Лекция 11. Сеть
#######################################################################################



Введение
===========================================================


Введение
-----------------------------------------------------------

В данной лекции рассматриваются сетевые приложения на языке Java.


Предполагается использования стека протоколов TCP/IP для обмена информацией


#. между процессами на одном компьютере;
#. между процессами на разных компьютерах, подключенных к сети.

Сетевые приложения на языке Java строятся с использованием технологии **Клиент/Сервер**.


Приложения состоят из двух частей: **Клиента** и **Сервера**.


#. Сервер запускается первым и после некоторых настроек переходит в состояние ожидания, используя определенный **порт**.
#. Клиент устанавливает соединение, используя **IP-адрес** компьютера и **порт**, который прослушивает сервер.
#. Общение двух программ выполняется через **потоки ввода/вывода**.
#. После обмена информацией клиент разрывает соединение.

Соединение может быть установлено двумя способами:


#. С помощью потоков (**TCP**)
#. С помощью датаграмм (**UDP**)



.. image:: _static/11/tcp-udp.png


.. image:: _static/11/prot.png

Для обмена информацией существует специальная абстракция **сокет** (гнездо). Гнезда создаются как у сервера, так и у клиента.


Для работы с сетью в Java предусмотрена иерархия пакетов **java.net.***


Приложения можно разделить на те, в которых сервер может устанавливать одновременно только одно соединение с клиентом, и на те, в которых может устанавливаться одновременно несколько соединений.

Адреса и имена
-----------------------------------------------------------


IP адреса и доменные имена
``````````````````````````````````````````````````````````

Для адресации сервера в сети могут использоваться **IP-адреса** или **доменные имена**.


Преобразование между ними происходит с помощью класса **InetAddress**:



.. code-block:: java

 InetAddress addr = InetAddress.getByName("www.google.ru");
 System.out.println(addr); // выводим IP-адрес


Для работы на локальном компьютере можно использовать IP-адрес **127.0.0.1** или имя **"localhost"**.


Еще можно получить локальный адрес так:



.. code-block:: java

 InetAddress addr = InetAddress.getByName(null);



Сокеты
-----------------------------------------------------------

На стороне сервера создаются два сокета: **ServerSocket** и просто **Socket**.


**ServerSocket** - заставляет ждать программу подключений клиентов. При создании объекта необходимо указать свободный порт:



.. code-block:: java

 ServerSocket server = new ServerSocket(1234);
 ...
 Socket client = server.accept(); // ожидание подключений


При вызове **accept** сервер ждет подключений, а при появлении такового возвращает сокет для связи с клиентом.

Для создания сокета на стороне клиента нужно указать IP-адрес и порт сервера:



.. code-block:: java

 Socket socket = new Socket("192.168.0.1",1234);



После установления соединения можно работать с потоками, связанными с сокетами:



.. code-block:: java

 InputStream in = socket.getInputStream();
 OutputStream out = socket.getOutputStream();



Ошибки
``````````````````````````````````````````````````````````

В процессе установления соединения и обмена данными необходимо перехватывать исключения:


* **IOException** - при создании серверного сокета (порт занят). При обработке пользовательского запроса (подключение к порту). При получении потока ввода/вывода. При чтении/записи сообщения из/в поток(а).
* **UnknownHostException** - при соединении на стороне клиента (хост не найден).
* **NoRouteToHostException** - сервер недоступен.
* **ConnectException** - запрос на соединение отклонен.
Порядок перехвата исключений:



.. code-block:: java

 try {
     ...
 } catch(UnknownHostException e) {
     ...
 } 
 catch(NoRouteToHostException e) {
     ...
 } 
 catch(ConnectException e) {
     ...
 } 
 catch(IOException e) {
     ...
 } 



Простой пример
===========================================================


Введение
``````````````````````````````````````````````````````````

Для иллюстрации простого клиент/серверного приложения

на сокетах создадим две программы:


#. **Server** - серверная часть (класс **Server**)
#. **Client** - клиентская часть (класс **Client**)

Для связи необходимо выбрать свободный порт в системе, например **1234**.

Код сервера
``````````````````````````````````````````````````````````



.. code-block:: java

 import java.io.*;
 import java.net.*;
 
 public class Server 
 {
   public static void main(String[] args) throws IOException {
     System.out.println("Старт сервера");
 
     // поток для чтения данных
     BufferedReader in = null;
     // поток для отправки данных
     PrintWriter    out= null;
 
     // серверный сокет
     ServerSocket server = null;
     // сокет для обслуживания клиента
     Socket       client = null;
     ..




.. code-block:: java

     // создаем серверный сокет
     try {
       server = new ServerSocket(1234);
     } catch (IOException e) {
       System.out.println("Ошибка связывания с портом 1234");
       System.exit(-1);
     }
     ..
     try {
       System.out.print("Ждем соединения");
       client= server.accept();
       System.out.println("Клиент подключился");
     } catch (IOException e) {
       System.out.println("Не могу установить соединение");
       System.exit(-1);
     }




.. code-block:: java

     // создаем потоки для связи с клиентом
     in  = new BufferedReader(
           new InputStreamReader(client.getInputStream()));
     out = new PrintWriter(client.getOutputStream(),true);
     String input,output;
 
     // цикл ожидания сообщений от клиента
     System.out.println("Ожидаем сообщений");
     while ((input = in.readLine()) != null) {
      if (input.equalsIgnoreCase("exit")) 
        break;
      out.println("Сервер: "+input);
      System.out.println(input);
     }


Закрываем все соединения



.. code-block:: java

     out.close();
     in.close();
     client.close();
     server.close();
   }
 }



Код клиента
``````````````````````````````````````````````````````````



.. code-block:: java

 import java.io.*;
 import java.net.*;
 
 public class Client {
   public static void main(String[] args) throws IOException {
     System.out.println("Клиент стартовал");
     Socket server = null;
 
     //  адрес (имя) сервера должны передаваться как параметр
     if (args.length==0) {
       System.out.println("Использование: java Client hostname");
       System.exit(-1);
     }
     ..




.. code-block:: java

     System.out.println("Соединяемся с сервером "+args[0]);
 
     server = new Socket(args[0],1234);
     BufferedReader in  = new BufferedReader(
        new  InputStreamReader(server.getInputStream()));
     PrintWriter out = 
        new PrintWriter(server.getOutputStream(),true);
     BufferedReader inu = 
        new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
 
     String fuser,fserver;


Основной цикл отправки сообщений серверу



.. code-block:: java

    while ((fuser = inu.readLine())!=null) {
       out.println(fuser);
       fserver = in.readLine();
       System.out.println(fserver);
       if (fuser.equalsIgnoreCase("close")) 
         break;
       if (fuser.equalsIgnoreCase("exit")) 
         break;
     }


Закрытие соединения и выход



.. code-block:: java

     out.close();
     in.close();
     inu.close();
     server.close();
   }
 }


Запуск сервера:



.. code-block:: none

 java Server


Запуск клиента (для сервера на локальной машине):



.. code-block:: none

 java Client localhost


Обмен двоичными данными
===========================================================


Двоичные данные
``````````````````````````````````````````````````````````

Рассмотрим процедуру обмена двоичными данными. Предположим, клиент должен отправить серверу содержимое файла.


Рассмотрим реализацию сервера:



.. code-block:: java

 InputStream  in = null;
 OutputStream out= null;
 ..
 in  = client.getInputStream();
 try {
   out = new FileOutputStream("fromClient.txt");
 } catch(FileNotFoundException ex) {
   System.out.println("Ошибка создания файла!");
   System.exit(-1);
 }




.. code-block:: java

 byte[] data =new byte[1024];
 int count;
 
 try {
   while ((count = in.read(data)) > 0) {
     out.write(data, 0, count);
   }
 }
 catch (IOException e) {
   System.out.println("Ошибка чтения/записи данных");
   System.exit(-1);
 } 


Реализация на стороне клиента:



.. code-block:: java

 InputStream in = null;
 OutputStream out = null;
 File file = null;
 ...
 file = new File("client.txt");
 try {  
   in = new FileInputStream(file); 
   out = server.getOutputStream();
   byte[] bytes = new byte[1024];
   int count;
   while ((count = in.read(bytes)) > 0) {
     out.write(bytes, 0, count);
   }
 }
 catch (IOException ex) {
   System.out.println("Ошибка ввода/вывода");
   System.exit(-1);
 }



Передача массива
``````````````````````````````````````````````````````````

Рассмотрим пример, в котором клиент должен передать серверу массив байт определенной длины.


Фрагмент реализации сервера:



.. code-block:: java

 ...
     in  = client.getInputStream();
  
     byte[] responseBytes = new byte[15];
     byte[] len=new byte[1];
     int bytesRead = 0;
     try {
        in.read(len);
        System.out.println(len[0]);
        bytesRead = in.read(responseBytes);
        System.out.println(bytesRead);
     } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
     }
     for(int i=0;i<bytesRead;i++)
        System.out.printf("%x\n",responseBytes[i]);
        ...


Фрагмент кода клиента:



.. code-block:: java

       Socket socket;
       byte[] header = {0x53, 0x41, 0x4D, 0x50, 0x4C, 0x45}; 
       OutputStream out;
       InputStream in;
       BufferedOutputStream bufOut;
        ...
       try {
           out = socket.getOutputStream();
           bufOut = new BufferedOutputStream(out);
           in = socket.getInputStream();
       } catch (IOException e) {
           e.printStackTrace();
           return;
       }
       byte msgSize=(byte)header.length;
       try {
           bufOut.write(msgSize);
           bufOut.flush();
           bufOut.write(header);
           bufOut.flush();
       } catch (IOException e) {
           e.printStackTrace();
       }



Преобразование целых
``````````````````````````````````````````````````````````

Для организации собственного протокола для обмена данными с сервером будет полезна пара функций, выполняющих преобразование **int** в массив байт и, наоборот.



.. code-block:: java

 public static final byte[] intToByteArray(int value) {
    return new byte[] {
      (byte)(value & 0xff),
      (byte)(value >> 8 & 0xff),
      (byte)(value >> 16 & 0xff),
      (byte)(value >>> 24)
    };
 }




.. code-block:: java

 public static final int byteArrayToInt(byte[] value) {
     int ret = ((value[0] & 0xFF) << 24) | 
               ((value[1] & 0xFF) << 16) |
                ((value[2] & 0xFF) << 8) | 
                (value[3] & 0xFF);
     return ret;
 }



Работа по стандартным протоколам
===========================================================


Протокол HTTP
``````````````````````````````````````````````````````````

Можно написать клиентское приложение, которое будет запрашивать веб-ресурсы по протоколу  **HTTP**. Необходимо обратиться к работающему веб-серверу и запросить страницу. В качестве примера используется сервер, запущенный на локальном компьютере.



.. code-block:: java

 import java.io.*;
 import java.net.*;
  
 public class HttpClient
 {
     public static void main(String[] args) throws IOException 
     {
         Socket socket = new Socket();
         String host = "localhost";
         PrintWriter out = null;
         BufferedReader in = null;




.. code-block:: java

 try {
   socket.connect(new InetSocketAddress(host , 80));
   System.out.println("Соединение установлено");
   out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
   in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
 }
 catch (UnknownHostException e) {
   System.err.println("Невозможно соединиться с: " + host);
   System.exit(1);
 }
          
 String message = "GET / HTTP/1.0\r\n\r\n";
 out.println( message );
 System.out.println("Сообщение послано");
 String response;
 while ((response = in.readLine()) != null) {
    System.out.println( response );
 }
 }
 }



Многопоточный сервер
===========================================================


Реализация сервера
-----------------------------------------------------------


Многопоточная реализация
``````````````````````````````````````````````````````````

Для организации связи с несколькими клиентами сервер нужно сделать **многопоточным**.


В главном потоке работает бесконечный цикл с вызовом **accept**. При получении запроса на соединения создается дополнительный поток со своим сокетом, который обслуживает новое соединение.
Код сервера:



.. code-block:: java

 import java.io.*;
 import java.net.*;
 
 class ServerOne extends Thread {
  private Socket socket;
  private BufferedReader in;
  private PrintWriter out;
    
  public ServerOne(Socket s) throws IOException {
   socket = s;
   in = new BufferedReader(
     new InputStreamReader(
       socket.getInputStream()));
     out = new PrintWriter(
       new BufferedWriter(
          new OutputStreamWriter(
            socket.getOutputStream())), true);
       start(); 
    }
    ...




.. code-block:: java

    public void run() {
       try {
          while (true) {
             String str = in.readLine();
             if (str.equals("END"))
                break;
             System.out.println("Получено: " + str);
             out.println(str);
          }
          System.out.println("Соединение закрыто");
       }
       catch (IOException e) {
          System.err.println("Ошибка чтения/записи");
       }
       finally {
          try {
             socket.close();
          }
          catch (IOException e) {
             System.err.println("Сокет не закрыт");
          }
       }
    }
 }




.. code-block:: java

 public class Server {
    static final int PORT = 1234;
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
       ServerSocket s = new ServerSocket(PORT);
       System.out.println("Мультипоточный сервер стартовал");
       try {
          while (true) {
             Socket socket = s.accept();
             try {
                System.out.println("Новое соединение установлено");
                new ServerOne(socket);
             }
             catch (IOException e) {
                socket.close();
             }
          }
       }
       finally {
          s.close();
       }
    }
 } 



Идентификация клиентов
-----------------------------------------------------------

Для идентификации клиентов со стороны сервера можно запросить IP-адрес через сокет, возвращаемый **accept**:



.. code-block:: java

  Socket socket = s.accept();
  System.out.println("Новое соединение установлено");
  System.out.println("Данные клиента: "+
                   socket.getInetAddress());



Вопросы для самоконтроля
=============================================