1. Internet-Grundlagen und Überblickswissen

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1 1. Internet-Grundlagen und Überblickswissen OSI 7-Schichtenmodell Verteilte Anwendungen, allgemeines Client-Server-Modell Pipes/Sockets als Kommunikationsmodell auf der IP- Schicht WWW ein klassisches Client-Server-System (C/S) mit http als zustandsloses Verbindungsprotokoll in der Anwendungsschicht Verbindungsorientierte C/S-Systeme Architektur von Web-Applikationen Möglichkeiten des clientseitigen Scriptings Multi-Tier-Architekturen von Web-Applikationen Möglichkeiten des serverseitigen Scriptings 1 OSI Modell (1) OSI-Referenzmodell: Open Systems Interconnection Reference Model Eingeführt 1983 von der ISO (Internationale Normungsorganisation) Zu dieser Zeit existierte TCP/IP bereits, das bis dahin durch ein 4-Schichtenmodell erklärt wurde. Ein Schichtenmodell ordnet verschiedenen Netzwerk- Techniken jeweils eine Schicht zu. Die oberen Schichten bauen auf der Funktionalität und den Schnittstellen der unteren Schichten auf. 2

2 OSI Modell (2) 3 OSI Modell (3) 1: Bitübertragungsschicht umfasst mechanische und elektrische Elemente, das Übertragungsmedium und die übertragungstechnischen Verfahren 2: Sicherungsschicht - Techniken zum Zugriff auf das Übertragungsmedium, Datenflusskontrolle, Fehlererkennung und korrektur 3: Vermittlungsschicht Weiterleitung der Datenübertragung über ein Kommunikationsnetz aus mehreren Leitungssegmenten und Schaltstellen (Router) 4: Transportschicht Ende-zu-Ende-Steuerung für Datenströme 4

3 OSI Modell (4) 5: Sitzungsschicht synchronisierter Datenaustausch, weitere Mechanismen wie z.b. RPC (Remote Procedure Call) 6: Darstellungsschicht Herstellung einer systemunabhängigen Darstellung der Daten, ggf. Anpassung an verschiedene Darstellungsformate, Zusätzlich: Datenkompression und Verschlüsselung 7: Anwendungsschicht verschiedene Anwendungen, wie z.b. Dateitransfer (SCP,FTP), , Webserver/Webbrowser 5 Einfacheres 4-Schichten-Modell (1) Angelehnt an TCP/IP mit Internetschicht und Transportschicht Rechner 1 logischer Datenaustausch Rechner Anwendungsschicht Transportschicht http, ftp, smtp, pop,... TCP 3 4 Anwendungsschicht Transportschicht http, ftp, smtp, pop,... TCP 2 Internetschicht IP 2 Internetschicht IP 1 Netzzugangsschicht 1 Netzzugangsschicht realer Datenaustausch mit elektr. Signalen 6

4 Einfacheres 4-Schichten-Modell (2) Die beiden entscheidenden Schnittstellen, die Internetschicht und die Transportschicht gut zu erkennen. Darüber liegt dann die Anwendungsschicht, die die bekannten Internetdienste enthält. Der Name Internettechnologien kommt natürlich von der Internetschicht. Man rechnet alles, was direkt auf diese Internetschicht aufsetzt oder darüber liegt zu den Internettechnologien. In der Literatur ist oft der Begriff Web- Technologie zu finden. 7 Client-Server-Modell Grundlage für die Internettechnologien Wir betrachten zwei Rechner, die über das Netz verbunden sind. Auf jedem Rechner läuft eine Anwendung, die beide miteinander kooperieren, d.h. Daten austauschen. Eine Anwendung wird als Server bezeichnet, die andere als Client. Der Server stellt einen Dienst bereit und der Client ist die Anwendung, die den Dienst in Anspruch nimmt. Gefordert: Ein Protokoll, das bestimmt wie der Datenaustausch zwischen Server und Client funktioniert. Zeitliche Abfolge der Nachrichten und Regeln für Client und Server Inhalt und Format der einzelnen Nachrichten 8

5 Client-Server-Modell Grundlage für die Internettechnologien Werden im Internet Dienste von allgemeinem Interesse zur Verfügung gestellt, müssen die Protokolle publiziert werden. Oft werden dann auch Clients zur Verfügung gestellt, über die solche Dienste genutzt werden können. Zugangspunkte für Dienste (Adressen) müssen bekannt sein: Adresse des Servers (IP-Adresse) Unterscheidung der Zugangspunkte, wenn ein Server mehr als einen Dienst bereit stellt (Port) Die Adressierung ist Aufgabe der Transportschicht (TCP) im OSI-Modell. 9 Client-Server-Modell Adressierung der Server Ein Dienst wird mit einer so genannten Portnummer versehen. Portnummer und Rechner (IP-Nummer) bilden ein Socket und sind im Internet eindeutig definiert. Damit gelingt es beim Datenversand im Internet durch TCP das Ziel der Daten, den Server, eindeutig zu adressieren. Server: IP-V4-Adr.: WWW-Server an Port 80 FTP-Server an Ports 20,21 10

6 Client-Server-Modell Adressierung der Clients Ein Client wird durch seine IP-Adresse ausgewiesen. Jede Verbindung wird client-seitig einem anderem Port zugeordnet. Damit kann der Client mehrere Verbindungen gleichzeitig aufrecht erhalten. Ports für Client-Prozesse werden durch Portmapper dynamisch vergeben. Der Client-Port wird dem Server beim Verbindungsaufbau mitgeteilt. Eine TCP-Verbindung (Socket-Verbindung) ist demnach durch (Server-IP-Addr, Server_Port, Client-IP-Addr, Client-Port) gekennzeichnet. 11 Client-Server-Modell Szenarien (1) Ein Server, mehrere Clients: Server Server-IP-Adr, Server-Port C2-IP-Adr, C2-Port Clients C1-IP-Adr, C1-Port C3-IP-Adr, C3-Port Wenn Clients auf unterschiedlichen Rechnern laufen, dann unterscheiden sich C1-IP-Adr, C2-IP-Adr und C3-IP-Adr. Wenn Clients auf dem gleichen Rechner laufen (z.b. mehrere Nutzer), dann unterscheiden sich ihre Port-Nummern, z.b. C2- Port C1-Port 12

7 Ein Client, mehrere Server: Client-Server-Modell Szenarien (2) Server S1-IP-Adr, S1-Port Client Client-IP-Adr, Client-Port S2-IP-Adr, S2-Port Wenn Server auf unterschiedlichen Rechnern laufen, dann unterscheiden sich S1-IP-Adr und S2-IP-Adr. Wenn verschiedene Server auf dem gleichen Rechner laufen, dann unterscheiden sich ihre Port-Nummern, z.b. S2-Port S1-Port. Nachrichten unterschiedlicher Verbindungen sind immer unterscheidbar. 13 TCP und UDP (1) TCP (Transmission Control Protocol) Verbindungsorientiertes Protokoll aus OSI Schicht 4, arbeitet intern wie dargestellte Socket- und Pipe- Kommunikation TCP garantiert Reihenfolge der Daten und Fehlerfreiheit bei verlorenen Paketen werden diese wiederholt übertragen Auf TCP bauen viele Internetdienste auf, z.b. HTTP, FTP 14

8 TCP und UDP (2) UDP (User Datagram Protocol) ist das verbindungslose Pendant zu TCP UDP kann schneller sein einzelne Pakete werden übertragen, ohne explizite Verbindung keine Reihenfolgegarantie Pakete können verloren gehen einige Dienste, wie z.b. Audio-Streaming verwenden UDP 15 Client-Server-Kommunikation per Socket-Verbindung (1) Eine Socket-Verbindung ist eine verbindungsorientierte Kopplung zwischen zwei Prozessen, typischerweise einem Server und einem Client. Die Verbindung wird explizit aufgebaut, danach kann bidirektional kommuniziert werden. Die Verbindung wird geschlossen, wenn sie nicht mehr benötigt wird. Vergleichbar mit Telefongespräch! Prozess-1 Prozess-2 16

9 Client-Server-Kommunikation per Socket-Verbindung (2) Phasen einer Socket-Verbindung als Sequenz-Diagramm Server bind (port) listen() Client s=connect(server-ip-adr, port) s = accept() send(s, ) recv(s, ) send(s, ) close(s) recv(s, ) send(s, ) recv(s, ) close(s) 17 Client-Server-Kommunikation per Socket-Verbindung (3) Der Server bindet eine Dienst an einen bekannten Port (bind) und akzeptiert Verbindungen (accept). Ein Client verbindet sich mit einem Dienst an einem bekannten Port (connect). Beide Prozesse können Daten senden und empfangen. Welcher Prozess wann sendet und wann empfängt, muss durch das Protokoll zwischen Server und Client geklärt sein. Ein Server erzeugt typischerweise nach dem Annehmen einer Verbindung (accept) einen neuen Thread für die Verbindung. Der verbleibende Thread nimmt wieder neue Verbindungen an (Multi-Client Server). 18

10 Benannte Pipe als Kommunikationskanal (1) Eine benannte Pipe kann wie eine Datei angesehen werden, die auf der Seite des Server-Rechners eingerichtet ist und einen Kommunikationskanal zwischen zwei verteilten, kooperierenden Anwendungen darstellt. Eine Anwendung schiebt Daten in den Kanal hinein (schreiben) und die andere Anwendung holt sich diese Daten auf der anderen Seite aus dem Kanal heraus (lesen). Auf der Clientseite wird über eine URL \\hostname\pipe\pipename ein Handle zum entfernten Eingang des Kanals bereitgestellt. 19 Pipe als Kommunikationskanal (2) Tatsächlich wird mit dem Handle eine Datei verbunden, wodurch der Datenaustausch wie eine normale Dateioperation auf einem lokalen Rechner abläuft. Auf der Serverseite wird nur der pipename als Handle zum lokalen Eingang des Kanals bereitgestellt. Damit wird über das Handle der Kommunikationskanal als eine Art virtuelle Datei angesehen und der Datenaustausch über normale Dateioperationen abläuft. 20

11 Pipe als Kommunikationskanal (3) Aktion Aktion erzeugt Pipe CreateNamedPipe() WaitNamedPipe() Wartet auf Pipe verfügbar Wartet auf ankommend e Verbindung ConnectNamedPipe() CreateFile() Schließt Datei an Pipe an empfängt Daten ReadFile() WriteFile() sendet Daten Sendet Daten WriteFile() ReadFile() empfängt Daten Löst die Verbindung DisconnectNamedP ipe() Schließt Handle CloseHandle() CloseHandle() Schließt Handle Legende: Ablaufsteuerung vom Protokoll der Kooperation a bhängig Austausch Daten notwendiger Ablauf 21 - Pipe als Kommunikationskanal (4) Pipe-Funktionen des Servers Erzeugen von Pipes - CreateNamedPipe() Der Server muss auf seinem Rechner die Pipe erzeugen und dabei die Funktionalität angeben. Bei der Erzeugung gibt er statt seinem eigenen Computernamen einen Punkt an und legt den Pipenamen fest, z. B.: \\.\pipe\p1 Dieses Handle ist der erste Parameter der CreateNamedPipe()- Funktion. Der Computername des Servers (hostname) muss aber zusammen mit dem Pipenamen vom Client beim Zugriff auf die Pipe benutzt werden. 22

12 Pipe als Kommunikationskanal (5) Die weiteren Parameter bestimmen Pipe Art, Nutzungsmodi und Eigenschaften der zu erzeugenden Pipe. Der Rückkehrwert ist das Handle auf die Pipe. Wir verweisen hier auf die Beispiele, wo einige Varianten verwendet wurden. Beispiel als C-Quelltext: hpipe=createnamedpipe("\\\\.\\pipe\\p1", PIPE_ACCESS_INBOUND, PIPE_WAIT, PIPE_UNLIMITED_INSTANCES, 256,256,1000,NULL); Pufferlängen für Ein- und Ausgabe sind 256 Bytes, als Time-out Zeit gilt 1000 ms und es sind keine Sicherheitsattribute gesetzt. 23 Pipe als Kommunikationskanal (6) Warten auf Client-Verbindungen - ConnectNamedPipe() Mit der ConnectNamedPipe()-Funktion leitet der Server einen Warteprozess auf eine Clientanforderung ein. Der erste Parameter ist das Pipe-Handle, der zweite Parameter ist NULL oder enthält einen Pointer auf eine overlapped-struktur. Der Rückkehrwert ist bei Erfolg verschieden von 0. Beispiel: ConnectNamedPipe(hPipe,NULL); (Rückkehrwert wird hier nicht geprüft!) Aufheben der Client-Verbindungen - DisConnectNamedPipe() Mit der DisConnectNamedPipe()-Funktion beendet der Server eine Verbindung zu einem Client. Der einzige Parameter ist das Pipe- Handle. Der Rückkehrwert ist bei Erfolg verschieden von 0. Beispiel: DisConnectNamedPipe(hPipe); (Rückkehrwert wird hier nicht geprüft!) 24

13 Pipe als Kommunikationskanal (7) Schließen des Pipe-Handles - CloseHandle() Mit der CloseHandle ()-Funktion schließt der Server das Handle zu einer Pipe. Der Rückkehrwert ist bei Erfolg ungleich 0. Beispiel: CloseHandle(hPipe); (Rückkehrwert wird hier nicht geprüft!) Pipe-Funktionen des Client Warten auf die Verfügbarkeit der Pipe - WaitNamedPipe() Mit der WaitNamedPipe()-Funktion wartet der Client auf die Pipe, die der Server erzeugen muss. Der erste Parameter enthält sowohl host- als auch pipe-namen in der Form \\hostname\pipe\pipename. Der zweite Parameter enthält eine time-out-angabe. Der Rückkehrwert ist bei ungleich Pipe als Kommunikationskanal (8) Anschluß an eine Pipe - CreateFile() Mit der CreateFile()-Funktion realisiert der Client das Öffnen der Pipe als eine Datei. Der erste Parameter enthält das pipe- Handle in der Form \\hostname\pipe\pipename. Die weiteren Parameter entnehmen Sie bitte den Beispielen bzw. der Systemdokumentation. Der Rückkehrwert ist bei Erfolg ein Datei-Handle, sonst NULL. Beispiel: hpipe=create( \\\\PROF-EV05DWG90C\\pipe\\p1, GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL ); (Rückkehrwert hpipe müsste auf verschieden NULL getestet werden!) 26

14 Pipe als Kommunikationskanal (9) Datenaustausch mit der Pipe Der Client bedient sich hier normaler Datei-Operationen der Windows-Plattform. Im Wesentlichen kommen dabei die ReadFile()- und WriteFile()-Funktionen zum Einsatz. Um konsistente Abläufe zu erhalten, ist es zweckmäßig, nach Schreiboperationen die Pipe-Funktion FlushFileBuffers() aufzurufen. Der einzige Parameter ist das Pipe-Handle. Damit wird gewartet, bis die kooperierende Anwendung alle Informationen gelesen hat. Wir verweisen hier auf die Beispiele, wo einige Varianten verwendet wurden bzw. auf die Systemdokumentation. Beispiel: WriteFile( hpipe, text, strlen(text)+1, &dww, NULL ); Bem.: text ist hier die Adresse eines Speicherbereichs, der die zu übertragende Nachricht enthält! 27 Pipe als Kommunikationskanal (10) Beenden der Verbindung mit der Pipe CloseHandle() Der Client beendet die Verbindung mit der Pipe durch Aufruf der CloseHandle()-Funktion (vgl ). 28

15 RPC (1) A new paradigm hides message transfer: Birrell and Nelson, 1984 Remote procedure call (RPC): A program calls a subroutine or procedure in another address space RPC is initiated by a client: procedure call and wait for return request message to server (hidden) server calls procedure locally and transfers the parameters response message (hidden) client continues operation Sun RPC (UNIX), later Microsoft RPC, later CORBA and Java RMI for object-oriented languages 29 RPC (2) RPC: Client Server rc=calculate(p1,p2,p3, &solution); wait calculate client- und server-stub 30

16 RPC (3) IDL (interface definition language) for specifications of the interfaces 31 WWW Web basierend auf dem Internet Das Internet war bereits eher als das Web vorhanden, mit verteilten Anwendungen, Dateitransfer, Netzwerk- Dateisystemen (NFS) Web: entstanden durch Vorhandensein des HTTP-Protokolls, der HTML-Sprache, URLs und DNS (Distributed Name Service) Nutzung des Webs: ein klassisches Client/Server-Szenario Mit dem Web erfolgte eine Kultur- und Wirtschaftsrevolution, da sich dadurch die Verhaltensweisen der Menschen, die Organisation wirtschaftlicher Prozesse und auch politische Aspekte geändert haben. Web 2.0: kollaboratives Web, inhaltlich kein Server-zentriertes Web mehr 32

17 HTTP Protokoll (1) Hypertext Transport Protocol, größtenteils zum Austausch von Hypertext (HTML, xhtml) benutzt Herkunft: Das Protokoll wurde ab 1989 von Roy Fielding, Tim Berners- Lee und anderen am CERN entwickelt Zusammenspiel mit den Konzepten URL und HTML. URL: Unified Ressource Locator HTML: Sprache zum Aufschreiben von Hypertext-Dokumenten Geburt des WWW, (bzw. Web) Zur Kommunikation ist HTTP auf ein zuverlässiges Transportprotokoll angewiesen. Dafür wird in nahezu allen Fällen TCP verwendet (Quelle wikipedia) 33 HTTP Protokoll (2) Über HTTPS kann die Übertragung aber verschlüsselt erfolgen. HTTPS nutzt SSL aus Transportschicht (Secure Socket Layer) und TLS. Ein HTTPS-Dienst wird typischerweise auf Port 443 angeboten. HTTP-Eigenschaften: HTTP ist zustandslos Anfrage, Antwort, Ende: keine komplexen Kommunikationsszenarien Der Zustand eines Clients (Browsers) kann nur über s.g. Cookies verwaltet werden Typischer Protokollablauf: Anfrage an Server: GET mit Angabe des Dokuments und des Servers Antwort: OK, Infos über Server und HTML-Dokument 34

18 Typischer Protokollablauf: HTTP Protokoll (3) Anfrage an Server: GET /~sobe/ueb_internet/anfang.html HTTP/1.1 Host: Antwort: HTTP/ OK Date: Sun, 20 Mar :59:21 GMT Server: Apache/2.2.9 (Debian) PHP/ lenny9 with Suhosin-Patch mod_ssl/2.2.9 OpenSSL/0.9.8g mod_perl/2.0.4 Perl/v Vary: Accept-Encoding Content-Length: 1538 Connection: close Content-Type: text/html; charset=iso <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN " > < html> HTTP-Protokoll (4) HTTP-Operationen im Überblick: GET Anfordern einer Ressource mit Angabe einer URL POST Senden von Daten zum Server (z.b. für Formulare) HEAD Anfordern eines Headers zu einer Ressource PUT Hochladen einer Ressource, bei Webservern oft nicht implementiert DELETE Löschen einer Ressource, bei Webservern oft nicht implementiert TRACE Empfangen und Zurücksenden der Anforderung OPTIONS Server liefert eine Liste der unterstützten Operationen zurück CONNECT nur für Proxy-Server Das Hochladen von Web-Inhalten und Löschen erfolgt meistens durch andere Protokolle (z.b. SFTP Secure File Transfer Prot.) oder SSH (Secure Shell) 36

19 HTTP-Protokoll (5) Weiteres in Kapitel 2 Detailinformationen zum HTTP-Protokoll in RFCs (Request for Comments die De Facto-Standards darstellen) RFC 1945 (HTTP/1.0) RFC 2616 (HTTP/1.1) 37 HTML und xhtml HTML Hypertext Markup Language Auszeichungssprache für Web-Seiten, folgte schon dem SMGL- Meta-Standard xhtml - extensible Hypertext Markup Language XML konformes HTML, weitestgehend gleiche Elemente wie HTML 38

20 Architektur von Web-Anwendungen (1) In HTML lassen sich JavaScript-Programme einbetten, die auf der Clientseite durch einen Interpreter ausgeführt werden. Damit lassen sich gewisse dynamische Effekte bei der Anzeige eines HTML- Dokumentes erreichen. Das nennt man clientseitiges Scripting. Es bleibt es bei einer Client-Server-Anwendung, d.h. einer 2-Schichten-Anwendung (2-Tier). Effekte: Anzeigen neuer Bilder, zeitgebergesteuerte Animationen, Reaktion auf Mausereignisse, Änderung von Eigenschaften von Objekten (Farbe, Stil, ), Öffnen neuer Fenster, Message-Boxen und Dialogfenster usw. 39 Architektur von Web-Anwendungen (2) Client-seitiges Scripting (Fortsetzung): Prüfung von Nutzereingaben auf Korrektheit. Ein JavaScript kann auf Eigenschaften von Objekten der grafischen Oberfläche zugreifen und über Methoden Manipulationen durchführen. Das wird durch ein Document Object Model (DOM) ermöglicht. Architektur-Klassen: 2-Tier: Web-Anwendung ohne Scripting, auch Webanwendungen mit client-seitigem Scripting 3-Tier: Webanwendungen mit server-seitigem Scripting 4-Tier: Webanwendungen mit server-seitigem Scripting und einer weiterer funktionalen Ebene (meistens eine Datenbank) 40

21 Client-seitiges Scripting (1) Javascript auf Client-Seite ausgeführt Script-Code wird innerhalb der HTML-Seite übertragen Script-Code ist typischerweise im Head eingebettet Das Script kann die Webseite dynamisch verändern, oder Nachrichtenboxen oder Dialoge initiieren Nachladen von Inhalten (im großen Stil) aber nicht möglich, ohne eine neue Webseite zu laden 41 Client-seitiges Scripting (2) Javascript Beispiel: <html> <body onload= date() > <head> <form id= Formular > <title>die Seite mit dem Datum</title> <input size=10 name= Datum /> <script language= JavaScript > </form> function date() { </html> var j,m,t; var aktuellesdatum = new Date(); t = aktuellesdatum.getdate(); m = aktuellesdatum.getmonth()+1; j = aktuellesdatum.getyear(); window.document.formular.datum=t+. +m+ 19 +j; } </script> </head> 42

22 Server-seitiges Scripting (1) Die Aufbereitung von Web-Inhalten kann auch durch Programmverarbeitung auf dem Server erfolgen. Typische serverseitige Skript-Technologien: CGI + irgendetwas, das auf dem Server ausgeführt werden kann und Hypertext zurückliefert, typisch ist CGI in Verbindung mit einem Perl-Skript PHP eine Sprache, die in HTML eingebettet ist. 43 Server-seitiges Scripting (2) PHP - Hypertext Processor auf Server-Seite ausgeführt Die Ausgabe des Scrips erzeugt Seiteninhalt nur die Ausgabe des Scripts wird per HTTP übertragen PHP-Syntax ist an C und Perl angelehnt Beispiel: <html> <script language= php > $i=1; while($i<11) { echo <br> \n ; $i=$i+1 } </script> </html> 44

23 Multi-Tier-Anwendungen 45 Multi-tier Anwendungen 46

24 Kontrollfragen Erklären Sie kurz den Unterschied zwischen den Begriffen Internettechnologie und Web-Technologie! Welche Unterschiede bestehen bei der Benutzung einer Pipe zwischen der Server- und der Clientseite? Ein Nutzer verwendet z.b. den Internet Explorer und fordert von einem bekannten Web-Server ein Dokument an. Der Browser zeigt das HTML-Dokument an. Über das Menü Ansicht wählt er die Quelltext-Ansicht aus. Kann er am Quelltext erkennen, ob die Web-Anwendung mit serverseitigem Scripting gearbeitet hat? Begründen Sie Ihre Antwort! 47