PROGRAMAÇÃO COM SOCKETS

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1 unidade I Tecnologias de Redes de Computadores PROGRAMAÇÃO COM SOCKETS Olá! Na aula de hoje, faremos um estudo sobre sockets. Esta aula fornecerá uma boa base de como sockets são utilizados para a transmissão de informações entre aplicações cliente/servidor. Ao final da aula, você entenderá a diferença entre programação de sockets TCP e UDP, bem como o fluxo de sua programação em linguagem Java. Tenha uma ótima leitura! INTRODUÇÃO A primeira pergunta que você deve estar se fazendo é: O que é um socket? Para compreender o que é um socket inicialmente temos de entender que a comunicação entre processos de software tornou-se indispensável nos sistemas atuais. Quanto maior a quantidade de processos de software sendo executados, provavelmente maior será a necessidade de comunicação entre eles. O elo de ligação entre os processos do servidor e do cliente é o socket. Ele é a porta na qual os processos enviam e recebem mensagens. Neste sentido, podemos dizer que um socket é a interface entre a camada de aplicação e a de transporte dentro de uma máquina. Existem diversas aplicações cliente/servidor desenvolvidas, onde cliente(s) e servidor podem estar em máquinas diferentes, distantes umas das outras Os aplicativos do cliente e do servidor utilizam protocolos de transporte para se comunicarem. Quando um aplicativo interage com o software de protocolo, ele deve especificar detalhes, como por exemplo, se é um servidor ou um cliente. Além disso, os aplicativos que se comunicam devem especificar detalhes adicionais. Por exemplo, o remetente deve especificar os dados a serem enviados, e o receptor deve especificar onde os dados recebidos devem ser colocados. Analisando este esquema, percebemos que tudo acima da interface do socket, na camada de aplicação, é controlado pelo criador da aplicação. Por outro lado, o controle da camada de transporte é feito pelo Sistema Operacional. Outra característica importante é que, basicamente, temos dois tipos de serviços de transporte via socket: o confiável, orientado a cadeia de bytes (byte stream), e os datagramas não confiáveis. O protocolo na qual implementa-se o primeiro é o TCP, já o segundo é implementado no protocolo UDP. Veremos isto mais detalhadamente na sequência desta aula. HISTÓRICO Na década de 80 nos Estados Unidos, a ARPA (Advanced Research Projects Agency of the Department of Defense) confiou à Berkeley, uma importante universidade da Califórnia, a responsabilidade de construir um sistema operacional que pudesse ser utilizado no suporte à ARPAnet, a rede antecessora da atual Internet. Neste sentido, uma interface foi desenvolvida e adicionada ao sistema operacional Unix BSD (Berkeley Software Distribution). Tal interface tinha justamente a função de suporte à comunicação em rede. Esta interface ficou então conhecida como Berkeley Sockets Interface, e é a base para a maioria das interfaces entre protocolos de Internet TCP/IP existentes. Você já deve ter estudado em disciplinas anteriores que existe uma nomenclatura específica para se referir a cada lado da comunicação. Temos o servidor, que fica esperando por conexões de entrada e que fornece certos tipos de serviços à outra parte. Já o cliente vem a ser quem solicita a conexão ao servidor para fazer alguma requisição, algum pedido. É importante salientar que não é o computador que distingue quem é servidor e quem é cliente, mas sim a forma como certo programa usa os sockets. Às vezes também fazemos confusão no fato de 51

2 se pensar que um servidor precisa ser um mainframe. Desktops como os que usamos em casa funcionam tanto como cliente quanto como servidor, e é o que ocorre frequentemente. Cada socket tem um endereço único na Internet. Este endereço é formado por um número IP e por um número de porta. Devido às grandes dimensões da Internet, não há como uma pessoa, ou mesmo uma máquina, saber o endereço de todas as outras. Para resolver este problema foi criado protocolo DNS (Domain Name Service). Este protocolo tem a função de traduzir os nomes ou endereços de alto nível das máquinas para o seu respectivo número IP. Assim, ao se passar o endereço de um socket de um servidor, não se passa diretamente seu número IP, mas sim um nome mais fácil de recordar e então o DNS traduz para o endereço real, ou endereço IP. Os sockets podem ser usados para comunicação via qualquer um dos protocolos UDP ou TCP. Assim, é possível termos tanto comunicação orientada a conexão (via TCP), quanta não orientada a conexão (via UDP). O socket abstrai esse conceito, permitindo, assim, a utilização de qualquer um dos meios. PROGRAMAÇÃO DE APLICAÇÕES TCP Inicialmente o cliente deve contatar o servidor. Para isso, o processo servidor já deve estar executando o programa antes de ser contatado além de já ter criado o socket (porta) que aceita o contato do cliente. O cliente contata o servidor criando um socket TCP local e especifica o endereço IP e o número da porta do processo servidor. Quando o servidor é contatado o servidor cria um novo socket para se comunicar com o cliente, permitindo assim a liberação do socket de boas vindas para que possa ser contatado por outros clientes. A I.1 ilustra este conceito. Do ponto de vista da aplicação, a conexão TCP é um fluxo contínuo de dados. A mensagem é fragmentada em pacotes e não há duplicação. A entrega e a ordem dos pacotes são garantidas. Note que a conexão é ponto-aponto, ou seja, existe um remetente e um destinatário conectado por sockets. A figura I.2 ilustra uma aplicação cliente/servidor descrita em linguagem Java. 52

3 Vamos analisar as linhas de código, em linguagem Java, referentes às instruções que são utilizadas para a aplicação da figura I.2, começando com a aplicação que será hospedada no servidor. No início do programa, as seguintes linhas deverão ser inseridas para importar a biblioteca que contém as classes que são utilizadas em uma aplicação com Socket (java.net.*) e as classes de recepção de informação do teclado, do Socket do cliente ou do servidor (java.io.*). import java.io.*; import java.net.*; Neste ponto, criamos um objeto welcomesocket. Este é o socket do lado do servidor. O valor referente à numero_ da_porta deverá ser substituído pelo número da porta pela qual a aplicação cliente usará para conectar-se com o servidor. Este socket esperará a requisição de conexão de um cliente. ServerSocket welcomesocket = new ServerSocket(numero_da_porta); Como o programa servidor normalmente fica funcionando por tempo indefinido, costuma-se colocar o restante das instruções dentro de um loop infinito, como segue: while(true) {... } 53

4 Na sequência, a próxima instrução é responsável por criar um objeto connectionsocket do tipo Socket toda vez que um cliente conectar ao servidor. O TCP se encarregará de criar uma conexão virtual direta entre esse socket e o socket do cliente de forma que todos os bytes serão enviados ao servidor na ordem correta. Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); No caso do envio de um objeto do tipo String do cliente para o servidor, devemos utilizar as seguintes instruções para receber os dados do cliente. BufferedReader infodocliente = new BufferedReader(new InputStreamReader(c onnectionsocket.getinputstream()); String mensagemdocliente = infodocliente.readline(); Depois de processar a informação enviada pelo cliente, podemos enviar um outro objeto (mensagem_para_ cliente) do tipo String de volta para o cliente. Isto geralmente é feito para dar retorno, comunicando que o dado foi recebido ou algo similar. DataOutputStream infoparacliente = new DataOutputStream(connectionSocket. getoutputstream()); infoparacliente.writebytes(mensagem_para_cliente); Agora vamos analisar o programa cliente. Como no caso do programa servidor, o código do programa cliente inicia com a importação das bibliotecas que contém as classes de sockets e de envio de informações. import java.io.*; import java.net.*; Primeiramente, criamos o socket que conectará com o servidor. O primeiro parâmetro passado ao construtor é o nome do servidor, por exemplo, se a aplicação servidor estiver rodando no mesmo computador que a aplicação cliente. O segundo parâmetro é o número da porta que é informado ao socket servidor. Socket clientsocket = new Socket( nome_do_servidor, numero_da_porta); Após a criação do socket cliente, precisamos criar os objetos de cadeia que serão ligados ao socket. O objeto infoparaservidor será a cadeia que enviará informações para o servidor. O objeto infodoservidor será a cadeia que receberá informações do servidor. DataOutputStream infoparaservidor = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream()); BufferedReader infodoservidor = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream())); 54

5 Utilizaremos o mesmo modelo anterior do lado servidor. Enviaremos mensagem_do_cliente e receberemos mensagem_para_cliente, dois objetos do tipo String para exemplificar. infoparaservidor.writebytes(mensagem_do_cliente); String mensagem_para_cliente = infodoservidor.readline(); Por fim, podemos fechar o socket, e também a conexão TCP entre cliente e servidor. clientsocket.close(); PROGRAMAÇÃO DE SOCKETS COM UDP A comunicação entre processos também é possível por UDP. Entretanto, UDP é um serviço sem conexão. Com isso, não há o three-way handshaking (ou apresentação de três vias) inicial, e, assim, não há um canal preestabelecido entre os processos. Para que a comunicação entre os processos seja possível, deve-se incorporar ao conjunto de bytes enviados tanto o endereço IP do destino quanto a porta do processo de destino. Este conjunto (bytes + endereço IP + porta) recebe o nome de pacote. Com o pacote criado, ele é colocado na rede através do socket. O processo receptor deverá abrir o pacote para retirar as informações pertinentes. Sendo o UDP um serviço sem conexão, não há garantias de que o pacote realmente chegará ao seu destino. Na comunicação por TCP, não é necessário que todas as cadeias de bytes recebam endereço IP e número de porta, já que existe uma tubulação virtual, pela qual as cadeias fluem, a qual possui estas informações adicionais. Já na comunicação por UDP, não havendo essa tubulação virtual, torna-se necessário que as cadeias de bytes sejam organizadas em pacotes, todos com endereço IP e número de porta. Abaixo temos um exemplo de programação em socket com UDP. Vamos iniciar nossa análise pela parte do servidor. DatagramSocket serversocket = new DatagramSocket(9543); Diferentemente do TCP, aqui criamos um objeto do tipo DatagramSocket e não ServerSocket. Os dados que serão enviados e recebidos pelo servidor passarão todos através deste socket do tipo DatagramSocket. Não se faz necessária a criação de um objeto DatagramSocket para cada nova conexão. Todas as conexões dos clientes passarão por esse único socket serversocket. Isto não é um problema porque cada vez que recebe um pacote, o servidor responde e fica livre novamente, pois não existe conexão entre ambos. Em nosso exemplo, o socket escuta na porta while (true) {... } Temos um loop infinito, onde o servidor fica esperando o recebimento de pacotes. DatagramPacket receivepacket = new DatagramPacket(receiveData, receivedata.length); serversocket.receive(receivepacket); 55

6 O objeto receivepacket aloca memória onde serão salvos os dados de entrada, recebidos pelo servidor. O método receive fica esperando o recebimento e armazena o pacote em receivepacket. String sentence = new String(receivePacket.getData()); InetAddress IPAdress = receivepacket.getaddress(); int port = receivepacket.getport(); Por fim, estas linhas desmontam o pacote, retirando as informações necessárias à retransmissão. O objeto sentence recebe os dados. IPAdress é o número de IP do cliente, que é necessário para mandar a resposta assim como o número de porta port. Note que todos estes dados foram enviados pelo cliente. Após o processamento a resposta é enviada para o respectivo endereço IP e número de porta. Do lado do cliente, temos a criação do socket pelo qual será enviado um pacote da seguinte forma: DatagramSocket clientsocket = new DatagramSocket(); Note que a única diferença entre o socket cliente e o servidor é de que para o servidor foi necessário especificar um número de porta, e para o cliente não. Este comando não cria conexão alguma e nem contata o servidor, e é justamente por isso que não se faz necessário especificar nome do servidor nem seu número de porta. InetAddress IPAddress = InetAddress.getByName( hostname ); Na sequência, criamos um objeto para armazenar o número de IP do Server. Hostname é o nome (apelido) do servidor. O método getbyname() faz uma consulta ao servidor DNS para saber qual o número IP do server. byte[] senddata new byte[1024]; byte[] receivedata = new byte[1024]; Estes dois vetores armazenarão os dados enviados e recebidos respectivamente. DatagramPacket sendpacket = new DatagramPacket(sendData, senddata.length, IPAdress, 9543); Esta linha cria o pacote que será enviado ao Server. Nele estão gravados os dados em si, senddata, o tamanho dos dados, senddata.length, o número de IP do Server, IPAdress, e o número da porta onde o Server espera, clientsocket.send(sendpacket); 56

7 Depois de tudo pronto, enviamos o pacote através do método send do socket clientsocket. Uma vez enviado o pacote, o cliente fica esperando uma resposta. clientsocket.receive(receivepacket); Quando ocorre o recebimento do pacote, ele é armazenado em receivepacket. Note que sockets UDP são mais rápidos que sockets TCP. Eles são mais simples, porém menos confiáveis. Em UDP, não é necessário abrir conexão, deste modo a comunicação ocorre apenas com o envio da mensagem. Uma mensagem é um datagrama, que é composto de um remetente (sender) e um receptor (receiver) e a mensagem (content). Até a próxima aula! Referências: MENDES, Douglas Rocha. Redes de Computadores: Teoria e Prática. Editora Novatec, Wikiversidade: Programação com sockets. Disponível em < Sockets e aplicações em rede. Disponível em < Acesso em: 15 Jun