenkombination Ctrl-C verwendet werden. // establish the listen socket:? // process HTTP service requests in an infinite loop: while (true) // listen for a TCP connection request:? Wenn eine Verbindungsanfrage angekommen ist, wird die httprequest-methode aufgerufen, wobei wir eine Referenz auf das Socket-Objekt übergeben, das die bereits aufgebaute Verbindung zum Client repräsentiert. // call the procedure: httprequest(?); Damit ist der Code in main() komplett. Im Rest dieser Teilaufgabe bleibt nur noch die httprequest- Methode zu entwickeln. Wir deklarieren eine Variable für die Methode httprequest: CRLF. Entsprechend der HTTP-Spezifikation muss jede Zeile der Antwortnachricht des Servers mit einem carriage return (CR) und einem line feed (LF) abgeschlossen werden, deshalb wird zur Bequemlichkeit CRLF definiert. Eine Referenz auf den Socket mit der neuen TCP-Verbindung wird an diese Methode als Parameter übergeben. Hier 2

3 finden Sie die Struktur der Methode httprequest: private static void httprequest(?) throws Exception final String CRLF = "\r\n"; Nun soll der Code in httprequest entwickelt werden. Als erstes erhalten wir Referenzen auf den Input- und Output-Stream des Sockets. Diese werden in InputStreamReader und BufferedReader- Filtern gekapselt. Der Output-Stream wird nicht durch Filter gekapselt, denn es sollen einzelne Bytes direkt in den Output-Stream geschrieben werden. // get a reference to the socket s input and output streams: InputStream is =?; DataOutputStream os =?; // Set up input stream filters.? BufferedReader br =?; Nun kann die Anforderungsnachricht des Clients empfangen werden, indem der Input-Stream des Sockets ausgelesen wird. Die readline()-methode der Klasse BufferedReader entnimmt Zeichen aus dem Input-Stream, bis das Ende einer Zeile erreicht ist, oder, wie in unserem Fall, die Zeichenfolge CRLF gelesen wird. Der erste verfügbare Eintrag im Input-Stream ist die HTTP-Anfrage. // get the request line of the HTTP request message: String requestline =?; // display the request line: System.out.println(); System.out.println(requestLine); Nach der Anfragezeile des Nachrichtenheaders werden weitere Headerzeilen ausgelesen. Da nicht im Voraus bekannt ist, wie viele Headerzeilen der Client sendet, müssen die Zeilen in einer Schleife eingelesen werden. // get and display the header lines: String headerline = null; while ((headerline = br.readline()).length()!= 0) System.out.println(headerLine); Die Headerzeilen werden benötigt, um sie auf dem Bildschirm auszugeben. Daher wird eine temporäre String-Variable headerline zum Speichern von Referenzen auf die Werte verwendet. Die Schleife terminiert, wenn der Ausdruck (headerline = br.readline()).length() zu 0 evaluiert. Das passiert genau dann, wenn headerline die Länge 0 hat. Dies bedeutet, dass die Leerzeile am Ende des Headers eingelesen wurde. Im nächsten Schritt dieser Übung wird Code hinzugefügt, um die Anfrage des Clients zu analysieren und eine Antwort zurückzuschicken. Aber bevor wir das tun, sollten Sie versuchen, das Programm zu compilieren und mit Hilfe eines Browsers zu testen. Folgende Zeilen sollten am Ende des Codes eingefügt werden, um die Streams und Socket-Verbindungen zu schließen: // Close streams and socket. os.close(); br.close(); socket.close(); Wenn sich das Programm erfolgreich compilieren lässt, führen Sie es mit einer verfügbaren Portnummer aus, und versuchen Sie, es von einem Browser aus zu kontaktieren. Dazu sollten Sie die 3

4 IP-Adresse Ihres Rechners in die Adressleiste des Browsers eingeben. Wenn z.b. Ihre Rechneradresse host.informatik.uni-erlangen.de ist, und Ihr Server auf Port lauscht, sollten Sie folgende URL im Browser angeben: Der Server sollte den Inhalt der HTTP-Anfrage ausgeben. Überprüfen Sie, ob das Format mit dem auf Vorlesungsfolie 13 in Kapitel 2 (Anwendungsschicht) Gezeigten übereinstimmt. Sehen Sie sich die IP-Adressen und Portnummern der Sockets an. Die Klasse Socket stellt die Methoden getinetaddress(), getport() für die IP-Adressen und Portnummern des Clients und getlocaladdress(), getlocalport() für die IP-Adressen und Portnummern des Servers zur Verfügung. Aufgabe 3.2 Nun soll die Anfrage analysiert und eine entsprechende Antwort zurückgeschickt werden. Dabei soll die Information in den Headerzeilen ignoriert, und nur der Dateiname aus der Anfragezeile verwendet werden. In der Tat wird davon ausgegangen, dass in der Anfragezeile stets die GET-Methode verwendet wird. Die Tatsache, dass der Client eine andere Anfrage, wie etwa HEAD oder POST senden könnte, wird vernachlässigt. Der Dateiname wird aus der Anfragezeile mit Hilfe der StringTokenizer-Klasse extrahiert. Dazu wird als erstes ein StringTokenizer-Objekt generiert, das die Zeichenkette aus der Anfragezeile enthält. Als nächstes wird die Angabe der Methode in der Anfragezeile übersprungen, da stets GET angenommen wird. Als drittes wird der Dateiname extrahiert. // extract the filename from the request line: StringTokenizer tokens = new StringTokenizer(requestLine); tokens.nexttoken(); // skip over the method, which should be "GET" String filename = tokens.nexttoken(); // prepend a "." so that file request is within the current directory: filename = "." + filename; Da der Browser vor dem Dateinamen einen / einfügt, wird ein Punkt an den Anfang des Pfadnamens gestellt, sodass dieser mit dem aktuellen Verzeichnis beginnt. Da nun der Dateiname bekannt ist, kann die Datei geöffnet werden, um sie dann zu versenden. Existiert die Datei nicht, wirft der Konstruktor FileInputStream() die Exception FileNotFoundException. Anstelle des Werfens der Exception soll nun ein try/catch-konstrukt eingesetzt werden, um die Bool sche Variable fileexists auf den Wert false zu setzen. Später im Code wird diese Variable verwendet, um eine Fehlernachricht zu generieren. // open the requested file: FileInputStream fis = null; boolean fileexists = true; try fis = new FileInputStream(fileName); catch (FileNotFoundException e) fileexists = false; Die Antwortnachricht enthält drei Teile: die Statuszeile, die Antwortheader und den Body. Die Statuszeile und die Antwortheader werden durch die Zeichenfolge CRLF beendet. Die Antwort enthält eine Statuszeile, die in der Variable statusline gespeichert wird, und einen einzigen Antwortheader, der in der Variable contenttypeline abgelegt wird. Im Falle einer Anfrage nach einer nichtexistenten Datei wird 404 Not Found in der Statuszeile der Antwortnachricht ausgegeben und eine 4

5 Fehlernachricht in Form eines HTML-Dokuments im Body zurückgesendet. // construct the response message: String statusline = null; String contenttypeline = null; String entitybody = null; if (fileexists) statusline =?; contenttypeline = "Content-type: " + contenttype( filename ) + CRLF; else statusline =?; contenttypeline =?; entitybody = "<html>" + "<head><title>not Found</title></head>" + "<body>not Found</body></html>"; Existiert die Datei, so muss der MIME-Typ der Datei bestimmt werden und eine entsprechende MIME-Typ-Angabe gesendet werden. Diese Entscheidung wird in einer separaten privaten Methode namens contenttype(), die eine Zeichenkette zurückliefert, die in die Content-Type-Zeile eingefügt werden kann, getroffen. Jetzt können die Statuszeile und die einzelne Headerzeile an den Browser geschickt werden, indem sie in den Output-Stream des Sockets geschrieben werden. // send the status line: os.writebytes(statusline); // send the content type line: os.writebytes(?); // send a blank line to indicate the end of the header lines: os.writebytes(crlf); Nun, da die Statuszeile und die Headerzeile mit den trennenden CRLFs im Output-Stream platziert wurden, und auf dem Weg zum Browser sind, ist es an der Zeit, mit dem Body das gleiche zu tun. Wenn die angeforderte Datei existiert, wird eine separate Methode aufgerufen, um die Datei zu versenden. Existiert die Datei nicht, wird eine vorbereitete HTML-codierte Fehlermeldung versendet. // send the entity body: if (fileexists) sendbytes(fis, os); fis.close(); else os.writebytes(?); Nach dem Senden des Bodys ist die Arbeit der Methode beendet, daher können die Streams and Sockets geschlossen werden. Nun müssen nur noch die beiden oben erwähnten Methoden zur Bestimmung des MIME-Typs und zum Versenden der Datei programmiert werden. Als erstes soll nun die Methode betrachtet werden, 5

6 die die angeforderte Datei in den Output-Stream des Sockets schreibt. private static void sendbytes(fileinputstream fis, OutputStream os) throws Exception // construct a 1K buffer to hold bytes on their way to the socket: byte[] buffer = new byte[1024]; int bytes = 0; // copy requested file into the socket s output stream: while((bytes = fis.read(buffer))!= -1 ) os.write(buffer, 0, bytes); Sowohl read() als auch write() werfen Exceptions, die hier jedoch nicht aufgefangen und behandelt, sondern lediglich geworfen. Die Variable buffer dient als temporärer Speicherplatz für Bytes auf dem Weg von der Datei zum Output-Stream. Nach dem Lesen der Bytes aus FileInputStream wird überprüft, ob read() -1 zurückliefert, womit das Erreichen des Endes der Datei angezeigt wird. Wurde das Ende der Datei noch nicht erreicht, liefert read() die Anzahl von Bytes, die im Puffer platziert wurden, zurück. Die OutputStream-Klasse wird verwendet, um die Bytes in den Output-Stream einzufügen, indem ihr der Name eines Byte-Arrays, buffer, der Startpunkt im Array bytes, übergeben wird. Das letze Stück Code, das benötigt wird, um den Webserver zu vervollständigen, ist eine Methode, die die Erweiterung eines Dateinamen betrachtet, um eine Zeichenkette zurückzuliefern, die dem MIME- Typ der Datei entspricht. Ist die Dateierweiterung unbekannt, wird der Typ application/octet-stream zurückgeliefert. private static String contenttype(string filename) if(filename.endswith(".htm") filename.endswith(".html")) return "text/html"; if(?)?; if(?)?; return "application/octet-stream"; In dieser Methode fehlt noch vieles. Beispielsweise wird nichts für GIF- oder JPEG-Dateien zurückgeliefert. Die fehlenden Dateitypen können ergänzt werden, sodass die Komponenten Ihre Homepage mit korrekt angegebenen Content-Type-Headerzeilen ausgeliefert werden. Der MIME-Typ für GIFs lautet image/gif und für JPEGs image/jpeg. Damit ist der Code für die zweite Phase der Webserver-Entwicklung komplett. Versuchen Sie nun selbst, den Server von dem Verzeichnis aus auszuführen, in dem sich Ihre Homepage befindet und versuchen Sie, Ihre Homepage mit einem Browser zu betrachten. Denken Sie daran, im URL Ihrer Homepage eine Portangabe zu treffen, sodass der Browser nicht versucht, eine Verbindung zum Standardport 80 aufzubauen. Untersuchen Sie die GET-Anfragen, die der Webserver vom Browser erhält, wenn Sie eine Verbindung vom Browser zu einem laufenden Webserver herstellen. Hinweis: Sie können die Korrektheit Ihrer Implementierung mit dem Testprogramm (siehe Webseite) prüfen. Dafür müssen Sie Ihren Webserver starten und danach mit dem folgenden Befehl das Testprogramm aufrufen: java -jar wsc.jar [--host -h <hostname>] [--port -p <port>] [--workdir -w <workdir>] [--show-exceptions -e] 6