Internet програмиране с Java
Категория: Интернет
неделя, 10 Февруари 2002 0:00ч
* Socket програмиране - разработка на Java приложения, които комуникират по Internet/Интранет по протоколите TCP/IP, например Chat клиент/сървъри, Web сървъри, Mail клиент/сървъри и др.
* Java аплети - разработка на малки Java приложения, които могат да се вграждат във Web страници и да се изпълняват от Web браузъра на клиента.
* Web приложения - разработка на Web приложения с технологиите Servlets и Java Server Pages (JSP), създаване и deploy-ване на Web приложения съгласно стандартите на Sun за J2EE, работа със сървъра Tomcat.
За да бъде разбран материалът, необходимо е читателите да имат основни познания по организация на Internet, програмиране, Java и HTML. Поради големия обем темата ще бъде разделена на няколко части (уроци), които ще бъдат публикувани в няколко последователни броя на списанието. За настоящия курс е създаден и сайт в Internet на адрес: http://inetjava.sourceforge.net, където има много допълнителна информация по темата (на български и английски език), както и дискусионен форум.
Основи на Internet - адреси, портове, протоколи, клиент/сървър приложения
Не можем да започнем един практически курс по разработка на Internet приложения, без да засегнем поне частично основните принципи, на които се основава пренасянето на данни в световната мрежа. В тази тема ще разгледаме накратко най-важните неща, които имат пряко отношение към мрежовото програмиране с Java. Предполагаме, че читателят има основни познания по организация на Internet и затова няма да обясняваме подробно някои общоизвестни термини като например Web сървър, протокол и т.н.
Основно понятие в Internet е IP адрес. Това е уникален 32-битов номер на компютър, който се записва като четири 8-битови числа, разделени помежду си с точки. За улеснение на потребителите някои компютри в Internet освен IP адрес могат да имат и име. Съответствията между IP адресите и имената на компютрите се поддържат от специални DNS сървъри, които могат да намират IP адрес по име на компютър и обратното.
Комуникацията между компютрите в Internet е организирана на няколко нива, както показва следната диаграма:
Когато пишем Java програми, които комуникират по мрежата, ние програмираме най-горния слой от диаграмата, така наречения Application слой. Преносът на данни, предизвикан от нашите Java програми, обикновено се осъществява от транспортния слой посредством протоколите TCP или UDP. Транспортният слой използва по-долния мрежов слой за прехвърляне на малки количества информация, наречени IP пакети, от един компютър на друг, а тези пакети се прехвърлят чрез мрежови протоколи и връзки на още по-ниски нива. Като програмисти на Java не е необходимо да знаем в детайли за всичко това, но все пак трябва да имаме представа поне от TCP и UDP протоколите дотолкова, доколкото е необходимо да преценим кога кой от тях да използваме и от IP протокола дотолкова, доколкото е необходимо да знаем, че всеки компютър в Internet си има IP адрес, по който можем да се обръщаме към него.
TCP е протокол, който осигурява надежден двупосочен комуникационен канал между две приложения. Можем да сравним този канал с канала, по който се осъществява обикновен телефонен разговор. Например, ако искаме да се обадим на приятел, ние набираме неговия номер и когато той вдигне, се осъществява връзка между нас двамата. Използвайки тази връзка, ние можем да изпращаме и получаваме данни от нашия приятел до момента, в който един от двамата затвори телефона и прекрати връзката. Подобно на телефонните линии, TCP протоколът гарантира, че данните, изпратени от едната страна на линията, ще се получат от другата страна на линията без изменение, и то в същия ред, в който са изпратени. Ако това е невъзможно по някаква причина, ще възникне грешка и ние ще разберем, че има проблем с комуникационния канал. Именно заради тази своя надеждност TCP е най-често използваният протокол за трансфер на информация по Internet. Примери за приложения, които комуникират по TCP, са Web браузърите, Web сървърите, FTP клиентите и сървърите, Mail клиентите и сървърите - приложения, за които редът на изпращане и пристигане на данните е много важен.
UDP е протокол, който позволява изпращане и получаване на малки независими един от друг пакети с данни, наречени дейтаграми, от един компютър на друг. За разлика от TCP UDP не гарантира нито реда на пристигане на изпратените последователно дейтаграми, нито гарантира, че те ще пристигнат въобще. Изпращането на дейтаграма е като изпращане на обикновено писмо по пощата: редът на пристигане на писмата не е важен и всяко писмо е независимо от останалите. UDP се използва значително по-рядко от TCP заради това, че не осигурява комуникационен канал за данни, а позволява изпращане само на единични независими кратки пакети.
Както TCP, така и UDP протоколът позволява едновременно да се осъществяват няколко независими връзки между два компютъра. Например можем да зареждаме няколко различни Web сайта чрез нашия Web браузър и същевременно да теглим през FTP няколко различни файла от един или няколко FTP сървъра. Реално погледнато едно и също приложение (например нашият Web браузър) отваря едновременно няколко независими комуникационни канала до един или няколко различни сървъра, като по всеки от тях прехвърля някаква информация. За да може няколко приложения да комуникират по мрежата едновременно, необходимо е пакетите информация, предназначени за всяко от тях, да бъдат обработени от него, а не от някой друг, за да може всяко приложение да получи своите данни. Именно за решаване на този конфликт се използват портовете в протоколите TCP и UDP. Портът е число между 0 и 65536 и задава идентификатор на връзката в рамките на машината. Всеки TCP или UDP пакет съдържа в себе си освен данните, които пренася, още 4 полета, описващи от кого до кого е изпратен пакетът: source IP, source port, destination IP и destination port. По IP адресите се разпознават компютрите, отговорни за изпращане и получаване на съответните пакети, а по портовете се разпознават съответните приложения, работещи на тези компютри, които изпращат или трябва да получат информацията от тези пакети. Всяка TCP връзка в даден момент се определя еднозначно от порт и IP източник и порт и IP получател. Комуникационният канал, който предоставя една TCP връзка, наричаме сокет. Например нека нашият IP адрес е 212.50.1.81 и сме стартирали Internet Explorer и Outlook Express. С Internet Explorer ние браузваме някакъв сайт и за целта той е отворил няколко сокета към IP адрес 212.50.1.1 на порт 80 и тегли Web страници и картинки. В същото време с Outlook Express си теглим пощата и за целта той е отворил сокет към 192.92.129.4 на порт 110. В този момент имаме няколко едновременно отворени TCP сокета (няколко независими една от друга комуникационни линии), чрез които нашият компютър комуникира с други два компютъра. Можем да ги представим схематично по следния начин:
Internet Explorer = 212.50.1.81:1033 « 212.50.1.1:80 = Apache Web Server
Internet Explorer = 212.50.1.81:1037 « 212.50.1.1:80 = Apache Web Server
Outlook Express = 212.50.1.81:1042 «192.92.129.4:110 = Microsoft Exchange POP3 Server
Първата връзка служи за изтегляне на Web страница. Тя има за източник приложението Internet Explorer и за нея е определен порт източник 1033 на нашия компютър (212.50.1.81). За получател е определен компютърът 212.50.1.1 и порт получател 80, който порт е свързан с приложението, което обслужва достъпа до Web страниците на този компютър - Apache Web Server. Източник и получател не е съвсем точно казано, защото всички TCP връзки са двупосочни, т.е. предоставят два независими канала за данни за всяка от посоките, но все пак можем да приемем за източник това приложение, което е създало връзката (отворило сокета). Втората връзка служи за изтегляне на някаква картинка и прилича много на първата, но с една разлика - портът източник. Този порт източник е свързан също с приложението Internet Explorer на нашия компютър, но е друго число. Въпреки, че двете връзки са между едни и същи приложения, те са различни и независими, т.е. представляват два независими канала за данни. Единият служи за изтегляне на някакъв HTML документ, а другият за изтегляне на някаква картинка. Web сървърът знае по кой от двата канала да изпрати HTML документа и по кой картинката. Internet Explorer също знае по кой от двата канала ще пристигне HTML документа и по кой картинката. Това се определя от порта източник, който е различен за двата канала. Портът източник се задава автоматично от операционната система при създаване на TCP сокет. Този порт е уникален в рамките на машината. Портът получател се задава от програмиста заедно с IP адреса получател за определяне на компютъра и приложението, към което програмата иска да се свърже. Програмистът трябва да знае предварително IP адреса и порта на приложението, с който иска да осъществи комуникация.
Съществуват два вида приложения, които комуникират по TCP протокола - клиентски и сървърски. Клиентските приложения се свързват към сървърските, като отварят сокет към тях. За целта те предварително знаят техните IP адреси и портове. Сървърските приложения “слушат на определен порт” и чакат клиентско приложение да се свърже към тях. При пристигане на заявка за връзка от някой клиент на порта, на който сървърът слуша, се създава сокет за връзка между клиента на неговия порт източник и сървъра на неговия порт получател. Забележете, че клиентите отварят сокети към сървърите, а сървърите създават сокети само по клиентска заявка, т.е. те не отварят сокети. Едно клиент/сървър приложение можем да си представим като магазин с няколко щанда и клиенти, които пазаруват в него. Сървърът може да се сравни с магазин, а портът, на който слуша този сървър - с определен щанд вътре в магазина. Когато дойде клиентът, той се допуска само ако иска да отиде на някой от щандовете, които работят (допуска се връзка само на отворен порт /порт на който слуша някое сървърско приложение/). Когато клиентът отиде на съответния щанд, той започва да си говори с продавача (осъществява комуникационна линия и прехвърля данни по нея в двете посоки) на определен език, който и двамата разбират (предварително известен протокол за комуникация). Както магазинът, така и щандът могат да обслужват няколко клиента едновременно, без да си пречат един на друг. След приключване на комуникацията клиентът си тръгва (и затваря сокета). Междувременно продавачът може да изгони клиента от магазина, ако той се държи невъзпитано или няма пари (сървърът може да затвори сокета по всяко време). За повечето операции със сокети имаме аналог с нашия пример с магазина и затова взаимодействието клиент/сървър лесно може да се интерпретира като взаимодействие потребител на услуга/извършител на услуга.
Третата връзка от показаните по-горе свърза приложението Outlook Express, което се идентифицира с порт 1042 на нашата машина (212.50.1.181) с приложението Microsoft Exchange POP3 Server, което се идентифицира с порт 110 на машината с IP адрес 192.92.129.4. Пристигналите TCP пакети на нашата машина ще бъдат разпознати от операционната система по четирите полета, които идентифицират един сокет - source IP, source port, destination IP и destination port и ако са валидни, информацията от тях ще се предаде на съответното приложение. Понеже едно приложение, както видяхме, може да отвори повече от един сокет до някое друго приложение, най-правилно е да се каже, че портът източник и портът получател задават не само клиентското и сървърското приложение съответно, но и идентификатора на връзката в рамките на тези приложения (или по-точно в рамките на машината).
При UDP комуникацията концепцията с портовете е същата, само че не се осъществява комуникационен канал между приложенията, а се изпращат и получават отделни единични пакети. Тези пакети носят в себе си същата допълнителна информация като TCP връзките - IP и порт на изпращач и IP и порт на получател. И при UDP протокола също има клиентски и сървърски приложения и по същия начин операционната система разпознава кой пакет за кое приложение е.
Комуникационните канали, наречени сокети, не са достатъчни за осъществяване на комуникация. Подобно на ситуацията в магазин клиентът трябва да комуникира със сървъра на някакъв предварително известен и за двамата език - протокол. В Internet съществува голямо количество стандартни протоколи за комуникация между приложенията, като всеки от тях е свързан с някаква услуга. Всяка услуга работи с някакъв протокол. Например услугата достъп за Web ресурс работи по протокола HTTP, услугата за изпращане на e-mail работи по протокола SMTP, а услугата за достъп до файл от FTP сървър работи по протокола FTP. За всяка от тези стандартни Internet услуги има и асоциирани стандартни номера на портове, на които тези услуги се предлагат. Стандартните портове са въведени, за да се улесни създаването на клиентски приложения, понеже всяко клиентско приложение трябва да знае не само IP адреса или името на сървъра, на който се предлага услугата, до която то иска достъп, но също и порта, на който тази услуга е достъпна. Ето и няколко стандартни портове, протоколи и услуги:
Java програмите могат да използват TCP и UDP протоколите за комуникация през Internet чрез класовете от пакета java.net. По късно ще бъдат разгледани в детайли съответните класове, с който се могат да се създават TCP и UDP клиент/сървър приложения - InetAddress, Socket, ServerSocket, DatagramSocket, DatagramPacket, URL и др., но преди това ще направим кратък преглед на средствата за вход/изход и многонишково програмиране в Java, защото те са важна основа за разбиране на по-нататъшния материал.
