課題 4 クライアント GUI プログラム再実験 / 追加課題 UDP 通信プログラム 2

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なつきこうだ
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1 情報通信実験 JAVA 言語による TCP/IP 通信課題 1 TCP 通信サーバプログラム課題 2 TCP 通信クライアントプログラム

2 課題 4 クライアント GUI プログラム再実験 / 追加課題 UDP 通信プログラム 2

3 1. 実験の目的ソケットを用いたクライアント / サーバアプリケーション作成を通して TCP/IP 通信に関する理解を深める 2. 背景アプリケーションプログラムとネットワークモジュールとの間の仲立ちをするインタフェースの代表にソケット (Socket) があるソケットはアプリケーションが使用している IP アドレスやポート番号を管理したりパケットの送受信に必要なバッファの管理したりするというネットワークモジュールが動作するために必要な処理を行う概念といえるまたソケットによる通信を実現するにあたりトランスポート層のプロトコルとして信頼性を保証しないコネクションレス型の UDP ではなく信頼性を保証するコネクション型の TCP を採用することで 2 つのホスト間での信頼性のある交換を行うことが可能となる 3. 基本的な原理 TCP/IP 通信における基本的な原理として TCP/IP パケットソケットについて以下に説明する 3.1. TCP/IP TCP/IP はいろいろな通信ハードウェアを利用できるように設計された通信ソフトウェアであるこの TCP/IP の仕組みのおかげで様々な異なった仕組みの OS やハードウェアや通信経路を使っていてもインターネットによるの交換を行えている TCP/IP に対応している具体的なアプリケーションには HTML(WWW) をはじめ SMTP( 電子メール ) ストリーミング ( 動画配信 ) Telnet( 遠隔ログイン ) FTP( ファイル転送 ) SNMP( ネットワーク管理 ) などがある TCP/IP は具体的には TCP(Transmission Control Protocol) と IP(Internet Protocol) の 2 つのプロトコルを中心とするプロトコルの集まりであるさらに TCP/IP を用いた通信では通信の処理を 1アプリケーション層 ( 図 1 中のアプリケーション ) 2トランスポート層 ( 図 1 中の TCP ) 3インターネット層 ( 図 1 中の IP ) 4ネットワーク層 ( 図 1 中の Ethernet ) の 4 つの処理段階受信側送信側アプリケーションアプリケーション TCP TCP + IP IP + Ethernet ヘッダ Ethernet Ethernet Ethernet ヘッダ + ケーブルパケット Ethernet ヘッダ Ethernet トレイラ図 1:TCP/IP による通信の概要 3

4 に分けて行っている図 1に TCP/IP による通信の概要を示す TCP/IP による通信の基本はクライアントサーバモデルと呼ばれるサービス形態となっている送信側となるホスト ( クライアント / サーバ ) からが送信される際にはまずアプリケーション層にてが作られさらに OS 内の処理として上述の 3 つの下位層に順々に渡される各層においてヘッダが付加された後に受信側のホストへ向けての送信がスタートするにヘッダを付加させたものをパケットと呼び送り先のホストがを受け取る際には逆に下位層から順々にヘッダの確認が行われる 3.2. パケット TCP/IP を用いた通信ではパケットの構造が決まっておりこの決められた構造のことをパケットフォーマットと呼ぶ上述したように TCP/IP におけるパケットフォーマットは図 2のような形をしている先頭に Ethernet ヘッダが付けられ次にが付いた後に実際にアプリケーションが利用する (TCP ) が格納されているまた最後尾には Ethernet トレイラが付けられているパケットの中身は図 2に示すような構造となっているが実際のネットワークを流れている最中においては 2 進数で直線的な形をしているしかしながら図 3のように折り返して表現するのが一般的といえるパケットが流れる向き Ethernet ヘッダ 14 オクテット 20 オクテット 20 オクテット 6~1460 オクテット Ethernet トレイラ 4 オクテット図 2: パケットフォーマット Ethernet ヘッダ終点 MACアドレス始点 MACアドレスタイプバージョンヘッダ長サービスタイプパケット長識別子フラグフラグメントオフセット生存時間プロトコル番号ヘッダチェックサム始点 IPアドレス終点 IPアドレスオフセット始点ポート番号終点ポート番号シーケンス番号 ACK 番号 ( 確認応答番号 ) 予約済みウィンドウサイズチェックサム緊急ポインタ URG ACK PSH RST SYN FIN TCP TCP Ethernet トレイラ Ethernet トレイラ図 3: パケットヘッダの表記 4

5 3.3. ソケットソケットにはサービスを提供するプログラム ( サーバ ) とサービスを要求するプログラム ( クライアント ) とがあるソケットによる通信を行うためにはまずサーバが相手を特定しない受動的なオープンを行っていなければならないこの受動的なオープンをしている状態を待機 (listen) と呼ぶサーバがこの待機の状態にあるとクライアントは相手を指定した能動的なオープン (connect) を行うことができるこのクライアントの connect に対してサーバが accept システムコールを実行し接続要求を受諾するこのようにソケットが結合したことをコネクションの確立と呼ぶコネクションの確立後は相互にメッセージの送受信が可能となる通信を終了するときには close システムコールを使用する図 4はソケットによる通信の流れの概要を示している図 4: ソケットを用いた通信の概要 4. 実験に用いる具体的技術の概説本実験のアプリケーション開発は Java 言語を作成したプログラムの実行確認に 2 つのソフトウェアを用いるそれぞれについて簡単に説明する 4.1. Java 言語本実験のアプリケーション開発において使用する主要なクラスは以下の5つであるそれぞれについて簡単に説明する ( 記述例として示しているプログラムのコードの変数名や宣言方法は本演習と異なっているものあるため演習時には適宜修正して用いること ) 1 ServerSocket クラス ServerSocket クラスはサーバソケットを実装しているクラスであるサーバソケットという概念はネットワークを介して要求が送られてくるのを待ち接続要求があった際にはその要求に基づいた処理を行うソケットのことを指す ServerSocket クラスのオブジェクト生成においてはポート番号を選択する使用するポート番 5

6 号は標準サービスでは使わないものを利用するここではポート番号として 4000 番を使用するコンストラクタの記述は以下となる ServerSocket s = new ServerSocket(4000); 上述のコードはソケットを生成し TCP とアプリケーションの間の通信経路を作る処理とポート番号を指定する処理との両方を行うことを示している別けて記述する場合には以下のように記述する (InetSocketAddress クラスは IP ソケットアドレス (IP アドレス + ポート番号 ) の情報を管理するクラス ) ServerSocket s = new ServerSocket(); s.bind(new InetSocketAddress(4000)); 次に上述で作成した ServerSocket クラスのオブジェクトを使ってクライアントからの接続要求を待つこの処理は ServerSocket クラスのメソッド accept() を用いる accept() メソッドの実行後は指定のポートに接続するまで無期限に待機することとなる接続要求があった後は接続要求をしてきたクライアントとの通信を行うためのソケットを準備するつまり Secket クラスのオブジェクトを生成する記述は以下のようになる s.accept() は前述した ServerSocket のオブジェクト s による accept() メソッドの呼び出しである s.accept() の実行ではクライアントからの接続があった後 Socket クラスのオブジェクトを戻り値として返し左辺の Socket クラスのオブジェクト c_socket に代入される Socket c_socket = s.accept(); ServerSocket クラスを利用する際には様々な例外処理が不可欠である例えばコンストラクタや accept() メドッドにおいてはソケットの生成中に入出力エラーが発生した場合に発行される IOException への対応をしなければならない 2 Socket クラス Socket クラスはクライアントソケット ( 単にソケットとも呼ぶ ) を実装しているクラスであるソケットという概念は 2 つのマシン間の通信の両端に位置しマシンの OS やハードウェア通信経路には依存しない仕組を指す Socket クラスのオブジェクト生成においてはリモートコンピュータ ( つまり接続希望先 ) のホスト名 ( または IP アドレス ) とポート番号を選択するコンストラクタの記述は以下となる Socket s = new Socket( ); 上述のコードは久留米高専の Web サーバコンピュータにおける 4000 番ポートとの通信を行うためのソケットを生成しているまたこのコード一行で TCP とアプリケーションの間の通信経路を作る処理と指定したリモートコンピュータへの接続要求を行う処理との両方を行うことを示しているまたリモートコンピュータ ( つまり接続希望先 ) からを受信するローカルアドレスとローカルポートを指定する場合のコンストラクタの記述は以下となる Socket s = new Socket( , InetAddress.getLocalHost(), 5000); 6

7 上述のコードは久留米高専の Web サーバコンピュータにおける 4000 番ポートとの通信を 5000 番ポートで受信するソケットを生成している Socket クラスを利用する際にはおいても ServerSocket クラスと同様に様々な例外処理が不可欠である例えばホストの IP アドレスを判定できなかった場合に発行される UnknownHostException ソケットの生成中に入出力エラーが発生した場合に発行される IOException への対応をしなければならない 3 BufferedReader クラス BufferedReader クラスは Reader クラスを拡張したクラスである文字配列行をバッファリングすることによって文字型入力ストリームからテキストを効率良く読み込む入力ストリームに対してこの BufferedReader を利用する際には以下のように使う BufferedReader bf = new BufferedReader( new InputStreamReader( InputStream クラスのオブジェクト ) ); テキストファイルに対してこの BufferedReader を利用する際には以下のように使う BufferedReader bf = new BufferedReader( new FileReader( ファイル名 ) ); このオブジェクトは以下のように使う String str = bf.readline(); // 1 行単位の受信 4 PrintWriter クラス PrintWriter クラスは Writer クラスを拡張したクラスであるフォーマットされたオブジェクトの表現をテキスト出力ストリームに出力しますこのクラスでは Object クラスを含む全ての型についての print() メソッドと println() メソッドをサポートしているため特に重宝される出力ストリームに対してこの PrintWriter を利用する際には以下のように使う PrintWriter bf = new PrintWriter( new OutputStreamWriter( OutputStream クラスのオブジェクト ) ); テキストファイルに対してこの PrintWriter を利用する際には以下のように使う BufferedReader bf = new PrintWriter( new BufferedWriter( new FileWriter( ファイル名 ) ) ); このオブジェクトは以下のように使う String str = ABC ; bf.println( str ); // 1 行 ( 改行付き ) の送信 bf.flush( ); // バッファのフラッシュ ( 必須 ) 5 Thread クラス Thread クラスはアプリケーションの並列実行を実現するクラスである並列実行を実現する方法の 1 つとして並列実行したい処理を持っているクラスを Thread クラスのサブクラスと宣言する ( つまり Thread クラスを継承させる ) 方法がある継承したクラスにおいて Thread クラス 7

8 の持っている run() メソッドをオーバーライドしその run() メソッド内に並列実行したい処理を記述するスレッドの起動 (run() メソッドの実行 ) は start() メソッドによって行う 4.2. ネットワークアプリケーション開発に用いるソフトウェア 1 Telnet Telnet(Telecommunication network protocol) は TCP/IP 階層のアプリケーション層に区分されているプロトコルの一つである Telnet は TCP/IP を用いた通信を行い遠隔ログインを実現するアプリケーションの一つであるネットワークアプリケーションの開発においてはクライアントプログラムの代用としてサーバプログラムのデバッグツールとして利用することができる本実験でも Step01 においてサーバプログラムを作成した後その動作確認のために用いるこの Telnet は WindowsOS に標準実装されているのでコマンドプロンプト上から利用することができる 2 Wireshark Wireshark ネットワーク上を流れるをモニタリングするネットワークアナライザツールの一つである 10 年前は Tcpdump コマンドなどにより調べていたパケットを Wireshark では自動での収集解析することが可能となっている 5. 実験準備以下の手順にて実験の準備を行う 1 下記 URL のホームページを確認する 2 ホームページ内の情報通信実験 (5S) の項においてリンク Java Platform Standard Edition 7 API 仕様がつながることを確認する 3 ホームページ内の情報通信実験 (5S) の項においてリンクサンプルと課題下地から圧縮ファイルをダウンロードし C ドライブに展開する 4 展開してできたフォルダ 5s_jikkenn には 2 つの下位フォルダ ans と exe があることを確認する 5 フォルダ ans からサンプルプログラムの実行を行う 6 実験はフォルダ exe の各課題フォルダ (Step01~Step05) に格納されている資料を用いて行う 7 上記 URL のホームページにある各課題用の動画を必ず事前に確認しておくこと 6. 実験課題ソケットを用いた通信を行うプログラムの作成を行う尚プログラミングは Java 言語を使用する具体的な実験課題を以下に示す課題 1: TCP 通信のためのサーバプログラムの作成 SimpleServer.java を修整追記しサーバプログラムを完成させよ動作確認は telnet を用いて行うこと確認事項として少なくとも以下の点については調べよポート番号を指定せずにプログラムの実行ポート番号を指定して ( プログラム内部で指定した値以外 ) プログラムの実行 8

9 複数のクライアント (telnet) のアクセス半角文字の送信受信全角文字の送信受信受信内容 bye での動作同じポート番号指定のサーバプログラムを複数実行プログラムが完成したら上述の確認事項のチェックを教員の前で行うことレポートの実験結果としてはソースコードの要点のみを説明することソースコードそのものの記載は不可とするまた実験結果として上述の確認事項を表にまとめ記述すること独自の確認事項があれば記述すること実際にプログラムを動作させた画面をレポートに添付する必要はない課題 2: TCP 通信のためのクライアントプログラムの作成 SimpleClient.java を修正追記しクライアントプログラムを完成させよ動作確認は課題 1にて作成した SimpleServer.java によって行うこと確認事項として少なくとも以下の点については調べよ指定したホストとポート番号へのアクセス半角文字の送信受信全角文字の送信受信送信内容 bye での動作同ホスト同ポートへの複数のクライアントプログラムの実行プログラムが完成したら上述の確認事項のチェックを教員の前で行うことレポートの実験結果としてはソースコードの要点のみを説明することソースコードそのものの記載は不可とするまた実験結果として上述の確認事項を表にまとめ記述すること独自の確認事項があれば記述すること実際にプログラムを動作させた画面をレポートに添付する必要はない課題 3: Wireshark を用いた TCP 通信のパケット内容の観測と解析 Wireshark を用いて PC が送受信したパケットの内容の観測と解析をせよ実験の際には 2 台の PC を用いてサーバクライアントの接続を行うこと観測と解析を行うパケットは以下の 2 つとする指定の用紙を受け取りレポートに添付すること課題 3-1: コネクションの管理に伴うパケットの観測と解析以下の TCP の通信におけるコネクションの管理に伴うパケットを確認することができる 1. コネクションを確立させる際に ( クライアントからの ) 確立要求を行うパケットの受信 2. コネクションを確立させる際に ( クライアントからの ) 確立要求に対する確認応答 +( サーバからの ) 確立要求を行うパケットの送信 3. コネクションを確立させる際に ( サーバからの ) 確立要求に対する確認応答を行うパケット受信 4. コネクションを切断させる際に ( サーバからの ) 切断要求を行うパケットの送信 9

10 5. コネクションを切断させる際に ( サーバからの ) 切断要求に対する確認応答を行うパケットの受信 6. コネクションを切断させる際に ( クライアントからの ) 切断要求を行うパケット受信 7. コネクションを切断させる際に ( クライアントからの ) 切断要求に対する確認応答を行うパケットの送信上記 7 つのパケットのうち担当の番目 ( 学籍番号を 7 で割った余りの数字 +1) のパケットを観測と解析の対象とする課題 3-2: クライアントから送信された文字が格納されたパケットの観測と解析クライアントから送信する文字列は苗字とするレポートの実験結果としては指定の用紙に 2 つのパケットの内容の記録と解析を記述する観測結果には 16 進数の値をそのまま書き取ったもの解析結果には読み易い値 (2 進数 10 進数 16 進数文字 ) を適宜使用した分かりやすい記述に書き直したものを記述すること課題 4: クライアントプログラムの GUI 化 4 年生時に作成した GUI プログラムは Main.java と GUIPanel.java の2つのプログラムで構成されているこれら2つのプログラムと課題 2で作成した SimpleClient.java を基にクライアントプログラムの GUI 化を行え動作確認は課題 1にて作成した SimpleServer.java によって行うこと確認事項として少なくとも以下の点については調べよ指定したホストとポート番号へのアクセス半角文字の送信受信全角文字の送信受信送信内容 bye での動作複数のクライアントプログラムの実行プログラムが完成したら上述の確認事項のチェックを教員の前で行うことレポートの実験結果としてはクラス間の関係について説明することソースコードそのものの記載は不可とする 7. 検討課題 TCP におけるの信頼性についてパケットの内容に触れた上で説明せよ 10

11 8. 参考図書村田正幸著マルチメディア情報ネットワーク共立出版 (3 年科目計算機ネットワーク I の教科書) 村山公保著基礎からわかる TCP/IP ネットワークコンピューティング入門オーム社井口信和著基礎から分かる TCP/IP ネットワークツール活用オーム社その他未実験があった場合 ( 公欠病欠など ) レポート遅れがあった場合には補講として追加実験を行う追加実験の内容は補講時に知らせるレポート仕様様式 : A4 サイズ印刷可表などを用いて結果を整理して記述すること枚数制限 : 8 ページ前後 +パケット記録用紙 1 枚提出期限 : 平成 28 年 12 月 14 日 ( 水 )17:00まで期限厳守提出先 : 電気電子制御情報工学科棟 2F 中野教員室前レポート提出箱実験を欠席した場合またはレポートの提出期限を超えた場合は追加課題を行うこと以上 11

2. ネットワークアプリケーションと TCP/IP 2.1. クライアント / サーバモデル TCP/IP プロトコルに従うネットワークアプリケーションの典型的モデルは, クライアント / サーバモデルである. クライアント / サーバモデルでは, クライアントからの要求に対してサーバがサービスを提

2. ネットワークアプリケーションと TCP/IP 2.1. クライアント / サーバモデル TCP/IP プロトコルに従うネットワークアプリケーションの典型的モデルは, クライアント / サーバモデルである. クライアント / サーバモデルでは, クライアントからの要求に対してサーバがサービスを提ソケットを用いたネットワークプログラミング実習 1. はじめに 1.1. 実験の概要授業科目ネットワーク実験の1 課題として, ソケットを用いたクライアント / サーバプログラミングの実習を行い, ネットワークアプリケーションプログラミングの基礎を学習する. 1.2. 実験の内容実験は 4 週間にわたって行う. 前半の 2 週で,TCP/IP の基礎の復習とコネクションレス型ソケットを用いたクライアント

課題 4 クライアント GUI プログラム 再実験 / 追加課題 UDP 通信プログラム 2

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