Come programmare servizi di rete?

1. Come programmare servizi di rete? • Programmazione nel modello client - server usando le Api java: il package java.net • Programmazione distribuita con RMI: il package java.rmi

2. Modello client - server • Il server viene programmato per poter fornire un servizio a chi ne fa richiesta • Il client inoltra richieste al server e ne elabora le risposte. • Si deve adottare un meccanismo che consenta la comunicazione fra le due entità. - come indirizzare il messaggio in modo che arrivi al server destinatario? - come specificare il processo destinatario del messaggio?

3. Architettura di protocolli I protocolli implementano quelle funzionalità che consentono lo scambio di messaggio sul mezzo fisico disposto fra due macchine, (ad esempio la suddivision in quadri, il rilevamento di errori, il controllo di flusso ecc.) Server Client TCP/UDP Transport TCP/UDP IP Network IP DataLink Ethernet Adapter Ethernet Adapter Fisico

4. Indirizzamento • Ogni computer della rete è identificato da un hostname e da un indirizzo IP unico a 32 bit es: “www.javasoft.com”  204.160.241.98 • L’indirizzo IP contiene sia l’identificativo della rete che quello della macchina • Per verificare l’associazione fra nomi e indirizzi si puo’ utilizzare il comando nslookup che offre la lista di tutti i server alias per un indirizzo. Es. >nslookup www.javasoft.com

5. Come identificare i processi • Si assegna ad ogni processo un numero di porta • I numeri di porta possono essere - assegnati in genere a servizi di sistema (porte da 0-1023) - dinamici o privati (1024 - 65535) • I server/daemon usano di solito porte ben note - es HTTP = 80 , Telnet = 25, FTP = 21 • I client di solito usano porte dinamiche • Questa associazione viene usata dai protocolli a di livello transport come TCP o UDP

6. Concetto di Socket • Per attivare una connessione fra due processi si utilizza dunque lo schema Host-Port • il server è eseguito su un host e aspetta richieste su una determinata porta • il client viene eseguito su un host e richiede l’uso di una porta per effettuare richieste ad un server • Specificando ora anche il protocollo per la comunicazione riusciamo a descrivere univocamente la connessione con una quintupla detta Association: (protocollo,ind locale, proc locale, ind remoto, proc remoto) es: (TCP,123.23.4.221,1500,234.151.124.2,4000)

7. Concetto di Socket • La quintupla viene in realtà costituita a partire da due elementi simmetrici, un’associazione locale ed una remota: • Protocollo, Ind. locale, porta locale (TCP,123.23.4.221,1500) • Protocollo, Ind. remoto, porta remota(TCP ,234.151.124.2,4000) • Ciascuna si queste parti è detta socket • Nota: protocolli differente possono usare la stessa porta; • 1040 per TCP  1040 UDP

8. Concetto di Socket • Un socket è un descrittore di risorsa che consente ad una applicazione di effettuare operazioni di lettura / scrittura verso un particolare dispositivo di I/O. • Astrazione di un canale di comunicazione tra processi distribuiti in rete • Interfaccia per la suite di protocolli TCP/IP • Punto di arrivo nella comunicazione in rete

9. Le origini In un primo tempo nasce in ambiente UNIX • Negli anni ‘80 la Advanced Research Project Agency (ARPA ) finanziò l’università di Berkeley per implementare la suite TCP/IP nel sistema operativo UNIX • I ricercatori di Berkeley svilupparono il set originario di funzioni che fu chiamato interfaccia socket, creando quindi delle API aggiuntive • I socket sono stati progettati per supportare vari protocolli di rete (Unix Domain, Xerox NS Domain) ma col tempo hanno predominato i protocolli dell’architettura Internet basati sull’Internet Protocol(IP): TCP e UDP.

10. Creazione di un socket • Lato server • Creazione del socket • Bind ad una porta • Listen, predisposizione a ricevere sulla porta • Accept, blocca il server in attesa di una connesione • Lettura - scrittura dei dati • Chiusura • Lato client • Creazione del socket • Richiesta di connessione • Lettura - scrittura dei dati • Chiusura

11. #include <sys/types.h> ;#include <sys/socket.h> ;#include <sys/inet.h> #define SERV_TCP__PORT 6543 main(argc,argv) { int sockfd,newsockfd,clieln,childpid; struct sockaddr_int cli_accr,serv_addr; /* creo un socket TCP */ if ((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0) /*gestione errore*/; /*eseguo il bind alla porta */ bzero((char *) & serv_addr,sizeof(serv_addr)); serv_addr.sin_family=AF_INET; serv_addr.sin_addr.s.addr=htonl(INADDR_ANY); serv_addr.sin_port=hton(SERV_TCP__PORT); if(bind(sockfd,(struct sockadd *) &serv_addr,sizeof(serv_addr))<0){ /*gestione errore*/;} /* attesa sul socket */ listen(sockfd,5); for(;;){ clilen(sizeof(cli_addr); newsockfd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)&cli_addr,&clilen); /*gestione richiesta */ close(newsockfd); } }

12. Il protocollo TCP TCP offre un servizio • che implementa un flusso di byte • affidabile • orientato alla connessione • con ordinamento dei dati • con controllo di flusso e della congestione • supporta la demultiplazione fra processi Esempi di applicazioni : Telnet, Ftp e HTTP

13. Il protocollo TCP e l’interfaccia socket • Nel modello TCP/IP l’interfaccia socket svolge tutte le operazioni necessarie per stabilire una connessione: • si occupa di creare i pacchetti TCP • stabilisce una connessione con l’algoritmo del “three way handshake” • gestisce in generale tutte le problematiche della trasmissione dei pacchetti

14. Il protocollo UDP Realizza solo la distinzione fra i processi che comunicano fra 2 calcolatori aggiungendo il concetto di porta ad un indirizzo • Trasmissione a datagramma : invio si pacchetti • Non garantisce la consegna • Non garantisce l’ordinamento Esempi di applicazioni sono quelle multimediali

15. Server sequenziali e server concorrenti Nel modello client - server si possono distinguere due diverse implementazioni del server • Il server comunica con un client per volta ( server iterativo). In questo caso si usa generalmente il protocollo UDP • Il server è in grado di soddisfare più richieste contemporaneamente ( server concorrente ). In questo caso si usa generalmente il protocollo TCP.

16. Server sequenziali e server concorrenti • Nel primo caso , se la richiesta del client va a buon fine il server stabilisce un canale di comunicazione con il client per trasmettere e ricevere. • Nel secondo caso, se la richiesta va a buon fine, il server prima di creare un canale di connessione alloca un nuovo socket associato ad una nuova porta ( tipicamente avvia un nuovo thread per ogni connessione) a cui cede la gestione della comunicazione con il client. In seguito il socket principale si rimette in ascolto per una nuova richiesta di connessione.Esempi classici di questo tipo sono i Web server che tipicamente forniscono il servizio a n browser distinti.

17. Introduzione ai socket in Java • L’interfaccia deriva da quella standard di Berkeley, introdotta nel 1981 • E’ organizzata in maniera da soddisfare i principi dell’Object Orienting Programming • Contiene classi per la manipolazione degli indirizzi e la creazione di socket lato client o server • Implementazione nel package java.net

18. Il package Java.net Il Java Networking API (java.net) fornisce le classi e interfacce per le seguenti funzioni • Indirizzamento • InetAddress • Creazione di connessioni TCP • ServerSocket,Socket • Creazione di connessioni UDP • DatagramPacket,DatagramSocket • Localizzare risorse di rete • URL, URLConnection, HttpURLConnection • Sicurezza ( autenticazione, permessi)

19. Interfaccia socket I server e i client si scambiano messaggi attraverso le Socket API che si collocano immediatamente sopra al livello transport della comunicazione Server Client TCP/UDP TCP/UDP Socket API IP IP Ethernet Adapter Ethernet Adapter

20. La classe InetAddress • Rappresenta un indirizzo IP e fornisce i metodi per manipolarlo. Non offre costruttori pubblici ma dei metodi statici per creare istanze di questa classe: InetAddress InetAddress.getByName(String hostname) InetAddress[] InetAddress.getAllByName(String hostname) InetAddress InetAddress.getLocalHost() Una volta istanziato un oggetto di questa classe si possono utilizzare i metodi String getHostAddress() String getHostName()

21. La classe InetAddress • Il metodo getByName() può impiegare il DNS per recuperare l’indirizzo IP associato all’hostname fornito come argomento - Si può specificare nel suo argomento sia un indirizzo IP nella forma decimale che il nome di un host - In entrambi i casi, l’oggetto InetAddress restituito conterrà l’indirizzo IP a 32 bit • Nel caso che ad un hostname siano associati più indirizzi IP, li si può ottenere chiamando la getAllByName • La getLocalHost restituisce l’indirizzo IP dell’host su cui viene eseguita • getHostName e getHostAddress restituiscono rispettivamente il nome e l’indirizzo IP che rappresentano

22. // ESEMPIO DI USO DELLA CLASSE INETADDRESSimport java.net.*;import java.io.*;class test_InetAddress{ public static void main(String args[]){ try{ InetAddress ind = InetAddress.getByName("localhost"); InetAddress indLoc = InetAddress.getLocalHost(); String indirizzo = ind.getHostAddress(); System.out.println("indirizzo host = "+indirizzo); String nome = ind.getHostName(); System.out.println("nome host = "+nome); String indirizzoLoc = ind.getHostAddress(); System.out.println("indirizzo host locale = "+indirizzoLoc); String nomeLoc = indLoc.getHostName(); System.out.println("nome host locale = "+nomeLoc); }catch(UnknownHostException e){ System.out.println("impossibile risalire al nome dell'host"); }}}

23. Classi per il protocollo TCP • In Java fornisce due diverse classi per la comunicazione con il protocollo TCP e che rispecchiano la struttura client - server: • creazione socket per il server : classe ServerSocket • creazione socket per il client : classe Socket • Ciò è dovuto alle diverse operazioni che vengono svolte da client e server al momento di stabilire una connessione : mentre un server ottiene l’oggetto socket da una chiamata al metodo accept, il client deve provvedere a creare un’istanza del socket.

24. Classe ServerSocket • Implementa un server socket : viene utilizzata da server che accettano connessioni dai client. Costruttori: ServerSocket() ServerSocket(int port) ServerSocket(int port,int backlog) ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAdd) • Il parametro port specifica la porta su cui rimanere in attesa, il parametro backlog il numero massimo di richieste di connessione (default 50 ) mentre il parametro bindAdd viene utilizzato dai server multihomed per specificare un determinato indirizzo

25. Classe ServerSocket • Non è necessario specificare la famiglia dei protocolli; si opera sempre con IP • L’impiego di questa classe implica l’uso del protocollo TCP • Un eventuale errore genera una eccezione IOException sollevata dai costruttori • Il costruttore realizza tutte le operazioni di socket(), bind() e listen()

26. Classe ServerSocket • Il metodo più importante è accept, che blocca il server in attesa di una connessione. E’ questo il metodo che restituisce un oggetto di tipo socket (con le stesse proprietà di quello originale ) completamente istanziato nei parametri ( dati locali e remoti) che viene poi utilizzato per gestire la comunicazione con il client. Socket newconnection = myServerSocket.accept(); • Genera in caso di errore un’eccezione IOException • Solo dopo che il metodo accept() ritorna un socket valido è possibile eseguire operazioni di I/O su quel socket

27. Classe ServerSocket • Sono disponibili anche altri metodi che permettono di gestire altri aspetti legati ai socket, come ad esempio timeout o buffer • setSoTimeout(int timeout):fissa il tempo massima di attesa per una accept • setReceiveBufferSize(int size): permette di settare la dimensione del buffer di ricezione associato al socket

28. Classe Socket • Rappresenta una socket client ed è quindi un estremo della comunicazione fra due macchine. Costruttori: Public Socket(String host, int Port) Public Socket(InetAddress, int Port) • Questi costruttori specificano nel primo argomento l’host remoto e nel secondo la porta del server con cui effettuare la connessione. Altri costruttori permettono di creare il socket associandolo ad una determinata porta e indirizzo locale

29. Classe Socket • Non è necessario specificare la famiglia dei protocolli;si opera sempre con IP • L’impiego di questa classe implica l’uso del protocollo TCP • Puo’ generare le eccezioni - IOException - errore creato alla creazione del socket - UnknownHostException - l’host non è stato trovato • realizza le operazioni creazione socket , connect

30. Classe Socket Questa classe fornisce alcuni metodi per poter estrarre e manipolare informazioni sul socket creato: • getLocalAddress, getInetAddress, getPort, getLocalPort forniscono gli indirizzi e le porte di accesso della connessione • setTcpNoDelay forza la spedizione dei dati senza che il pacchetto TCP sia completo • sendUrgentData spedisce un byte di dati urgenti sul socket scavalcando altre operazioni di write in sospeso • setSoTimeout specifica il tempo di attesa in lettura sul socket • setSendBufferSize, setReceiveBufferSize specificano le dimensioni dei buffer di lettura e scrittura

31. Classe Socket Metodi per Input/Output dei dati • InputStream getInputStream() restituisce uno stream in lettura per il socket • OutputStream getOutputStream() restituisce uno stream in scrittura per il socket In seguito la lettura/scrittura sui socket viene eseguita con le corrispondenti operazioni che si utilizzano per i file

32. ServerSocket e Socket:gestione degli errori • E’ importante che i socket siano propriamente chiusi al termine da una applicazione mediante il metodo close() delle classi ( sia Socket che ServerSocket) poiché questi sono una risorsa di rete del sistema • La chiusura dei socket deve essere eseguita indipendentemente dal flusso di esecuzione del programma, utilizzando per questo il costrutto le sezioni try e finally

33. // ESEMPIO DI SERVER ITERATIVO - 1 import java.io.*; import java.net.*; public class serverIterativo{ public static void main(String[] args) throws Exception{ StringBuffer revline; int len; String line; ServerSocket listen_socket = new ServerSocket(6789); System.out.println("in attesa sulla porta 6789"); while(true){ // accetta richieste, le elabora e risponde } } }

34. // SERVER ITERATIVO - 2 - NEL CICLO WHILE while(true){ Socket conn = listen_socket.accept(); System.out.println("Ricevuta richiesta di servizio"); // preparazione degli stream di input e output InputStream sin = conn.getInputStream(); BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(sin)); PrintStream out = new PrintStream(conn.getOutputStream()); line = in.readLine(); if(line == null) {System.out.println("Ricevuta linee vuota");} else{ //...la rovescia... len = line.length(); revline = new StringBuffer(len); for(int i = len-1; i>=0;i--) revline.insert(len-1-i,line.charAt(i)); //...e scrive la linea rovesciata out.println(revline); System.out.println("Inviata risposta"); } conn.close(); }

35. //CLIENT - 1 import java.io.*;import java.net.*;public class client{ public static final int DEFAULT_PORT = 6789;public static void usage(){ System.out.println("Usage: java client <hostname> [<port>]"); System.exit(0); }public static void main(String args[]){ int port = DEFAULT_PORT;Socket s = null; if((args.length != 1 ) && (args.length != 2 )) usage(); if(args.length == 1 ) port = DEFAULT_PORT; else { try {port = Integer.parseInt(args[1]);} catch (NumberFormatException e) {usage();} } try{// ESEGUE RICHIESTE E LE ELABORA} finally{ try{if(s!= null) s.close();} catch(IOException e2){} } } }

36. //CLIENT – 2 CODICE CHE ESEGUE LE RICHIESTE E LE ELABORAtry{ s = new Socket(args[0],port); InputStream sin = s.getInputStream(); BufferedReader fromServer = new BufferedReader(new InputStreamReader(sin)); OutputStream sout = s.getOutputStream(); PrintWriter toServer = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(sout)); BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); System.out.println("Connected to " + s.getInetAddress() + ":"+s.getPort()); String line; while(true){ System.out.print(">"); line = null; line = in.readLine(); if(line.equals(""))break; toServer.println(line); toServer.flush(); line = fromServer.readLine(); if(line == null){ System.out.println("Connection closed by server"); break; } System.out.println(line); }}catch (IOException e){System.err.println(e);}

37. //ESEMPIO DI SERVER CONCORRENTE - 1 import java.io.*; import java.net.*; public class server extends Thread { public final static int DEFAULT_PORT = 6789; protected int port; protected ServerSocket listen_socket; //Crea un ServerSocket che attende la connessione; inizia il thread public server(int port){ if (port == 0) port = DEFAULT_PORT; this.port = port; try {listen_socket = new ServerSocket(port);} catch (IOException e) {fail(e, "Ex creating server socket");} System.out.println("Server: listening on port" + port); this.start(); } //Body del thread del server. Aspetta ed accetta connessioni da //client. Per ogni connessione, crea un oggetto Connection per //gestire la comunicazione attraverso il nuovo socket. public void run(){ try { while(true) { Socket client_socket = listen_socket.accept(); Connection c = new Connection(client_socket); } } catch(Throwable t){}; }

38. //Fa partire il server, in attesa su una porta opzionalmente specificata public static void main(String[] args) { int port = 0; if (args.length == 1) { try {port = Integer.parseInt(args[0]);} catch (NumberFormatException e) {port = 0;} } new server(port); }} // fine classe server //La classe seguente e' il thread che gestisce tutta la comunicazione col //client class Connection extends Thread { protected Socket client; protected BufferedReader in; protected InputStream sin; protected PrintStream out; //Inizializza gli stream e avvia il thread public Connection(Socket client_socket) { client = client_socket; try { sin = client.getInputStream(); in = new BufferedReader(new InputStreamReader(sin)); out = new PrintStream(client.getOutputStream()); } catch (IOException e) { try {client.close();} catch (IOException e2){}; System.err.println("Ex. while getting socket streams:" + e); return; } this.start(); } // metodo run() }

39. //ESEMPIO DI SERVER CONCORRENTE - 3 //Fornisce il servizio //Legge una linea, la rovescia e la rimanda indietro public void run() { String line; StringBuffer revline; int len; try { for(;;) { //Legge una linea... line = in.readLine(); if(line == null) break; //...la rovescia... len = line.length(); revline = new StringBuffer(len); for(int i = len-1; i>=0;i--) revline.insert(len-1-i,line.charAt(i)); //...e scrive la linea rovesciata out.println(revline); } } catch (IOException e){} finally {try {client.close();} catch (IOException e2){};} }

40. Classi per il protocollo UDP • Questo protocollo basa la comunicazione sullo scambio di messaggi, che vengono inviati singolarmente da un computer all’altro. • I messaggi consistono in array di byte che vengono inviati al mittente • I messaggi contengono tutte le informazioni necessarie per essere recapitati • I messaggi sono inviati uno indipendentemente dall’altro Le classi che gestiscono questo tipo di comunicazione iniziano per Datagram

41. Classe DatagramPacket • Questa classe serve per preparare il nuovo pacchetto da spedire attraverso la rete con la classe DatagramSocket. Costruttori: public DatagramPacket(byte[] buf, int length); public DatagramPacket(byte[] buf, int offset,int length); public DatagramPacket(byte[] buf, int offset,InetAddress address,int port); • Il pacchetto consiste di un semplice array di byte, alcuni costruttori permettono di specificare la destinazione

42. Classe DatagramPacket • Non è necessario specificare la famiglia dei protocolli;si opera sempre con IP • L’impiego di questa classe implica l’uso del protocollo UDP • Puo’ generare le eccezioni - IOException - errore creato alla creazione del socket - UnknownHostException - l’host non è stato trovato

43. Classe DatagramPacket • Sono forniti anche altri metodi per gestire i pacchetti creati: setAddress,setPort,setData, setSocketAddress • permettono di specificare la porta e l’indirizzo a cui spedire il pacchetto, oltre che specificare i dati da spedire

44. Classe DatagramSocket • Serve per aprire un socket con il quale inviare e ricevere un DatagramPacket utilizzando il protocollo UDP. Se il socket è usato solo per inviare non è necessario specificare la porta, metre se si vuole anche ricevere si deve specificare la porta a cui il Datagram è associato.Costruttori: public DatagramSocket(); public DatagramSocket(int port); public DatagramSocket(int port, InetAddress addr); Si puo’ specificare la porta e l’indirizzo locali su cui si vuol ricevere

45. Classe DatagramSocket • Non è necessario specificare la famiglia dei protocolli;si opera sempre con IP • L’impiego di questa classe implica l’uso del protocollo UDP - non stabilisce nessuna connessione fra client e server - non garantisce né l’ordinamento né l’arrivo dei pacchetti • L’overhead basso permette una trasmissione molto veloce • Puo’ generare le eccezioni - IOException - errore creato alla creazione del socket - UnknownHostException - l’host non è stato trovato

46. Classe DatagramSocket • send( DatagramPacket p) spedisce un pacchetto sul socket, includendo tutte le informazioni necessarie per l’invio • receive(DatagramPacket p) riceve un pacchetto sul socket. Il pacchetto ricevuto contiene indirizzo e porta della macchina che lo ha inviato. Blocca il thread fino alla ricezione di un pacchetto. Se il messaggio è più lungo della lunghezza del pacchetto, il messaggio viene troncato • getLocalAddress(), getLocalPort()…. • setSoTimeout(),setSendBufferSize, setReceiveBufferSize()...

47. Classe DatagramSocket • Poiché questo tipo di connessione è a scambio di pacchetti, non si hanno metodi per creazione di stream, ma solo per impostare o estrarre i contenuti dei pacchetti • uso i costruttori per inserire i dati nei pacchetti, uso il metodo getData() per estrarre i dati dai pacchetti • i dati sono sempre contenuti in array di byte, si effettuano delle operazioni di casting per ottenere dati tipo Stringa, interi ecc. a partire dagli array. String messaggio; byte[] msg = p.getData(); messaggio = new String(msg);

48. //ESEMPIO DATAGRAM SERVER import java.net.*; import java.io.*; class test_ServerDG{ public static void main(String args[]){ try{ String messaggio; DatagramSocket srv = new DatagramSocket(8828); DatagramPacket p = new DatagramPacket(new byte[100],100); System.out.println("pronto per ricevere sulla porta 8828"); while(true){ srv.receive(p); byte[] msg = p.getData(); messaggio = new String(msg); System.out.println(messaggio); } }catch(SocketException e){} catch(IOException e){} System.out.println("ricevuto un pacchetto"); } }

49. //ESEMPIO DATAGRAM CLIENT import java.net.*; import java.io.*; class test_ClientDG{ public static void main(String args[]){ try{ InetAddress dest = InetAddress.getByName("localhost"); String msg="ciao server"; byte[] data =msg.getBytes(); int port=8828; DatagramPacket p = new DatagramPacket(data,data.length,dest,port); DatagramSocket s = new DatagramSocket(); s.send(p); }catch(SocketException e){} catch(IOException e){} System.out.println("spedito un pacchetto sulla porta 8828"); } }

50. Comunicazione Multicast • Il multicast permette di spedire un messaggio ad un gruppo di processi che vengono identificati da un indirizzo comune. • Il multicasting è fatto utilizzando il protocollo UDP che consente di spedire pacchetti verso indirizzi di multicast: tutti i client che sono in ascolto su tale indirizzo riceveranno il pacchetto • Java implementa il multicast Ip con la classe java.net.MulticastSocket che è un’estensione della classe DatagramSocket aggiungendo i metodi joinGroup() e leaveGroup()