ネットワークプログラミング（導入部）

Transcription

1 ネットワークプログラミング ( 導入部 ) P. Ravindra S. De Silva ravi@cs.tut.ac.jp, Room F-413 URL: /index_j.html

2 Networks ネットワーク Networking and Internet 2 台以上のマシンが繋がっている状態をネットワークという インターネットとは膨大な数のコンピュータ同士がプロトコルを使って互いに通信しているだけに過ぎない Page * Copyright: MCC Java Network Programming 2

3 Protocol プロトコル Protocol ある PC から別の PC に情報を送る際に プロトコルというものが使われる データのパケット ( 小包 ) をやり取りすることでコンピュータ同士は通信する インターネット上で別の PC に情報を送信する際に インターネットプロトコル (IP) というネットワークプロトコルが使われる Page * Copyright: MCC Java Network Programming 3

4 Layered Protocols 層状に重なったプロトコル アプリケーション層 プレゼンテーション層 セッション層 トランスポート層 ネットワーク層 データリンク層 物理層 アプリケーションプロトコルプレゼンテーションプロトコルセッションプロトコル トランスポートプロトコルネットワークプロトコル データリンクプロトコル フィジカルプロトコル Page * 4

5 Protocols 様々なプロトコル 7. アプリケーション層 = HTTP, FTP, SMTP, NSF, Telnet, SSH, ECHO, 6. プレゼンテーション層 = SMB, NCP, 5. セッション層 = SSH, NetBIOS, RPC, 4. トランスポート層 = TCP, UDP, 3. ネットワーク層 = IP, ICMP, IPX 2. データリンク層 = Ethernet, Token Ring, ISDN, 1. 物理層 = 100BASE-T, 1000BASE-T, Page * 5

6 プロトコル :Transport Control Protocol (TCP) と User Datagram Protocol (UDP) TCP and UDP アプリケーション層 プレゼンテーション層 セッション層 トランスポート層 ネットワーク層 データリンク層 物理層 アプリケーションプロトコルプレゼンテーションプロトコルセッションプロトコル トランスポートプロトコルネットワークプロトコル データリンクプロトコル フィジカルプロトコル トランスポートプロトコルによって通信することができる Page * Copyright: MCC Java Network Programming 6

7 Transport Control Protocol (TCP) 複数の PC 間で信頼性の高い通信を実現するために TCP (Transport Control Protocol) というコネクション確立型のプロトコルが使われる 使用される例 : HTTP( ウェブページ ) FTP( ファイル転送 ) Telnet( 遠隔通信 ) TCP/IP スタック アプリケーション層 (http,ftp,telnet, ) トランスポート層 (TCP) ネットワーク層 (IP,..) リンク層 (device driver,..) Page * 7

8 User Datagram Protocol (UDP) TCP/IP スタック データグラムと呼ばれる一個一個のパケットを 別の PC に届いたかどうか気にせず送信するやり方として UDP (User Datagram Protocol) プロトコルがある 使用される例 : 時刻サーバー ピング (Ping) アプリケーション層 (http,ftp,telnet, ) トランスポート層 (UDP,..) ネットワーク層 (IP,..) リンク層 (device driver,..) Page * 8

9 Ports ポート TCP や UDP プロトコルでは 受信したデータはポート番号によって コンピュータ上で実行しているプロセス ( アプリ ) ごとに振り分けている サーバー ポート TCP クライアント アプリアプリアプリアプリ ポートポートポートポート TCP or UDP パケット Page * 9 データ ポート番号 データ

10 Ports ポート ポート番号は正の整数で表現できる値 (16-bit) をとる 一般的によく使用されるサービスやシステムに必須のプロセスに割り当てられるポート番号はあらかじめ決められている : ftp 21/tcp telnet 23/tcp smtp 25/tcp login 513/tcp 任意でユーザーが使用するプロセスやサービスは基本的に 1024 よりも小さいポート番号を使用する Page * 10

11 Client-Server Computing クライアント PC とサーバー PC クライアント PC とサーバー PC の組み方によって インターネットは様々なサービスを提供する Web ブラウザのようなクライアント プログラムは Web や FTP サービスなどのサーバー プログラムとの接続を確立する クライアント PC はサーバーに要求を出し サーバー PC は要求されたサービスを提供することでクライアント PC に応答を返す クライアント PC はクライアント ソケットを介して通信を行い サーバー PC はサーバー ソケットを介して通信を行う Page * Copyright: MCC Java Network Programming 11

12 Sockets ソケット ソケット通信はトランスポート層においてネットワークプログラミングのためのインタフェースを提供する ソケットを使ったネットワーク通信はファイル入出力操作と類似した機能を有している 実際 ソケットの扱いとファイルの扱いは似ている ファイル入出力操作において使用されるストリームはソケットをベースにした入出力に応用することもできる ソケットをベースにした通信は言語に依存しない つまり Java 言語で書かれたソケットプログラムは Java 言語や Java でない言語のどちらのソケットプログラムとも通信できる Page * 12

13 Socket Communication ソケット通信 あるポートとの接続を確立したソケットを確保したサーバー上において サーバープログラムが起動している サーバー PC はクライアント PC からの接続要求を待つ間 ポートを開いて待っている サーバー ポート 接続要求 クライアント Page * 13

14 Socket Communication - ソケット通信 ( 続き ) すべての処理が上手くいくと サーバー PC は接続を承諾する 承諾している間は サーバー PC は別のポートに繋がれた新しいソケットを獲得しないといけない 先ほどまで接続を確立していた元々のソケットが今もなお接続要求を出しているかどうかをチェックするためにもう一つ新しいソケット ( 厳密には別のポート番号のもの ) を確保する必要がある サーバ ポート ポート ポート クライアント 接続中 14 Page *

15 Socket Programming with TCP TCP によるソケット プログラミング ソケットとは ネットワーク上で実行している二つのプログラム間における双方向通信の末端に当たる部分のことを指している 何よりもまずサーバーの処理 ( ソケットを用意すること ) を初めにするべき (TCP はコネクションレス型ではないことを覚えておく ) サーバーの IP アドレスやポート番号を指定したクライアント側のソケットによって クライアントはサーバーとコンタクトをとる クライアントからコンタクトがあったとき サーバー側の TCP はクライアントと通信を計るための新しいソケットを作る サーバーは複数のクライアントと同時に会話することができる 元のポート番号はクライアントの識別のために使用している アプリケーションの観点から : TCP ネットワークは信頼性があり クライアントとサーバー間でバイトを転送する ( パイプを作る ) ときによく使われる Page *

16 Socket s and Java Socket Classes ソケット通信と Java のソケットクラス ソケットはポート番号と関連しているため どこにデータを送信すべきか その宛先となるアプリケーションを TCP 層で特定することができる Java の.net パッケージは次の二つのクラスを用意している : ソケット (Socket) クライアントプログラム用 サーバーソケット (ServerSocket) サーバープログラム用 Page * 16

17 Java Sockets Java によるソケット通信 Server ServerSocket(1234) 出力 / 書込ストリーム Client 入力 / 読込ストリーム Socket( , 1234) icd.cs.tut.ac.jp のようにホスト名で書き換えることもできる Page * 17

18 Implementing a Server サーバープログラムを作成する 1. ServerSocket を開く : ServerSocket server; DataOutputStream os; DataInputStream is; server = new ServerSocket( PORT ); 2. クライアントからの要求を待つ : Socket client = server.accept(); 3. クライアントと通信するための I/O ストリームを作る is = new DataInputStream( client.getinputstream() ); os = new DataOutputStream( client.getoutputstream() ); 4. クライアントと実際の通信をする Receive from client: String line = is.readline(); Send to client: os.writebytes("hello n"); 5. ソケットを閉じる : client.close(); Page * 18

19 Implementing a Client クライアントプログラムを作る 1. Socket オブジェクトを作成する : client = new Socket( server, port_id ); 2. サーバーと通信するための I/O ストリームを作る. is = new DataInputStream(client.getInputStream() ); os = new DataOutputStream( client.getoutputstream() ); 3. サーバーからの情報を入出力したり サーバとの通信を行う : Receive data from the server: String line = is.readline(); Send data to the server: os.writebytes("hello n"); 4. すべての処理が完了したらソケットを閉じる : client.close(); Page * 19

20 A Simple server (simplified code) 簡単なサーバープログラムの例 // SimpleServer.java: a simple server program import java.net.*; import java.io.*; public class SimpleServer { public static void main(string args[]) throws IOException { // ポート番号 1234でネットワークを確立する ServerSocket s = new ServerSocket(1234); Socket s1=s.accept(); // 承諾を待つ // ソケットに関連したストリームを取得する OutputStream s1out = s1.getoutputstream(); DataOutputStream dos = new DataOutputStream (s1out); // 文字を送信! dos.writeutf("hi there"); // 接続を閉じる ( サーバーのソケットはそのまま ) dos.close(); s1out.close(); s1.close(); Page * 20

21 A Simple Client (simplified code) 簡単なクライアントプログラムの例 // SimpleClient.java: a simple client program import java.net.*; import java.io.*; public class SimpleClient { public static void main(string args[]) throws IOException { // ポート番号 1234 を開放し サーバーに接続する Socket s1 = new Socket("mundroo.cs.mu.oz.au",1234); // ソケットから入力ファイルハンドルを取得し 情報を読み込む InputStream s1in = s1.getinputstream(); DataInputStream dis = new DataInputStream(s1In); String st = new String (dis.readutf()); System.out.println(st); // 処理が完了したら 接続を解除し プログラムを終了する dis.close(); s1in.close(); s1.close(); Page * 21

22 How to execute? 実行方法は? 自分の PC でサーバープログラムを実行する < java SimpleServer & 上と同じ PC でクライアントプログラムを実行する <java SimpleClient Hi there サーバープログラムを実行する前にクライアント側を実行すると 次のようなエラーが生じる : < sockets [1:147] java SimpleClient Exception in thread "main" java.net.connectexception: Connection refused Page * at java.net.plainsocketimpl.socketconnect(native Method) at java.net.plainsocketimpl.doconnect(plainsocketimpl.java:320) at java.net.plainsocketimpl.connecttoaddress(plainsocketimpl.java:133) at java.net.plainsocketimpl.connect(plainsocketimpl.java:120) at java.net.socket.<init<(socket.java:273) at java.net.socket.<init<(socket.java:100) at SimpleClient.main(SimpleClient.java:6)

23 Exception Handling エラー処理 Exception( 例外 ) って何??? プログラムを実行しているときに そのプログラムの通常の処理の流れを妨げるような出来事のことを exception( 例外 ) という どうして Exception Handling( 例外処理 ) をするの?? エラーが生じた時や予期せぬ出来事が起こったときに 適切にプログラムを落とすことができる プログラムの実行中に問題を解決することができる エラーが起きた時 対応策や回避策等のユーザを支援するための適切なメッセージを表示することができる Page *

24 Exception Handling Using Java Java による例外 ( エラー ) 処理 メソッドの中でエラーが生じたとき そのメソッドはオブジェクトを作ってランタイムシステムに渡す そのオブジェクトは exception object と呼ばれ エラーに関する情報やエラーの種類 エラーが生じたときのプログラムの状態などが記載されている exception object を作り ランタイムシステムに渡すことを throwing an exception と呼ぶ Java 言語におけるエラー処理は Try, Catch や Finally 構文を使って行われる. Java 言語においてすべての種類の例外やエラーを表すスーパークラスは java.lang.exception である Page *

25 Try Block トライ ブロック try { code キャッチ ブロック catch (Exception ex) { < 例外 ex が生じた時 対処すべきことをここに書く > キャッチ エラー処理を行うことで例外に対処する一つの方法 Page *

26 SocketExceptions ソケット通信におけるエラー処理 try { Socket client = new Socket(host, port); handleconnection(client); catch(unknownhostexception uhe) { System.out.println( ホストが見つかりません : " + host); uhe.printstacktrace(); catch(ioexception ioe) { System.out.println( 入出力エラー : " + ioe); ioe.printstacktrace(); Page * 26

27 SocketExceptions & Exceptions ソケット通信におけるエラーと一般的なエラー ServerSocket(int port) で生じる IOException 任意のポート番号でサーバーソケットを作りたいとき 0 番ポートを指定することで システムが空いているポートを選別して自動的にポート番号を割り振ってくれる 自動的に割り振られたポート番号を知りたい場合は getlocalport() 関数を使ってその番号を調べることができる. 受信する接続 ( 接続要求 ) のキューの最大長は 50 に設定されている これを超えた場合 接続は拒否される 状態 : IOException ソケットの開放中に入出力エラーが生じたとき SecurityException セキュリティソフトがインストールされており プログラムの動作が監視されて処理がブロックされてしまう Page *

28 Conclusion まとめ クライアント用やサーバー用のアプリケーションを Java でプログラミングすることは楽しくもあり また挑戦的でもある C 言語などの他の言語と比べて Java 言語であれば比較的簡単にソケットプログラムを作ることができる キーワード : クライアント サーバー TCP/IP ポート番号 ソケット Java のソケット Clients, servers, TCP/IP, port number, sockets, Java sockets Page * 28

29 Page * Extra Material ヒント

30 Server in Loop: Always up ループ関数で常に更新させる // SimpleServerLoop.java: シングルスレッドを用いて常に最新の状態に更新する簡単なサーバープログラムの例 : import java.net.*; import java.io.*; public class SimpleServerLoop { public static void main(string args[]) throws IOException { // 1234というポート番号でサービスを登録する ServerSocket s = new ServerSocket(1234); while(true) { Socket s1=s.accept(); // 接続要求を待ち 接続を承諾する // ソケットに関連したコミュニケーションストリームを取得する OutputStream s1out = s1.getoutputstream(); DataOutputStream dos = new DataOutputStream (s1out); // 文字を送信! dos.writeutf("hi there"); // 接続を閉じる ( サーバーのソケットはそのまま ) dos.close(); s1out.close(); s1.close(); Page * 30

31 Code: Time Server TimeServer のソース import java.io.dataoutputstream; import java.net.*; import java.util.date; public class TimeServer { public static void main(string[] args) throws Exception { ServerSocket server = new ServerSocket(7000); System.out.println("Server is started"); while(true) { Socket socket = server.accept(); DataOutputStream dos = new String time = new Date().toString(); dos.writeutf(time); socket.close(); DataOutputStream(socket.getOutputStream()); Page * 31

32 Code: Time Client TimeClient のソース import java.io.datainputstream; import java.io.dataoutputstream; import java.net.socket; public class TimeClient { public static void main(string[] args) throws Exception { Socket socket = new Socket("localhost", 7000); DataInputStream din = new DataInputStream(socket.getInputStream()); String time = din.readutf(); System.out.println(time); Page * 32