Projektaufgabe Peer-To-Peer Chat Programm

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1 Projektaufgabe Peer-To-Peer Chat Programm Betreuer: Dipl. Ing. Thomas Kehrt September 10, Einführung Im Rahmen des Vorkurses wird für fortgeschrittene Studenten eine Projektarbeit angeboten. Diese Projektaufgabe geht über die in der Vorlesung und Übung vermittelten Kenntnisse hinaus. Ziel ist weniger die Vermittlung von Fachkenntnissen, da alle Inhalte während des Studiums vermittelt werden, sondern vielmehr die Einführung in Gruppenarbeiten, die während des Studiums eine groÿe Rolle spielen, sowie das einüben von Methoden des Wissenserwerbs. 1.1 Vorkenntnisse Vorraussetzung zur Teilnahme an dem Projekt sind gute Java-Kenntnisse. Das Thema Objektorientierung (Schlagworte: Klasse, Member, Konstruktor, nalize, Überladung etc.) sollte sicher beherrscht werden. Kenntnisse von Containern in Java sind darüber hinaus hilfreich. Darüber hinaus werden Grundkenntnisse in Netzwerktechnik (Schlagworte: IP-Adresse, Port, Client-Server, Peer-To-Peer etc.) vorrausgesetzt. 1.2 Projektinhalt Im Rahmen des Projektes soll ein Chat-Client auf Basis einer Peer-To-Peer Kommunikation entwickelt werden. Darüber hinaus gibt wird ein Server zur Verfügung gestellt, der als "Telefonbuch" dient. Hier können im Rahmen einer Client-Server-Architektur Verbindungsinformationen über Chatteilnehmer abgerufen werden. Zu Testzwecken wird weiterhin ein Chat-Client zur Verfügung gestellt, mit der die eigene Implementierung getestet werden kann. 2 Aufgabenstellung Lesen Sie zuerst den gesammten Aufgabenzettel. 1

2 Die zu entwickelnde Software besteht aus drei Teilen. Der erste Teil ist die Verarbeitung von Benutzereingaben. Hierzu soll keine graphische Oberäche erstellt werden, sondern lediglich die Kommandozeile dienen. Der zweite Teil ist die Kommunikation mit dem Adressbuchserver. Der Reihe nach soll eine Verbindung aufgebaut werden, das Protokoll zur Anmeldung abgearbeitet werden und schlieÿlich eine Liste aller verfügbarer Teilnehmer abgefragt werden. Die Liste aller verfügbarer Teilnehmer soll dem Benutzer auf Anfrage dargestellt werden. Der dritte Teil ist die eigentlich Kommunikation. Zunächst muss dazu eine Verbindung zu einem anderen Teilnehmer aufgebaut werden. Dazu gehört neben dem Verbindungsaufbau auch das Anmeldeprotokoll. Nach erfolgreicher Anmeldung können Textnachrichten ausgetauscht werden. 2.1 Protokoll Das Protokollformat ist rein textbasiert und besteht aus einem Kommando, dass jeweils nur ein einzelner Buchstabe ist und wird gefolgt von Argumenten. Im folgenden steht c für ein beliebiges Kommando. Argumente sind je nach Befehl vorhanden. 2.2 Materialien c Argument1 [Argument2... ] Neben dieser Aufgabenstellung benden sich auf der Homepage des Vorkurses noch zwei Java-Programme. Zum einen ist dies der Server, auf dem die Verbindungsinformationen gespeichert und abgerufen werden. Zum anderen bendet sich dort eine feritige Implementierung eines Clients, mit dem getestet werden kann. 2.3 Adressbuchserver Laden Sie sich von der Internetseite des Vorkurses das Java-Programm "ChatServer" herunter und starten Sie es auf einem eigenen Rechner. Der ChatServer ist unter der IP-Adresse des gestarteten Rechners unter dem Port 2534 zu erreichen. Auf diesem Rechner kann kein Client gestartet werden, da in den Server bereits ein Client eingebaut ist. Dieser Client ist immer verfügbar und heiÿt "echo". Falls Sie sich mit diesem Client verbinden und Ihm eine Nachricht schicken, schickt er die Nachricht immer identisch zurück (daher echo ;). 2.4 Test Client Jeder Client hat eine eigene Serverfunktionalität, indem er auf ankommende Verbindungen von anderen Clients wartet. Diese Server lauschen auf dem Port 2535 (mehr dazu im Kapitel Sockets. Auf der Webseite des Vorkurses können Sie sich einen fertigen Client herunterladen. Diesen können sie benutzen, um Ihre eigene Implementierung zu testen. Tippen Sie nach dem Starten des Clients #help um eine Übersicht über alle Kommandos zu erhalten, die der Client beherrscht. 2

3 3 Protokoll Im folgenden wird das Protokoll erklärt. Jedes Modul des Programms versteht bestimmt Kommandos, andere jedoch nicht. Daher sind im folgenden die Kommandos für die einzelnen Module beschrieben. Es gilt grundsätzlich, dass jeder Befehl mit einem Zeilenumbruch anzuschlieÿen ist. 3.1 Protokoll ChatServer Der ChatServer versteht folgende Kommandos: n name Meldet den Benutzer mit dem Namen name beim Server an. t Fragt den Server nach der Tabelle der Einträge. Siehe unten für die Antwort. x byebye Beendet die Verbindung zum Server, der Server wird die Verbindung von seiner Seite aus schlieÿen. byebye ist ein Abschiedsgruÿ, der auch ignoriert werden kann. Der Chatserver sendet folgende Kommandos: t n Tabellenzeilen Das Kommando t wird gesendet, wenn der Client zuvor ein t- Kommando gesendet hat. n sind die Anzahl der Tabellenzeilen, die folgen. Tabellenzeilen werden jeweils durch einen Zeilenumbruch getrennt. In einer Tabellenzeile steht zuerst der Name des anderen Users gefolgt von seiner IP-Adresse. x byebye Kündigt das Schlieÿen der Verbindung an, der Server wird die Verbindung von seiner Seite aus schlieÿen. byebye ist ein Abschiedsgruÿ, der auch ignoriert werden kann. e Fehlermeldung Wird gesendet, wenn der Server einen Befehl erhalten hat, den er nicht kennt. Die Fehlermeldung gibt einen Hinweis darauf, was vom Server empfangen wurde. 3.2 Protokoll Clients Clients verstehen folgendes Protokoll: n name Meldet den Benutzer mit dem Namen name beim anderen Client an. m message Sendet message an den anderen Client. e Fehlermeldung Wird gesendet, wenn der Client einen Befehl erhalten hat, den er nicht kennt. Die Fehlermeldung gibt einen Hinweis darauf, was vom Server empfangen wurde. 4 Implementierungshilfen In diesem Kapitel werden einige Basisprogrammiertechniken vorgestellt, die für die Projektarbeit nützlich sind. 3

4 4.1 Sockets Um zu vermeiden, dass jeder Programmierer, der über eine Netzwerkschnittstelle kommunizieren will, alle Protokolle, die dafür nötig sind (z.b. Ethernet, IP, TCP, UDP, etc. ) selbst implementieren muss, gibt es ein Software-Abstraktion mit dem Name Socket. In Java werden zwei unterschiedlich Arten von Sockets unterschieden: Sockets und ServerSockets. Beide Verhalten sich unterschiedlich. Sockets sind diejenigen Sockets, über die tatsächlich Nachrichten verschickt werden können. Um eine Verbindung aufzubauen dient folgender code: Socket mysocket = new Socket ( ) ; mysocket. connect ( new InetSocketAddress ( " ", ) ) ; Dadurch wird eine Verbindung mit dem Rechner aufgebaut, der die Adresse hat. Zur Adresse gehört noch ein Port. Da ein Rechner mehrere Verbindungen verwalten kann, kann mit Hilfe des Ports auf der Gegenstelle das zugehörige Programm ausgewählt werden. Um textbasiert zu kommunizieren werden in Java Helferobjekte benötigt. Das ist zum senden der PrintWriter und für den Empfang der BueredReader. Dazu wieder ein Beispiel: Socket mysocket = new Socket ( ) ; mysocket. connect ( new InetSocketAddress ( " ", ) ) ; PrintWriter out = new PrintWriter ( mysocket. getoutputstream ( ), true ) ; BufferedReader i n = new BufferedReader ( new InputStreamReader ( mysocket. getinputstream ( ) ) ) ; ServerSockets dienen dazu auf ankommende Verbindungen zu warten. Ein Server- Socket muss an eine lokale Adresse gebunden werden, so dass der ServerSocket weiÿ, auf welcher Adresse (es könnte ja mehrere Netzwerkkarten geben) und welchem Port er auf ankommende Verbindungen lauschen soll. ServerSocket ssocket = new ServerSocket ( ) ; ssocket. bind ( " ", ) ; Die Methode accept ist eine blockierende Methode, die wartet, bis eine Verbindung aufgebaut wird. Wird eine Verbindung aufgebaut, so kehrt die Methode zurück und übergibt als Ergebnis einen neuen Socket. Mit Hilfe dieses neuen Sockets kann dann mit der Gegenstelle kommuniziert werden. 4

5 Socket c l i e n t = ssocket. accept ( ) ; Da die Netzwerkschnittstelle ein Bauteil des Rechners ist, ist auch die Interaktion mit dem Betriebssystem nötig. Daher "lebt" jeder Socket im Betriebssystem und es muss dem Betriebssystem mitgeteilt werden, dass man die Verbindung nicht länger benötigt. Alle Sockets also auch ServerSockets müssen daher geschlossen werden. Ansonsten bleiben sie auch nach Ende des Programms oen. Ein neues önen ist dann nicht mehr möglich auch dann nicht, wenn das Programm neu gestartet wird. Denken sie also immer an beziehungsweise mysocket. c l o s e ( ) ; ssocket. c l o s e ( ) ; Weitere Informationen können Sie aus dem Buch "Java ist auch eine Insel" Kapitel 21 gewinnen. Kapitel 21.6 beschäftigt sich ausschlieÿlich mit Sockets. 4.2 Threads Threads sind parallele ablaufende Programmteile. Sie werden benötigt, wenn das Programm beispielsweise an einem Socket lauscht, ob Nachrichten oder auf eingehende Verbindungen wartet. Während gewartet wird, kann nichts anderes getan werden. Dieses Verhalten wird Blockieren genannt. Ein Thread kann nun Abhilfe schaen, indem ein solches Warten parallel ausgeführt wird. Einen Thread erzeugt man in Java wie folgt. public c l a s s MyThread extends public void run / do something u s e f u l / Die Methode run() ist dabei die "main"-methode des Threads. Ansonsten verhalten sich Threads wie ganz normale Klassen. Der folgende Codeschnipsel erzeugt einen Thread und startet ihn. public c l a s s Program public s t a t i c void main ( String [ ] args ) MyThread t ; t. s t a r t ( ) ; Beachten Sie, dass ein Thread gestartet werden muss, damit er mit seiner Arbeit beginnt. Eine weitere wichtige Erweiterung von "MyThread" ist das einfügen einer Hauptschleife. 5

6 public c l a s s MyThread extends Thread MyThread ( ) _terminate = f a l s e ; public void terminate ( ) _terminate = true public void run while (! _terminate ) / do something u s e f u l / p r ivate boolean _terminate ; Wichtig ist es zu beachten, dass der Zugri auf den Thread aus einem anderen Thread heraus dazu führen kann, dass Daten inkonsistent sind. Beispielsweise könnte ein Thread einen String gerade ändern, während ein anderer Thread diese Variable gerade lesen möchte. In dem Fall könnte vom zweiten Thread ein unsinniges Wort gelesen werden. Dieses Verhalten nennt man konkurrierend, da zwei Threads um den Zugri auf eine Variable konkurrieren. In den Java-Paketen java.util.concurrent.* nden Sie Datenstrukturen, die gegenüber solch konkurrierenden Zugrien geschützt sind. Für eine tiefer gehende Abhandlung lesen Sie bitte das Kapitel 14 in dem Buch "Java ist auch eine Insel". 6