Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt Clemens Düpmeier, 11.02.2014- 1 - Client-Server Kommunikation Die Socket Schnittstelle

Clemens Düpmeier, 04/11/23 - 1 -

Forschungszentrum KarlsruheTechnik und Umwelt

Client-Server Kommunikation

Die Socket Schnittstelle



Kommunikation über Socket API

• Rechner kommunizieren heutzutage hauptsächlich über TCP/IP Netze (Inter-/Intranets)

• Die in C geschriebene Socket-API ist die (unterste) Betriebssystemschnittstelle zur Kommunikation über TCP/IP Netze

• Sockets sind in Analogie zum Umgang mit Dateidatenströmen realisiert



Wichtige Funktionen der Socket API

• socket - Erzeugen eines Sockets

• bind - Binden einer Adresse an einen Socket

• accept - Verbindungswunsch akzeptieren

• connect - Verbindung anfordern

• read - Lesen vom Socket

• write - Schreiben auf Socket



Server-Client Kommunikation

Server (passiv) Client (aktiv)s=socket(...);bind(/* address */);

listen(s,length);

for (;;) { new_sock=accept(/*...*/);

if (fork() == 0)handle(new_sock);

}

s=socket(...);/* no bind */

connect(s, /* address */);

talk_with_server(s);



Funktionsweise von accept()

Serverrechner Clientrechner

Serverprozess Clientprozess

Netzwerkschnittstelle Netzwerkschnittstelle

LAN

accept nach accept

Sockets

80 50167

Socket



Eigenschaften der Socket Schnittstelle

• Unterste Schnittstelle zum Betriebssystem

• Synchronisation der Kommunikation liegt voll beim Anwender

• Fehlerbehandlung liegt ebenfalls beim Anwender

• Nicht binär transparente Datenübertragung

• Nicht objekt-orientiert



SMTP Protokoll$telnet mailhost.iai.fzk.de 25Trying 141.52.44.1...Connected to mailhost.iai.fzk.deEscape character is '^]'.220 mailhost.iai.fzk.de sendmail version 10.1 ready

at Wed, 6 May 2002 22:52:47 +0200HELO uisun7.iai.fzk.de250 mailhost.iai.fzk.de Hello uisun7.iai.fzk.deMAIL From: <[email protected]>250 Sender OK (verified)RCPT To: <duepmeier>250 Receiver OK (verified)DATA354 Start mail input; end with <CRLF>.<CRLF>Subject: Dann wollen wir mal SMTP testenHier beginnt die eigentliche Nachricht der MailDann können auch noch weitere Zeilen folgen,die allerdings mit einem Punkt auf einer einzelnen Zeile enden müssen..250 OKQUIT



HTTP Protokoll - Ablauf

Client Server

GET /index.html HTTP/1.0If-Modified-Since: Saturday, 12-Dec-98, 12:34:56 GMT

Anfrage

HTTP/1.0 200 OKMIME-Version: 1.0Content-type: text/htmlContent-length: 123Last-Modified: Saturday, 12-Dec-98 12:34:56 GMT

<HTML>Hier beginnt die eigentliche HTML Datei...

Antwort



Einige HTTP Clientkommandos

• GET Liefert ein Datei vom Server

• HEAD Liefert nur Dateiinformationen

• POST Sendet Daten (CGI) an den Server

• PUT Sendet komplette Dateien an

Server

• DELETE Löschte Datei vom Server



Beispiele für HTTP Requests

GET / HTTP/1.0Connection: Keep-AliveUser-Agent: Mozilla/2.0 (Win95; I)Host: merlinAccept: image/gif, image/x-xbitmap, image/jpeg, image/pjpeg, */*

POST /cgi/4848 HTTP/1.0Referer: http://tecfa.unige.ch:7778/4848Connection: Keep-AliveUser-Agent: Mozilla/3.01 (X11; I; SunOS 5.4 sun4m)Host: tecfa.unige.ch:7778Accept: image/gif, image/x-xbitmap, image/jpeg, image/pjpeg, */*Content-type: application/x-www-form-urlencodedContent-length: 42

name=Ulli&nachname=Ullenboom



HTTP Server Statuscodes

• 1xx: Informierend, 2xx: Erfolgreich

• 3xx: Rückfrage, 4xx: Fehler beim Client

• 5xx: Fehler beim Server

• 200 OK 201 Created202 Accepted 204 No Content

• 300 Multiple Choices 301 Moved Permantly302 Moved Temporarily 304 Not Modified

• 400 Bad Request 401 Unauthorized403 Forbidden 404 Not Found

• 500 Internal Server E. 501 Not Implemented502 Bad Gateway 503 Service Unavailable



Java Socket API



InetAddress Klasse

InetAddress

static IntetAddress getByName() // erzeuge Adressobjektstatic InetAddress getLocalHost() // erzeuge Adressobjekt…Byte[] getAddress()…String getHostName() // gebe mir HostnameString getHostAddress() // gebe mir Adresse…



Beispiel Nutzung von InetAddress

public class WhoAmI { public static void main(String args[]) throws Exception {

InetAddress myAddress=InetAddress.getLocalHost();

System.out.println("Hostname: " + myAddress.getHostName());

System.out.println("IP Adresse: " + myAddress.getHostAddress());

}}



InetSocketAddress Klasse

InetSocketAddress (extends SocketAddress)

InetSocketAddress(String hostname, int port)InetSocketAddress(InetAddress address, int port)…InetAddress getAddress() // Hostteil als InetAdressgetHostName(): String // gebe mir HostnamegetPort(): String // gebe mir Portnummer…



Client-Server Socketverbindungen in Java

ClientAnwendung

SocketObjekt

ServerApplikation

ServerSocketObjekt

SocketObjekt

new

accept()

return

new

connect()

Datenaustausch über das Netz

ServerSocketblockiert in accept()bis Client einenVerbindungsaufbaudurchgeführt hat

Die beiden Socketssind nun verbunden



Socket KlasseSocket

Socket()Socket(String host, int port)Socket(InetAddress host, int port)...void close()void connect(SocketAddress endpoint)Void connect(SocketAddress endpoint, int timeout)…int getPort()InetAddress getInetAddress()…InputStream getInputStream()OutputStream getOutputStream()



ServerSocket Klasse

ServerSocket

ServerSocket()ServerSocket(int port)ServerSocket(int port, int backlog)...void bind(SocketAddress endpoint)Void bind(SocketAddress endpoint, int backlogSocket accept()void close()…int getLocalPort()InetAddress getInetAddress()…



Beispiel TCP Serverapplikationpublic class MultServer { public static void main(String args[]) throws Exception {

ServerSocket server=new ServerSocket(3141);

while (true){ Socket client=server.accept(); InputStream in =client.getInputStream(); OutputStream out=client.getOutputStream();

int firstNumber=in.read(); int secondNumber=in.read();

out.write(firstNumber * secondNumber);}

}}



Beispiel TCP Clientapplikationpublic class MultClient { public static void main(String args[]) { try {

Socket server = new Socket("Hostname", 3141);

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

out.write(4); out.write(5);

int result=in.read();System.out.println("4 * 5 = " +result);

} catch (IOException e) {System.out.println("Fehler bei Kommunikation");

} }}



Gepufferte Ein-/Ausgabe über Sockets

Socket t = new Socket(...);

....

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(t.getInputStream()));

PrintStream os = new PrintStream(t.getOutputStream());

...

in.readLine();

...

os.println("Irgendwelche Strings + Objekte mit toString() ausgeben";

...



Client mit zeilenorientierter Kommunikationpublic class PingClient { public static void main(String args[]) throws Exception {

Socket t = new Socket(args[0], 7);

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(t.getInputStream()));

PrintStream out = new PrintStream(t.getOutputStream());

String test= "Hallo aus Karlsruhe, vom " + new Date();out.println(test);String antwort=in.readLine();if (antwort.equals(test))

System.out.println("Server lebt");else

System.out.println("Server ist nicht erreichbar"); }}



Kommunikation über UDP

Applikation

DatagramSocketObjekt

DatagramPacket Objekt

(dp)

new

new

send/receive(dp)

dp Paket enthält neben Daten auch Ziel-IPund Zielportnummer



DatagramSocket Klasse

DatagramSocket

DatagramSocket()DatagrammSocket(int port)DatagrmSocket(int port, InetAddress laddr)...void bind(SocketAddress laddress)void close()void receive(DatagramPacket p)void send(DatagramPacket p)…int getLocalPort()InetAddress getLocalAddress()…



DatagramPacket Klasse

DatagramPacket

DatagramPacket(byte[] buf, int length)DatagrammSocket(byte[] buf, int length,

InetAddress addr, int port)...InetAddress getAddress()void getPort()byte[] getData()void setData(byte[] buf)int getLength()…



Beispiel UDPClientpublic class UDPClient { public static void main(String args[]) throws Exception {

DatagramPacket packet;DatagramSocket dSocket = new DatagramSocket();InetAddress serverAddress=InetAddress.getByName("ServerName");

while (true) {String s = new Date().toString();

packet = new DatagramPacket(s.getBytes(), s.length(),serverAddress, 4711);

dSocket.send(packet);System.out.println("Paket " + packet + " abgeschickt");Thread.sleep(1000);

} }}



Beispiel UDPServerpublic class UDPServer { public static void main(String args[]) throws Exception {

byte data[] = new byte[1024];DatagramPacket packet;DatagramSocket socket = new DatagramSocket(4711);

while (true) {packet=new DatagramPacket(data, data.length);socket.receive(packet);InetAddress address = packet.getAddress();int port = packet.getPort();

System.out.println("Paket von " + packet.getAddress() +"am Port " + packet.getPort() + " erhalten");

insertIntoDatabase(packet.getData());}

}}



Vorteile Low-Level Client Server

• effizient bzgl. Laufzeit

• überall verfügbar

• standardisiertes Interface

• für interne und externe Kommunikation verfügbar



Nachteile Low-Level Kommunikation

• zu komplex bzgl. der Kommunikationsdetails

• Synchronisation/Fehlerbehandlung liegt voll beim Anwendungsprogrammierer

• nicht binär-transparent ohne Arbeit

• Clients müssen wissen, wo Server sind

• Mix von Applikationslogik + Netzwerktransportlogik



Client-Server Zugriff auf Datenbanken

(am Beispiel von JDBC)



Was ist die JDBC API

• eigentlich Produktname, aber oft übersetzt als Java Database Connectivity API

• API zum Zugriff auf Datenquellen, die eine tabellen-artige Struktur haben

• Beispiele für Datenquellen sind:

– relationale Datenbanken

– Dateien mit tabellenartiger Struktur

– ODBC Datenquellen unter Windows



Typisches Nutzungsschema

• Treiber für spezielle Datenquelle laden

• Verbindung mit Datenquelle herstellen

• Abfrage machen oder Update Operation durchführen

• Resultate der Abfrage bearbeiten

Connection con = DriverManager.getConnection( "jdbc:myDriver:wombat", "myLogin", "myPassword");

Statement stmt = con.createStatement();

ResultSet rs = stmt.executeQuery("SELECT a, b, c FROM Table1"); while (rs.next()) {

int x = rs.getInt("a"); String s = rs.getString("b"); float f = rs.getFloat("c");

}



Typen von JDBC Treibern

• JDBC-ODBC Bridge Treiber

– nutzt die ODBC API, um auf ODBC Datenquellen zuzugreifen

• Native-API Java Treiber

– ruft von Java aus Native Datenbank API auf

• Netz-Protokoll All-Java Treiber

– benutzt Netz-Protokoll, um auf Middleware Server zuzugreifen,

der seinerseits auf Datenbank zugreift

• Native Protocol All-Java Treiber

– direkter Aufruf des Datenbankservers über DBMS

Netzprotokoll



JDBC-ODBC Datenquelletry {

Class.forName("sun.jdbc.odbc.JdbcOdbcDriver");} catch (Exception e) { System.out.println("Konnte JDBC-ODBC Bridge Treiber nicht laden"); return;}

Connection con = DriverManager.getConnection( "jdbc:odbc:myDatabase", "myLogin", "myPassword");

• Treiber lassen sich mit Class.forName laden

• Oben wird im JDK enthaltener JDBC-OBDC Bridge Treiber geladen

• ODBC Datenquellen werden mit jdbc:odbc:Name-der-Datenquelle referenziert



JDBC-MSQL Datenquelletry {

Class.forName("com.imaginary.sql.msql.MsqlDriver");} catch (Exception e) { System.out.println("Konnte JDBC Treiber nicht laden"); return;}

Connection con = DriverManager.getConnection( "jdbc:msql://machine-name:port#/database-name", "myLogin", "myPassword");

• Treiber lassen sich mit Class.forName laden

• Oben Treiber für mSQL Datenbank geladen

• Datenquellen werden allgemeiner durch URL's der Formjdbc:subprotocol:subname referenziert



DriverManager KlasseDriverManager

static Connection getConnection(String url)static Connection getConnection(String url, Properties info)static Connection getConnection(String url,

String user, String password)// verschiedene Arten Verbindung aufzubauen...static void registerDriver(Driver driver)// wird von Treibern zum Registrieren verwendet...static void setLogWriter(PrintWriter out)// Loggen von Informationen über JDBC Protokollverkehrstativ void println(String message)// Ausgabe von Messagestrings auf Logging Ausgang…



Verschiedene Statement-Objekte

• Statement Objekt erzeugen

Statement stmnt = con.createStatement()

• PreparedStatement Objekt erzeugen

PreparedStatement pstmnt = con.prepareStatement("...")

• CallableStatement Objekt erzeugen

CallableStatement cstmnt = con.prepareCall("...")



Verwendung der verschiedenen Statement Objektklassen

• Statement für einfache Operationen

• PreparedStatement Objekte verwenden, wenn SQL Abfragen öfters wiederholt werden

• CallableStatement Objekte nutzen, um StoredProcedures auszuführen



Datenbankabfrage über Statement Objekt durchführen

try {// Statement Objekt über Connection Objekt erzeugenStatement stmt = con.createStatement();

// SQL Abfrage als String definierenString query = "SELECT cityName, Population, Temperature" +

" FROM cityTable";

// Abfrage durch Aufruf von Methode executeQuery() durchführenResultSet rs = stmt.executeQuery(query);

// hier nun Ergebnisse durch Auswertung von ResultSet // verarbeiten



ResultSet abarbeiten

try {...

// Abfrage durch Aufruf von Methode executeQuery() durchführenResultSet rs = stmt.executeQuery(query);

while (rs.next()){

System.out.println("Stadt: " + rs.getString("cityName"));System.out.println("Anzahl Einwohner: " +

rs.getLong("Population"));System.out.println("Durchschnittstemperatur: " +

rs.getInt("Temperature"));}

} catch ...



Zugriffsmethoden und SQL Datentypen

• getInt() INTEGER• getLong() BIG INT• getFloat() REAL• getDouble() FLOAT• getBignum() DECIMAL• getBigDecimal() NUMBER• getBoolean() BIT• getString() VARCHAR• getString() CHAR• getAsciiStream() LANGVARCHAR• getDate() DATE• getTime() TIME• getTimestamp() TIME STAMP• getObject() jeder Typ



Daten in Datenbank einfügen

try {// Statement Objekt über Connection Objekt erzeugenStatement stmt = con.createStatement();

// SQL Statement zum Einfügen von Daten definierenString sqlstring = "INSERT INTO cityTable " +

"(cityName, Population, Temperature) " +"VALUES (Karlsruhe, 275000, 15)";

// Einfügen mit Aufruf der Methode executeUpdate() durchführenint affectedRows = stmt.executeUpdate(sqlstring);



Client-Server Architekturformen

Präsentationslogik Präsentationslogik Präsentationslogik Präsentationslogik Präsentationslogik

Präsentationslogik

Anwendungslogik

Anwendungslogik

Anwendungslogik

Anwendungslogik

Anwendungslogik

Anwendungslogik

Datenbanklogik

Datenbanklogik

Datenbanklogik

Datenbanklogik

Datenbanklogik

Server

Client

VerteiltePräsentation

EntferntePräsentation

VerteilteAnw.logik

EntfernteDatenbank

VerteilteDatenbank

Datenbanklogik



2-Tier Applikation mit JDBC Datenzugriff

Java Applikation

JDBC

DBMS

Client Maschine

Rechner mit Datenbank

proprietäres Protokoll zu Datenbank



Multitier Architekturen

• Bei Multitier Architekturen ist die Software eines Gesamtsystems in mehrere Schichten zerlegt

• Typisch ist eine 3-Tier Architektur mit den Schichten Datenbanklogik, Anwendungslogik und Präsentationslogik

• Die einzelnen Schichten sind durch Interfaces voneinander getrennt und gegebenenfalls durch verteilte Objekttechnologie auf verschiedene Rechner verteilt



Klassische Multitier Architektur

Präsentationsschicht

Applikationslogik

Datenlogik Datenlogik



Klassische 3-Tier Architektur mit JDBC

Applikationsserver

JDBC

DBMS

Client Maschine



Clientz.B. Browser

HTTP, RMI, CORBA

Server mit Middle-Tier(Applikationslogik)



4-Tier Architektur mit JDBC

Applikationsserver

JDBC

DBMS

Client Maschine



Clientz.B. Browser

RMI, CORBA

Server mit (Applikationslogik)

WebserverServlet

HTTP



Middleware

• Mittelschicht zwischen Teilen einer Verteilten Applikation

• verdeckt Low-Level Schnittstellen – insbesondere untere Kommunikationsschicht

• vereinfacht das Schreiben verteilter Systeme mit Mehrschicht-Architektur

• erlaubt es Anwendungen, sich auf die Applikationsdetails zu konzentrieren

Documents

Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt Clemens Düpmeier, 11.02.2014- 1 - Client-Server Kommunikation Die Socket Schnittstelle