Сетевое программирование сокетов. Сервисы

1. Сетевое программирование сокетов. Сервисы

Пояркова Анна Вячеславовна

2. Введение в сетевое программирование

3. Определение сетевого программирования

Сетевое программирование — это область программирования, которая
занимается созданием программ, способных обмениваться данными через
сети, такие как локальные сети (LAN) и глобальная сеть (интернет). Это
включает в себя использование различных протоколов и технологий для
обеспечения связи между компьютерами и устройствами.

4.

• Протоколы: Сетевое программирование основывается на использовании протоколов, которые
определяют правила и форматы передачи данных. Наиболее распространенные протоколы:
TCP (Transmission Control Protocol): Протокол, обеспечивающий надежную, ориентированную на соединение
передачу данных. Он гарантирует, что данные будут доставлены в правильном порядке и без потерь.
UDP (User Datagram Protocol): Протокол, обеспечивающий быструю, но ненадежную передачу данных. Он не
гарантирует доставку и порядок, но имеет меньшую задержку, что делает его подходящим для приложений, где
скорость важнее надежности (например, в потоковом видео или онлайн-играх).
• Сокеты: В сетевом программировании сокеты представляют собой конечные точки для отправки и
получения данных. Они позволяют программам взаимодействовать друг с другом через сеть.
• Клиент-серверная модель: В большинстве сетевых приложений используется клиент-серверная
архитектура, где клиент запрашивает ресурсы или услуги у сервера, который обрабатывает запрос и
отправляет ответ обратно клиенту.

5.

Сетевое программирование необходимо по нескольким причинам:
• Обмен данными: В современном мире обмен данными между устройствами является критически
важным. Сетевое программирование позволяет создавать приложения, которые могут обмениваться
информацией в реальном времени, что необходимо для работы веб-сайтов, мобильных приложений
и многих других сервисов.
• Доступ к удаленным ресурсам: Сетевое программирование позволяет пользователям получать
доступ к удаленным ресурсам, таким как базы данных, файлы и веб-сервисы. Это особенно важно для
облачных технологий, где данные хранятся на удаленных серверах.
• Создание распределенных систем: Сетевое программирование позволяет создавать
распределенные системы, где несколько компьютеров работают вместе для выполнения задач. Это
может быть полезно для повышения производительности, надежности и масштабируемости
приложений.
• Интерактивные приложения: Многие современные приложения требуют интерактивности,
например, онлайн-игры, чаты и видеоконференции. Сетевое программирование позволяет
реализовать такие функции, обеспечивая обмен данными между пользователями в реальном времени.
• Интернет вещей (IoT): Сетевое программирование играет ключевую роль в развитии Интернета
вещей, где устройства (например, датчики, камеры, бытовая техника) могут обмениваться данными и
взаимодействовать друг с другом через сеть.

6. Основные концепции

Клиент-серверная модель
Клиент-серверная модель — это архитектурный подход, который
используется в сетевом программировании для организации
взаимодействия между компьютерами и устройствами в сети. В этой
модели выделяются два основных компонента:

7.

• Клиент:
• Клиент — это программа или устройство, которое инициирует запрос на
получение ресурсов или услуг от сервера. Клиенты могут быть различными: от
веб-браузеров и мобильных приложений до специализированных программ,
таких как почтовые клиенты или FTP-клиенты.
• Клиенты отправляют запросы на сервер, ожидая ответа. Запросы могут включать
в себя различные действия, такие как получение данных, отправка данных или
выполнение определенных операций.

8.

9.

• Сервер:
• Сервер — это программа или устройство, которое обрабатывает запросы от
клиентов и предоставляет им необходимые ресурсы или услуги. Серверы могут
быть специализированными (например, веб-серверы, базы данных, файловые
серверы) или универсальными.
• Серверы обычно работают в фоновом режиме и могут обрабатывать множество
запросов от различных клиентов одновременно. Это достигается с помощью
многопоточности или асинхронного программирования.

10.

11.

Принципы работы клиент-серверной модели:
• Запрос-ответ: Клиент отправляет запрос, а сервер обрабатывает его и
отправляет ответ. Этот процесс может происходить по протоколам, таким как
HTTP, FTP и другим.
• Разделение обязанностей: Клиенты и серверы выполняют разные функции,
что позволяет оптимизировать работу и улучшить производительность.
• Масштабируемость: Серверы могут обрабатывать множество клиентов
одновременно, что позволяет легко масштабировать приложения.

12.

Протоколы (TCP, UDP)
Протоколы — это набор правил и стандартов, которые определяют, как данные передаются по сети. В сетевом
программировании наиболее распространенными протоколами являются TCP и UDP.
• TCP (Transmission Control Protocol):
Надежность: TCP обеспечивает надежную передачу данных. Он гарантирует, что данные будут доставлены в правильном
порядке и без потерь. Если пакеты данных теряются, TCP автоматически повторно отправляет их.
Ориентированность на соединение: Перед началом передачи данных TCP устанавливает соединение между клиентом и
сервером. Это происходит через процесс, называемый "трехсторонним рукопожатием" (three-way handshake).
Контроль потока и перегрузки: TCP управляет потоком данных, чтобы избежать перегрузки сети, и регулирует скорость
передачи данных в зависимости от состояния сети.
• Применение: TCP используется в приложениях, где важна надежность, например, в веб-сайтах (HTTP/HTTPS),
электронной почте (SMTP, IMAP) и передаче файлов (FTP).

13.

• UDP (User Datagram Protocol):
• Ненадежность: UDP не гарантирует доставку данных. Пакеты могут быть потеряны,
дублированы или доставлены в неправильном порядке. Это делает UDP менее надежным, чем
TCP.
• Без соединения: UDP не устанавливает соединение перед передачей данных. Данные
отправляются в виде отдельных пакетов (датаграмм), что снижает задержку.
• Меньшая нагрузка: UDP имеет меньшую накладную нагрузку, чем TCP, что делает его более
быстрым, но менее надежным.
• Применение: UDP используется в приложениях, где важна скорость, а не
надежность, например, в потоковом видео, онлайн-играх, VoIP (голосовая связь по IP)
и других реальных приложениях.

14. Примеры использования сетевого программирования

• 1. Веб-приложения
• Описание: Веб-приложения — это программы, которые работают на веб-серверах и
предоставляют пользователям доступ к контенту через веб-браузеры. Они могут
включать в себя динамическое создание страниц, обработку форм и взаимодействие с
базами данных.
• Пример на ассемблере:
• Создание простого веб-сервера на ассемблере, который может обрабатывать HTTPзапросы и отправлять HTML-страницы в ответ.
• Сервер может принимать запросы от клиентов, анализировать их и отправлять
соответствующий HTML-код.

15.

16.

• 2. Чат-программы
• Описание: Чат-программы позволяют пользователям обмениваться сообщениями в
реальном времени. Они могут быть реализованы как клиент-серверные приложения,
где сервер обрабатывает сообщения и пересылает их другим клиентам.
• Пример на ассемблере:
• Создание простого TCP-чата, где сервер принимает сообщения от клиентов и
рассылает их всем подключенным клиентам.
• Клиенты могут отправлять текстовые сообщения, которые сервер будет пересылать
всем остальным клиентам.

17.

18.

• 3. Игры
• Описание: Сетевые игры позволяют игрокам взаимодействовать друг с другом через
интернет или локальную сеть. Они могут включать в себя многопользовательские
режимы, где игроки могут сражаться или сотрудничать.
• Пример на ассемблере:
• Создание простой многопользовательской игры, где игроки могут подключаться к
серверу и отправлять свои действия (например, перемещение персонажа).
• Сервер обрабатывает действия игроков и обновляет состояние игры, отправляя
обновления всем подключенным клиентам.

19.

20. Основы сокетов

21. Что такое сокет?

Сокет — это программный интерфейс, который позволяет приложениям обмениваться данными через
сеть. Он представляет собой конечную точку для отправки и получения данных, обеспечивая связь
между клиентом и сервером. Сокеты могут использоваться для различных типов сетевых
взаимодействий, включая TCP (ориентированные на соединение) и UDP (без соединения).
Сокеты могут быть определены по следующим параметрам:
• Домен (или семейство адресов): Определяет, какой тип адреса будет использоваться. Например,
AF_INET для IPv4 или AF_INET6 для IPv6.
• Тип сокета: Определяет, как будет происходить обмен данными. Например, SOCK_STREAM для
TCP и SOCK_DGRAM для UDP.
• Протокол: Указывает, какой протокол будет использоваться для передачи данных. Например,
IPPROTO_TCP для TCP и IPPROTO_UDP для UDP.

22.

Сокеты играют ключевую роль в сетевом программировании, обеспечивая следующие функции:
• Создание соединений: Сокеты позволяют приложениям устанавливать соединения между собой. Сервер создает
сокет, который прослушивает входящие соединения, а клиент создает сокет для подключения к серверу.
• Обмен данными: Сокеты обеспечивают механизм для отправки и получения данных между клиентом и сервером.
Это может быть текст, файлы или любые другие данные.
• Управление соединениями: Сокеты позволяют управлять состоянием соединения, включая его открытие,
закрытие и обработку ошибок. Это важно для обеспечения надежности и стабильности сетевых приложений.
• Поддержка различных протоколов: Сокеты могут использоваться с различными протоколами, что позволяет
разработчикам выбирать наиболее подходящий для их приложения. Например, TCP обеспечивает надежную
передачу данных, в то время как UDP подходит для приложений, где важна скорость.
• Многопоточность и асинхронность: Сокеты могут использоваться в многопоточных или асинхронных
приложениях, что позволяет обрабатывать несколько соединений одновременно. Это особенно важно для
серверов, которые должны обслуживать множество клиентов одновременно.

23. Типы сокетов

Потоковые сокеты (TCP)
Потоковые сокеты используют протокол TCP (Transmission Control Protocol), который обеспечивает
надежную, ориентированную на соединение передачу данных. Основные характеристики потоковых
сокетов:
• Надежность: TCP гарантирует, что данные будут доставлены в правильном порядке и без потерь.
Если пакеты теряются, TCP автоматически повторно отправляет их.
• Ориентированность на соединение: Перед началом передачи данных TCP устанавливает
соединение между клиентом и сервером через процесс, называемый "трехсторонним рукопожатием"
(three-way handshake).
• Контроль потока и перегрузки: TCP управляет потоком данных, чтобы избежать перегрузки сети, и
регулирует скорость передачи данных в зависимости от состояния сети.
• Пример использования потоковых сокетов на ассемблере:

24.

25.

Датаграммные сокеты (UDP)
Датаграммные сокеты используют протокол UDP (User Datagram Protocol), который обеспечивает
ненадежную, без соединения передачу данных. Основные характеристики датаграммных сокетов:
• Ненадежность: UDP не гарантирует доставку данных. Пакеты могут быть потеряны, дублированы
или доставлены в неправильном порядке. Это делает UDP менее надежным, чем TCP.
• Без соединения: UDP не устанавливает соединение перед передачей данных. Данные отправляются
в виде отдельных пакетов (датаграмм), что снижает задержку.
• Меньшая накладная нагрузка: UDP имеет меньшую накладную нагрузку, чем TCP, что делает его
более быстрым, но менее надежным. Это делает его подходящим для приложений, где важна
скорость, например, в потоковом видео, онлайн-играх и VoIP.
• Пример использования датаграммных сокетов на ассемблере:

26.

27. Основные операции с сокетами

28. Создание сокета

• Создание сокета — это первый шаг в сетевом программировании.
Сокет создается с помощью системного вызова socket(), который
принимает три параметра: домен, тип сокета и протокол.
• Пример создания сокета на ассемблере:

29.

30. Привязка сокета к адресу

После создания сокета необходимо привязать его к определенному адресу
и порту с помощью системного вызова bind(). Это позволяет серверу
слушать входящие соединения на указанном адресе и порту.
Пример привязки сокета на ассемблере:

31.

32. Прослушивание и принятие соединений

После привязки сокета сервер должен начать прослушивание входящих
соединений с помощью системного вызова listen(). Затем он может
принимать соединения с помощью accept().
Пример прослушивания и принятия соединений на ассемблере:

33.

34. Отправка и получение данных

После успешного соединения сервер может отправлять и получать
данные с помощью системных вызовов send() и recv().
Пример отправки и получения данных на ассемблере:

35.

36. Программирование сокетов на примере

37. Создание простого TCP-сервера

Пошаговая реализация
• Создание сокета: Мы создадим сокет с помощью системного вызова socket().
• Привязка сокета: Привяжем сокет к адресу и порту с помощью bind().
• Прослушивание сокета: Начнем прослушивание входящих соединений с
помощью listen().
• Принятие соединения: Примем соединение от клиента с помощью accept().
• Отправка и получение данных: Отправим и получим данные от клиента.

38.

39. Создание простого TCP-клиента

Пошаговая реализация
• Создание сокета: Создадим сокет с помощью системного вызова socket().
• Установка соединения: Подключим сокет к серверу с помощью connect().
• Отправка и получение данных: Отправим запрос серверу и получим ответ.
• Закрытие сокета: Закроем сокет после завершения работы.

40.

41. Тестирование взаимодействия клиента и сервера

Как запустить сервер и клиент
• Запустите сервер: Скомпилируйте и выполните код сервера. Убедитесь, что
он запущен и слушает на порту 12345.
• Запустите клиент: Скомпилируйте и выполните код клиента. Клиент
подключится к серверу и получит сообщение.
Примеры взаимодействия
• После запуска сервера и клиента, клиент должен получить сообщение "Hello,
Client!" от сервера.
• Если сервер не запущен, клиент не сможет подключиться и получит ошибку.

42. Работа с UDP-сокетами

43. Отличия между TCP и UDP

Преимущества и недостатки
TCP (Transmission Control Protocol):
• Преимущества:
• Надежность: гарантирует доставку данных в правильном порядке и без потерь.
• Ориентированность на соединение: устанавливает соединение перед передачей данных.
• Контроль потока и перегрузки: управляет скоростью передачи данных.
• Недостатки:
• Более высокая задержка из-за установления соединения и управления потоком.
• Большая накладная нагрузка из-за заголовков и механизма подтверждения.

44.

UDP (User Datagram Protocol):
• Преимущества:
• Низкая задержка: не требует установления соединения, что позволяет быстро отправлять
данные.
• Меньшая накладная нагрузка: заголовки UDP меньше, чем у TCP.
• Подходит для приложений, где важна скорость, например, в потоковом видео и онлайниграх.
• Недостатки:
• Ненадежность: нет гарантии доставки данных, порядок может быть нарушен.
• Нет контроля потока: может привести к перегрузке сети.

45. Создание простого UDP-сервера

Пошаговая реализация
• Создание сокета: Создадим сокет с помощью системного вызова
socket().
• Привязка сокета: Привяжем сокет к адресу и порту с помощью bind().
• Получение данных: Будем ожидать и обрабатывать входящие
сообщения от клиентов.

46.

47. Создание простого UDP-клиента

Пошаговая реализация
• Создание сокета: Создадим сокет с помощью системного вызова
socket().
• Отправка данных: Отправим сообщение на сервер с помощью sendto().
• Получение ответа: Получим ответ от сервера с помощью recvfrom().
• Закрытие сокета: Закроем сокет после завершения работы.

48.

49. Тестирование взаимодействия UDP-клиента и сервера

Как запустить сервер и клиент
• Запустите сервер: Скомпилируйте и выполните код сервера. Убедитесь, что он
запущен и слушает на порту 12345.
• Запустите клиент: Скомпилируйте и выполните код клиента. Клиент отправит
сообщение на сервер и получит ответ.
Примеры взаимодействия
• После запуска сервера и клиента, клиент должен получить сообщение "Hello, UDP
Client!" от сервера.
• Если сервер не запущен, клиент не сможет получить ответ, но отправ ит сообщение
без ошибок.

50. Сервисы и их реализация

51. Что такое сервис?

• Сервис в контексте сетевого программирования — это программа или набор
программ, которые предоставляют определенные функции или услуги
пользователям или другим программам через сеть. Сервисы могут работать на
сервере и предоставлять доступ к ресурсам, данным или функциональности
клиентам, которые подключаются к ним через сеть.
• Сервисы могут быть реализованы с использованием различных протоколов и
технологий, таких как HTTP для веб-сервисов, FTP для передачи файлов и
другие протоколы, которые обеспечивают взаимодействие между клиентом и
сервером.

52. Примеры сетевых сервисов

• Веб-серверы: Веб-серверы обрабатывают HTTP-запросы от клиентов (веб-браузеров)
и отправляют им HTML-страницы, изображения и другие ресурсы. Примеры вебсерверов включают Apache, Nginx и Microsoft IIS.
• FTP-серверы: FTP-серверы предоставляют возможность передачи файлов между
клиентами и серверами с использованием протокола FTP (File Transfer Protocol). Они
позволяют пользователям загружать и скачивать файлы. Примеры FTP-серверов
включают vsftpd и ProFTPD.
• Чат-сервисы: Чат-сервисы позволяют пользователям обмениваться сообщениями в
реальном времени. Они могут быть реализованы как клиент-серверные приложения,
где сервер обрабатывает сообщения и пересылает их другим клиентам. Примеры чатсервисов включают Slack, Discord и Telegram.

53. Основные принципы разработки сетевых сервисов

• Обработка запросов: Сетевые сервисы должны уметь обрабатывать входящие
запросы от клиентов. Это включает в себя анализ запросов, выполнение необходимых
действий и отправку ответов клиентам. Важно обеспечить правильную обработку
различных типов запросов и ошибок.
• Многопоточность и асинхронность: Для обеспечения высокой
производительности и возможности обработки нескольких клиентов одновременно
сетевые сервисы часто используют многопоточность или асинхронные механизмы.
Многопоточность позволяет создавать отдельные потоки для обработки каждого
клиента, в то время как асинхронные механизмы позволяют обрабатывать запросы без
блокировки основного потока выполнения. Это особенно важно для серверов,
которые должны обслуживать множество клиентов одновременно.

54. Вопросы

• Что такое сокет и какую роль он играет в сетевом программировании?
• В чем разница между потоковыми и датаграммными сокетами?
• Каковы основные этапы создания TCP-сервера?
• Какие преимущества и недостатки у протокола UDP по сравнению с TCP?
• Что такое сетевой сервис и какие примеры вы можете привести?
• Как можно протестировать взаимодействие между клиентом и сервером?
• Почему важно учитывать многопоточность при разработке сетевых сервисов?