9. Java: Introduzione al Networking

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1 9. Java: Introduzione al Networking Vittorio Scarano Algoritmi e Strutture Dati: Sistemi Distribuiti Corso di Laurea in Informatica Università degli Studi di Salerno Organizzazione della lezione Networking in Java Stream Socket (TCP/UDP) Le Api di Java per UDP: UDPDemo Le Api di Java per TCP: TCPDemo Chiamate di metodi di oggetti remoti da un server locale ad uno remoto: un esempio 2 1

2 Interprocess Communication Supportato da due operazioni send receive Con due varianti sincrone operazioni bloccanti sulla send (attende una receive) e sulla receive (attende una send) asincrone operazioni non bloccanti: send (trasmissione del messaggio in parallelo con la continuazione del processo) e receive (il buffer viene riempito mentre il processo continua) 3 Ciò che fanno i programmi (non molto) Prendi dati, fanne qualcosa, memorizza il risultato Gli stream sono una maniera per prendere dati e trasferirli da qualche altra parte le device sono spesso trattati come stream Per usare una device fare setup/creare di un oggetto che rappresenta dove (o da dove) saranno inviati (o ricevuti) i dat inviare (ricevere) i dati Lo schermo non è uno stream: l utente lo vede per intero si aspetta di poterlo manipolare (insert/remove) la adiacenza indica relazioni su più dimensioni righe e colonne 4 2

3 Cosa è uno stream? Uno stream è una sequenza ordinata di byte java.io.inputstream: dati che da una sorgente esterna possono essere usati dal programma int read() int read(byte[] b) int read(byte[] b, int off, int len) java.io.outputstream: dati che il programma può inviare void close() void flush() void mark(int readlimit) boolean marksupported() void reset() void close() int available() long skip(long n) void write(byte[] b) void write(byte[] b, int off, int len) void write(int b) 5 Stream di Input Pipes tra thread Lettura in sequenza InputStream PipedInputStream SequenceInputStream FileInputStream BufferedInputStream FilterInputStream DataInputStream ByteArrayInputStream ObjectInputStream InflaterInputStream ProgressMonitorInputStream usato per la serializzazione javax.swing I Filtri trasformano dati da uno stream in un altro... e molti altri java.util.zip 6 3

4 Stream di Output Gli stream sono come i carabinieri della famosa barzelletta: sono sempre presenti in coppia! uno sa leggere (dallo stream) e l altro sa scrivere (sullo stream) Per ogni tipo di InputStream (tranne SequenceInputStream) c è il corrispondente OutputStream associato FileInputStream --> FileOutputStream DataInputStream --> DataOutputStream 7 Gli stream di filtro (FilterStream) Trasformano dati da un altro stream si comportano da wrapper: prendono stream reali e ne presentano i dati in formato diverso Filter Stream Filter Stream Filter Stream Filter Stream 8 4

5 Cosa è un socket Una idea (originalmente) da BSD Unix presente in tutti i sistemi operativi attuali La rete è come un file system basta scrivere e leggere stream di dati Un socket è associato ad una porta così che la giusta applicazione possa trattare i dati Vantaggi: concettualmente semplici indipendenti da linguaggio e piattaforma efficienti compatibili con applicazioni legacy 9 Svantaggi dei socket Basati su stream tra due oggetti si perde la astrazione: solo un flusso di dati Tutte le funzionalità avanzate come sicurezza, load balancing, etc vanno implementate codificando metadati nello stream e facendono il parsing all altro capo Socket(InetAddress address, int port) Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localaddr, int localport) Socket(String host, int port) void close() InetAddress getinetaddress() InetAddress getlocaladdress() int getlocalport() InputStream getinputstream() OutputStream getoutputstream() int getport() 10 5

6 In certi casi i socket TCP sono overkilling I socket forniscono la illusione di un circuito dedicato al costo di riassemblare pacchetti in stream rimandare pacchetti, handshake, etc. Socket UDP: DatagramSocket ogni pacchetto viene individualmente indirizzato pacchetti indipendenti (fino a 64K) controllo esplicito del protocollo di comunicazione 11 Come spedire Datagram Creare un DatagramSocket Creare un array di bytes che contiene i dati da inviare Creare un DatagramPacket che usi l array di byte e un indirizzo Spedirlo con il metodo offerto dal socket socket = new DatagramSocket(PORT); packet = new DatagramPacket(buf, buf.length, address, port); socket.send(packet); 12 6

7 Come ricevere un Datagram Creare un DatagramSocket Creare un array di byte come buffer per memorizzare i dati ricevuti Creare un DatagramPacket che usi il buffer Istruire il socket a prelevare il Datagram dall indirizzo socket = new DatagramSocket(PORT); packet = new DatagramPacket(buf, buf.length); socket.receive(packet); 13 Le API di Java per UDP Due classi: DatagramPacket e DatagramSocket DatagramPacket costruttore per creare un datagram (da inviare) con un array di byte, la sua lunghezza, indirizzo IP e porta costruttore per creare un datagram (da ricevere) con un array di byte e la sua lunghezza (come buffer) DatagramSocket costruttore (specifica della porta) send e receive setsotimeout 14 7

8 Un esempio per UDP: UDPDemo Un semplice servizio di echo ad ogni richiesta risponde con la stessa stringa ricevuta Due componenti: UDPClient: su linea di comando: messaggio da spedire, host a cui spedire UDPServer: attende l invio di un messaggio, lo stampa a video e lo rispedisce 15 Un esempio per UDP: UDPClient (1) import java.net.*; import java.io.*; public class UDPClient { public static void main (String args[ ]) { DatagramSocket asocket= null; try { asocket = new DatagramSocket(); byte [ ] m = args[0].getbytes(); InetAddress ahost = InetAddress.getByName(args[1]); int serverport=6789; DatagramPacket request = new DatagramPacket(m, args[0].length(), ahost, serverport); asocket.send(request); //. Blocco try..catch Creazione socket Dalla linea di comando: preleva il messaggio primo argomento preleva l indirizzo secondo argomento Creazione datagram Invio 16 8

9 Un esempio per UDP: UDPClient (2) //. byte[ ] buffer = new byte [1000]; DatagramPacket reply= new DatagramPacket(buffer, buffer.length); asocket.receive(reply); System.out.println("Reply:"+ new String (reply.getdata())); catch (SocketException e) {System.out.println("Socket: +e.getmessage()); catch (IOException e) {System.out.println("IO: +e.getmessage()); finally {if (asocket!= null) asocket.close(); Creazione di un buffer per la lettura Creazione datagram Ricezione e stampa Catch Infine, chiude il socket 17 Un esempio per UDP: UDPServer (1) import java.net.*; import java.io.*; public class UDPServer { public static void main (String args[ ]) { DatagramSocket asocket= null; System.out.println("Listening..."); try { asocket = new DatagramSocket(6789); byte[ ] buffer = new byte [1000]; while (true) { java.util.arrays.fill(buffer,new Integer(0).byteValue()); DatagramPacket request=new DatagramPacket(buffer, buffer.length); asocket.receive(request); Creazione di un socket Creazione di un buffer per la lettura Azzeramento buffer Creazione datagram Ricezione // 18 9

10 Un esempio per UDP: UDPServer (2) String s = new String(request.getData()); System.out.println ("Received:"+ s.trim()+" from:"+ request.getaddress()); DatagramPacket reply=new DatagramPacket(request.getData(), request.getlength(), request.getaddress(), request.getport()); asocket.send(reply); catch (SocketException e) {System.out.println("Socket:"+ e.getmessage()); catch (IOException e) {System.out.println("IO:"+ e.getmessage()); finally {if (asocket!= null) asocket.close(); Lettura stringa Costruzione reply Invioreply Catch Infine si chiude il socket 19 Le API di Java per TCP Due classi: ServerSocket e Socket ServerSocket usata dal server per creare un socket per ascoltare le connect dei client il metodo accept() è bloccante fino alla ricezione e restituisce un Socket Socket usata dal client per collegarsi al server metodi getinputstream() e getoutputstream() 20 10

11 Un esempio per TCP: TCPDemo Un semplice servizio di echo Tre classi TCPClient su linea di comando prende il messaggio e l host del server TCPServer server multithreaded: attende una connessione, quando è stabilita crea un oggetto Connection che tratta la connessione con un client Connection estendethread ripete al client quello che ha ricevuto 21 Il diagramma delle classi di TCPDemo TCPServer TCPClient clientsocket in out Uses.. Connection Socket DataOutputStream DataOutputStream 22 11

12 Un esempio per TCP: TCPClient (1) import java.net.*; import java.io.*; public class TCPClient { public static void main (String args[ ]) { Socket s = null; try { int serverport =7896; s = new Socket (args[1], serverport); DataInputStream in = new DataInputStream( s.getinputstream()); DataOutputStream out = new DataOutputStream( s.getoutputstream()); out.writeutf(args[0]); String data = in.readutf(); System.out.println ("Received: +data); // continua Porta Creazione socket Preleva input e output stream come argomento a DataInputStream e DataOutputStream Scrive i dati UTF: universal Text Format (1 byte per Ascii 2 per UNICODE) Legge la risposta e la 23 stampa Un esempio per TCP: TCPClient (2) // continua. catch (EOFException e) {System.out.println ("EOF"+ e.getmessage()); catch (IOException e) {System.out.println ("IO"+ e.getmessage()); finally { if (s!=null) try { s.close(); catch (IOException e) {System.out.println ( "IO Client"+ e.getmessage()); Catch per operazioni su socket e stream Comunque alla fine se il socket è stato aperto allora lo chiude blocco try..catch per la chiusura 24 12

13 Un esempio per TCP: TCPServer import java.net.*; import java.io.*; public class TCPServer { public static void main (String args[ ]){ System.out.println("Listening.."); try { int serverport =7896; ServerSocket listensocket = new ServerSocket(serverPort); while (true) { Socket clientsocket = listensocket.accept(); Connection c= new Connection (clientsocket); catch (IOException e) {System.out.println ("IO Listen:"+ e.getmessage()); Porta usata Creazione di un ServerSocket Ciclo per: accept di connessioni lancio del thread per la gestione della connessione Catch 25 Un esempio per TCP: Connection (1) import java.net.*; import java.io.*; public class Connection extends Thread { public Connection(Socket aclientsocket){ try { clientsocket= aclientsocket; in = new DataInputStream( clientsocket.getinputstream()); out = new DataOutputStream( clientsocket.getoutputstream()); this.start(); catch (IOException e) {System.out.println ("IO Connection"+ e.getmessage()); Costruttore preleva il socket passato al costruttore assegna input stream assegna output stream lancia il thread Catch // continua 26 13

14 Un esempio per TCP: Connection (2) public void run( ) { try { String Data = in.readutf(); System.out.println("Ho letto:"+data); out.writeutf ("E io ripeto:"+data); catch (EOFException e) {System.out.println ("EOF Conn."+ e.getmessage()); catch (IOException e) {System.out.println ("IO Conn."+ e.getmessage()); finally {try { clientsocket.close(); catch (IOException e) {System.out.println ( "IO Conn. (close)" e.getmessage()); // fine run() DataInputStream in; DataOutputStream out; Socket clientsocket; Legge i dati Li rispedisce Catch Comunque alla fine chiude il socket blocco try..catch per la chiusura Variabili istanza 27 Chiamate di metodi di oggetti remoti L uso delle primitive di comunicazione TCP/IP è efficiente ma scomodo e poco produttivo quando si devono utilizzare i metodi messi a disposizione dagli oggetti Necessario scrivere esplicitamente il trattamento delle comunicazioni definizione di un protocollo di comunicazione parsing del comando gestione degli errori etc. etc

15 Un esempio di soluzione (senza RMI) Senza infrastrutture che permettono la chiamata di metodi remoti (Remote Method Invocation) Un esempio semplice: un oggetto PersonServer che contiene nome, luogo e anno di nascita un oggetto PersonClient che ne usa i metodi per accedere ai valori delle variabili di istanza Un programma Person in versione locale (Client e Server sono sulla stessa JVM) in versione remota 29 Person locale: PersonServer public class PersonServer { public PersonServer(String n, String p, int y) { name = n; place = p; year = y; String getname () { return name; String getplace () { return place; int getyear () { return year; // variabili di istanza String name; String place; int year; Costruttore Metodi di accesso nome luogo di nascita anno di nascita Variabili di istanza 30 15

16 Person locale: PersonClient public class PersonClient { public static void main(string args[ ]) { PersonServer person = new PersonServer("Vittorio", "Napoli", 1964); System.out.println ("Nome:" +person.getname() ); System.out.println ("Luogo di Nascita:" + person.getplace() ); System.out.println ("Anno di Nascita:" + person.getyear() ); Creazione oggetto (locale) riferimento Uso dei metodi dell oggetto nome luogo di nascita anno di nascita 31 Person remoto: struttura Si creano due classi che servono per la comunicazione stub : lato client serve a offrire i metodi del server verso il client gestisce la comunicazione verso lo skeleton skeleton: lato server chiama i metodi del server come richiesto dallo stub restituisce i valori di ritorno allo stub Come fa il client a conoscere cosa offre lo stub? sia stub che il server implementano una interfaccia comune che indica i metodi offerti dal server 32 16

17 Person remoto: il diagramma 33 Person remoto: il diagramma 34 17

18 Person remoto: PersonServer public class PersonServer implements Person { public PersonServer(String n, String p, int y) { name = n; place = p; year = y; String getname () { return name; String getplace () { return place; int getyear () { return year; // variabili di istanza String name; String place; int year; Identico a PersonServer locale tranne che nella implementazione della interfaccia Costruttore Metodi di accesso nome luogo di nascita anno di nascita Variabili di istanza 35 Person remoto: il diagramma 36 18

19 Person remoto: interface Person public interface Person { public String getname() throws Throwable; public String getplace() throws Throwable; public int getyear() throws Throwable; Interfaccia usata sia dallo Stub che dal server Metodi di accesso nome luogo di nascita anno di nascita 37 Person remoto: il diagramma 38 19

20 Person remoto: SimplePersonClient public class SimplePersonClient { public static void main(string args[ ]) { try { Person person = new Person_Stub(args[0]); System.out.println ("Nome:" + person.getname()); System.out.println ("Luogo Nascita:" + person.getplace()); System.out.println ("Anno Nascita:" + person.getyear()); catch (Throwable t) {t.printstacktrace(); // end main Host del server sulla linea di comando Creazione di uno stub variabile di reference di tipo Person Chiamate dei metodi sullo stub nome luogo di nascita anno di nascita 39 Protocollo tra Stub e Skeleton Lo Stub implementa tutti i metodi offerti dalla interface Person Il costruttore apre un socket verso lo skeleton Per ogni metodo usa lo stream in output per scrivere il nome del metodo da fare eseguire attende il valore restituito e lo restituisce al Client Lo skeleton riconosce il metodo da eseguire effettua le chiamate sul server restituisce il valore di ritorno 40 20

21 Person remoto: il diagramma 41 Person remoto: Person_Stub (1) import java.io.*; import java.net.*; public class Person_Stub implements Person { public Person_Stub(String host) throws Throwable{ socket = new Socket (host, 9000); out= new ObjectOutputStream( socket.getoutputstream()); in= new ObjectInputStream( socket.getinputstream()); public String getname () throws Throwable { out.writeobject("getname"); out.flush(); return (String) in.readobject(); // continua Implementa Person Costruttore: apre un socket su host dello skeleton crea input ed output ObjectStream Metodo getname() scrive il nome del metodo sul socket restituisce la stringa restituita (letta dal socket) 42 21

22 Person remoto: Person_Stub (2) public String getplace () throws Throwable { out.writeobject("getplace"); out.flush(); return (String) in.readobject(); public int getyear () throws Throwable { out.writeobject("getyear"); out.flush(); return in.readint(); public void close () { try { socket.close(); catch (IOException e) {System.out.println ("Chiusura socket!"); // variabili di istanza Socket socket; ObjectOutputStream out; ObjectInputStream in; Metodo getplace() Metodo getyear() Metodoclose() non nella interface permette una chiusura pulita non strettamente necessario Variabili di istanza 43 Person remoto: il diagramma 44 22

23 Person remoto: Person_Skeleton (1) import java.io.*; import java.net.*; public class Person_Skeleton extends Thread { public Person_Skeleton(PersonServer server){ myserver = server; public static void main (String args[ ]) { PersonServer person = new PersonServer ("Vittorio","Napoli",1964); Person_Skeleton skel = new Person_Skeleton(person); skel.start(); // continua Estende Thread Costruttore parametro: un PersonServer Main istanzia un oggetto PersonServer passa al suo costruttore il suo riferimento fa partire il thread 45 Person remoto: Person_Skeleton (2) public void run() { Socket socket = null; String method; try { ServerSocket serversocket = new ServerSocket(9000); socket = serversocket.accept(); ObjectInputStream instream = new ObjectInputStream ( socket.getinputstream()); ObjectOutputStream outstream = new ObjectOutputStream ( socket.getoutputstream()); while (true) { method = (String) instream.readobject(); if (method.equals("getname")) { outstream.writeobject( myserver.getname()); outstream.flush(); else // continua Apertura ServerSocket Alla accettazione preleva stream di input e di output Ciclo: leggi dal socket il metodo da invocare chiamata al metodo getname() scrive in output la risposta del PersonServer 46 23

24 Person remoto: Person_Skeleton (3) else if (method.equals("getplace")) { outstream.writeobject( myserver.getplace()); outstream.flush(); else if (method.equals("getyear")){ outstream.writeint( myserver.getyear()); outstream.flush(); else break; // end while true catch (EOFException e) {System.out.println ( Chiuso!"); catch (Throwable t) {t.printstacktrace(); finally { try {socket.close(); catch (IOException e) {e.printstacktrace();system.exit(0); // end metodo run PersonServer myserver; Chiamata al metodo getplace() scrive in output la risposta del PersonServer Chiamata al metodo getyear() scrive in output la risposta del PersonServer Catch Comunque alla fine chiude il socket Variabile di istanza 47 Un client più complesso PersonClient permette tramite una semplice shell di comandi la invocazione di metodi selezionati dall utente Il resto delle classi rimane identico Struttura di PersonClient legge da standard input (con un Buffered Stream) fa un semplice parsing dei comandi comandi per chiamate remote (getname, getplace, getyear) comando per la chiusura (con il metodo close offerto dallo stub) 48 24

25 Person remoto: il diagramma 49 Person remoto: PersonClient (1) import java.util.*; import java.io.*; public class PersonClient { public static void main(string args[]) { Person person = null; String host = args[0]; BufferedReader in=null; String cmd; try { in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); person = new Person_Stub(host); for (;;) { System.out.print("Comandi >"); cmd = in.readline(); if (cmd.equals ("close")) break; else // continua Host del server sulla linea di comando Creazione di uno stub variabile di reference di tipo Person Lettura da stdin apertura di uno stream da System.in Parsing comandi prompte input se close esci dal ciclo 50 25

26 Person remoto: PersonClient (2) else if (cmd.equals ("getname")) System.out.println ("Nome:" + person.getname()); else if (cmd.equals ("getplace")) System.out.println ( "Luogo di Nascita:" + person.getplace()); else if (cmd.equals ("getyear")) System.out.println ( "Anno Nascita:" + person.getyear()); else System.out.println ( ERRORMSG); // end for catch (Throwable t) {t.printstacktrace(); finally { Person_Stub p =(Person_Stub) person; p.close(); static final String ERRORMSG = Cosa?"; Se il comando è getname, getplace o getyear chiama il metodo da person e stampa cioò che restituisce Catch Comunque alla fine casting necessario per poter chiamare close() Stringa per segnalare errore nel parsing 51 Person remoto: la sequenza delle chiamate chiama getname di PersonStub scrive getname sul socket -esegue getname e restituisce il valore - riceve getname sul socket - chiama getname sul server 52 26

27 Person remoto: la sequenza delle chiamate riceve il valore ottenuto restituisce il valore ottenuto - scrive il risultato sul socket 53 In conclusione Questo rappresenta un semplice esempio di come viene reso possibile la invocazione remota di metodi tramite RMI in effetti, tutto il lavoro di scrivere stub e skeleton non viene richiesto al programmatore la cui difficoltà è quindi nello scrivere ed implementare certe interfacce ed usare certi strumenti Remote Method Invocation la prossima lezione! 54 27