Сетевое программирование (network programming)

1. Введение в сетевые
технологии
Виталий Унгурян
unguryan@itstep.org

2. Сетевое программирование
Сетевое программирование (англ.
network programming) — это
написание программ,
взаимодействующих с другими
программами посредством
компьютерной сети.

3. Сетевое программирование

4. Сетевое программирование
Программа или процесс,
инициирующие установление
связи, называются клиентским
процессом, а программа,
ожидающая инициации связи,
называется серверным процессом.

5. Сетевое программирование
Клиентский и серверный
процессы вместе образуют
распределенную систему

6. Сетевое программирование
Связь между клиентским и серверным
процессами может быть или на основе
соединений (как например, TCP-
протокол, устанавливающий
виртуальное соединение или сессию),
или без соединений (на основе UDP-
датаграмм).

7. Вычислительная сеть
Компьютерная сеть
(вычислительная сеть) — это
система связи компьютеров или
вычислительного оборудования
(серверы, маршрутизаторы и
другое оборудование).

8. Классификация
По территориальной распространенности:
BAN (Body Area Network —
нательная компьютерная сеть) —
сеть надеваемых или
имплантированных компьютерных
устройств.

9. Классификация
PAN (Personal Area Network) —
персональная сеть,
предназначенная для
взаимодействия различных
устройств, принадлежащих одному
владельцу.

10. Классификация
LAN (ЛВС, Local Area Network) —
локальные сети, имеющие замкнутую
инфраструктуру. Термин «LAN» может
описывать и маленькую офисную сеть,
и сеть уровня большого завода,
занимающего несколько сотен гектаров.
Зарубежные источники дают даже
близкую оценку — около шести миль
(10 км) в радиусе.

11. Классификация
CAN (Campus Area Network) —
кампусная сеть, объединяет локальные
сети близко расположенных зданий.
MAN (Metropolitan Area Network) —
городские сети между учреждениями в
пределах одного или нескольких
городов, связывающие много
локальных вычислительных сетей.

12. Классификация
WAN (Wide Area Network) —
глобальная сеть, покрывающая
большие географические регионы,
включающие в себя как локальные сети,
так и прочие телекоммуникационные
сети и устройства. Глобальные сети
являются открытыми и ориентированы
на обслуживание любых
пользователей.

13. Классификация
По архитектуре:
Клиент-сервер (англ. Client-server) —
вычислительная или сетевая архитектура, в
которой задания или сетевая нагрузка
распределены между поставщиками услуг,
называемыми серверами, и заказчиками
услуг, называемыми клиентами
Одноранговая сеть (децентрализованная
или пиринговая сеть)

14. Топология сетей - Шина
Физическая топология "шина" (Bus), именуемая также линейной шиной
(Linear Bus), состоит из единственного кабеля, к которому
присоединены все компьютеры сегмента

15. Топология сетей - Кольцо

16. Топология сетей - Звезда
Звезда — базовая топология компьютерной сети, в которой
все компьютеры сети присоединены к центральному узлу

17. Топология сетей - Ячейки
Ячеистая топология (англ. Mesh Topology) — сетевая
топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек

18. Топология сетей - Решетка
Решётка (англ. Grid network, иногда
также mesh, например 3D-mesh) — это
топология, в которой узлы образуют
регулярную многомерную решётку. При
этом каждое ребро решётки
параллельно её оси и соединяет два
смежных узла вдоль этой оси.

19. Топология сетей - Древовидная

20. Топология сетей - Смешанная
Смешанная
топология

21. Топология сетей - Fat Tree

22. Классификация сетей
По типу среды передачи:
Проводные (телефонный провод,
коаксиальный кабель, витая пара,
волоконный-оптический кабель)
Беспроводные (передачей
информации по радиоволнам в
определённом частотном диапазоне)

23. Классификация
По функциональному
назначению:
Сети хранения данных
Серверные фермы
Сети управления процессом
Домовые сети (Сети SOHO)

24. Классификация
По сетевым операционным
системам:
На основе Windows
На основе UNIX (подобных)
На основе NetWare
На основе Cisco

25. Сетевая модель OSI
Сетевая модель OSI (англ. open
systems interconnection basic reference
model — базовая эталонная модель
взаимодействия открытых систем) —
сетевая модель стека сетевых
протоколов OSI/ISO (ГОСТ Р ИСО/МЭК
7498-1-99).
Разработана в 1978 год

26. Сетевая модель OSI

27. Сетевая модель OSI

28. Прикладной уровень
Прикладной уровень (уровень
приложений; англ. application layer) —
верхний уровень модели,
обеспечивающий взаимодействие
пользовательских приложений с сетью:
Протоколы прикладного уровня: RDP,
HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, XMPP,
OSCAR, Modbus, SIP, TELNET и другие

29. Уровень представления
Представительский уровень (уровень
представления; англ. presentation layer)
обеспечивает преобразование
протоколов и кодирование или
декодирование данных. Запросы
приложений, полученные с прикладного
уровня, на уровне представления
преобразуются в формат для передачи
по сети, а полученные из сети данные
преобразуются в формат приложений.

30. Сеансовый уровень
Сеансовый уровень (англ. session layer)
обеспечивает поддержание сеанса
связи, позволяя приложениям
взаимодействовать между собой
длительное время. Уровень управляет
созданием/завершением сеанса,
обменом информацией, синхронизацией
задач, определением права на передачу
данных и поддержанием сеанса в
периоды не активности приложений.

31. Транспортный уровень
Транспортный уровень (англ. transport
layer) предназначен для обеспечения
надёжной передачи данных от
отправителя к получателю (уровень
надёжности может варьироваться).
Протоколы транспортного уровня: ATP, CUDP ,
DCCP, FCP, IL, NBF, NCP, SCTP, SPX, SST , TCP
(Transmission Control Protocol), UDP (User
Datagram Protocol).

32. Сетевой уровень
Сетевой уровень (англ. network layer)
модели предназначен для определения
пути передачи данных. Отвечает за
трансляцию логических адресов и имён
в физические, определение кратчайших
маршрутов, коммутацию и
маршрутизацию, отслеживание
неполадок и «заторов» в сети.

33. Канальный уровень
Канальный уровень (англ. data link layer)
предназначен для обеспечения
взаимодействия сетей на физическом
уровне и контроля за ошибками, которые
могут возникнуть.

34. Физический уровень
Физический уровень (англ. physical layer)
— нижний уровень модели, который
определяет метод передачи данных,
представленных в двоичном виде, от
одного устройства (компьютера) к
другому.
На этом уровне также работают
концентраторы, повторители сигнала и
медиаконвертеры.

35. Критика OSI
Пока комитеты ISO спорили о
своих стандартах, за их спиной
менялась вся концепция
организации сетей и по всему
миру внедрялся протокол
TCP/IP.

36. OSI
Когда протоколы ISO были наконец
реализованы, выявился ряд проблем:
эти протоколы основывались на концепциях, не
имеющих в современных сетях никакого смысла;
спецификации были в некоторых случаях
неполными;
по своим функциональным возможностям они
уступали другим протоколам;
наличие многочисленных уровней сделало эти
протоколы медлительными и трудными для
реализации.

37. OSI
Основных причин неудачи модели
OSI четыре:
1. Несвоевременность.
2. Неудачная технология.
3. Неудачная реализация.
4. Неудачная политика.

38. Сетевой протокол
Сетевой протокол — это набор правил,
позволяющий осуществлять соединение
и обмен данными между двумя и более
включёнными в сеть устройствами.

39. Сетевой протокол
Стек протоколов TCP/IP — набор
сетевых протоколов передачи данных,
используемых в сетях, включая сеть
Интернет.

40. Сетевой протокол
Название TCP/IP происходит из
двух наиважнейших протоколов
семейства — Transmission Control
Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP),
которые были разработаны и
описаны первыми в данном
стандарте.

41. Сетевой протокол
Стек протоколов TCP/IP включает в себя
четыре уровня:
 прикладной уровень (application layer),
 транспортный уровень (transport layer),
 сетевой уровень (Internet layer),
 канальный уровень (link layer).
Протоколы этих уровней полностью реализуют
функциональные возможности модели OSI.

42. Сетевой протокол
Стек протоколов TCP/IP включает в себя
четыре уровня:
 прикладной уровень (application layer),
 транспортный уровень (transport layer),
 сетевой уровень (Internet layer),
 канальный уровень (link layer).
Протоколы этих уровней полностью реализуют
функциональные возможности модели OSI.

43. Сетевой протокол

44. IP адрес
IP-адрес (англ. Internet Protocol Address)
— уникальный идентификатор (адрес)
устройства (обычно компьютера),
подключённого к локальной сети или
интернету.

45. IP адрес
IP-адрес представляет собой 32-
битовое (по версии IPv4) или 128-
битовое (по версии IPv6) двоичное
число.
Удобной формой записи IP-адреса (IPv4)
является запись в виде четырёх
десятичных чисел (от 0 до 255),
разделённых точками.

46. IP адрес
128.10.2.30 — традиционная
десятичная форма представления
адреса
10000000 00001010 00000010
00011110 — двоичная форма
представления этого же адреса

47. Классы IP - адресов

48. Сокет
(англ. socket — разъём) —
название программного интерфейса для
обеспечения обмена данными между
процессами. Процессы при таком
обмене могут исполняться как на одной
ЭВМ, так и на различных ЭВМ,
связанных между собой сетью. Сокет —
абстрактный объект, представляющий
конечную точку соединения.

49. Сокет

50. Сетевой порт
Сетевой порт — условное число от 1 до
65535, указывающее, какому
приложению предназначается пакет.
Если прибегнуть к аналогии, то IP адрес
- почтовый адрес дома, а порт - номер
квартиры конкретного жильца.
Использование портов позволяет независимо
использовать TCP протокол сразу многим
приложениям на одном и том же компьютере.

51. Серверное программирование
Клиент-сервер (англ. Client-server) —
вычислительная или сетевая
архитектура, в которой задания или
сетевая нагрузка распределены между
поставщиками услуг, называемыми
серверами, и заказчиками услуг,
называемыми клиентами. Физически
клиент и сервер — это программное
обеспечение.

52. Серверное программирование

53. Серверное программирование
Расположение компонентов на стороне
клиента или сервера определяет
основные модели взаимодействия :
сервер терминалов — распределенное
представление данных;
файл-сервер — доступ к удалённой базе
данных и файловым ресурсам;
сервер БД — удалённое представление
данных;
сервер приложений — удалённое
приложение.

54. Двухзвенная архитектура

55. Трезвенная архитектура
Трезвенная архитектура сложнее, но имеет:
Высокую степень гибкости и масштабируемости.
Высокую безопасность (т.к. защиту можно определить для каждого
сервиса или уровня).
Высокую производительность (т.к. задачи распределены между
серверами).

56. Многозвенная архитектура

57. Web-сервер
Web-серверы - изначально
представляли доступ к гипертекстовым
документам по протоколу HTTP.
Сейчас поддерживают расширенные
возможности, в частности работу с
бинарными файлами (изображения,
мультимедиа и т.п.).

58. Серверы приложений
Серверы приложений - предназначены
для централизованного решения
прикладных задач в некоторой
предметной области. Для этого
пользователи имеют право запускать
серверные программы на исполнение.
Использование серверов приложений
позволяет снизить требования к
конфигурации клиентов и упрощает
общее управление сетью.

59. Серверы баз данных
Серверы баз данных - используются
для обработки пользовательских
запросов на языке SQL. При этом
СУБД находится на сервере, к
которому и подключаются
клиентские приложения.

60. Файл-сервер
Файл-сервер - хранит информацию
в виде файлов и представляет
пользователям доступ к ней. Как
правило файл-сервер обеспечивает
и определённый уровень защиты от
несанкционированного доступа.

61. Прокси-сервер
Прокси-сервер - действует как
посредник, помогая пользователям
получить информацию из Интернета и
при этом обеспечивая защиту сети и
сохраняет часто запрашиваемую
информацию в кэш-памяти на
локальном диске, быстро доставляя её
пользователям без повторного
обращения к Интернету.

62. Файрвол
Файрволы (брандмауэры) -
межсетевые экраны,
анализирующие и фильтрующие
проходящий сетевой трафик, с
целью обеспечения безопасности
сети.

63. Почтовый сервер
Почтовые серверы - представляют
услуги по отправке и получению
электронных почтовых сообщений
как правило на основе протоколов
IMAP4 или POP3 / SMTP.

64. HTTP
HTTP - это протокол описывающий
взаимодействие между двумя
компьютерами (клиентом и
сервером), построенное на базе
сообщений, называемых запрос
(Request) и ответ (Response).

65. Схема взаимодействия клиента и сервера

66. HTTP стартовая строка
Каждое сообщение состоит из трёх
частей: стартовая строка, заголовки и
тело.
При этом обязательной является только
стартовая строка.
METHOD URI HTTP/VERSION,
где METHOD — это как раз метод HTTP-запроса,
URI — идентификатор ресурса,
VERSION — версия протокола (на данный момент
актуальна версия 1.1).

67. Заголовки
Заголовки HTTP (англ. HTTP Headers) —
это строки в HTTP - сообщении,
содержащие разделённую двоеточием
пару параметр - значелние.
Пример:
Server: Apache/2.2.11 (Win32) PHP/5.3.0
Last-Modified: Sat, 16 Jan 2010 21:16:42 GMT
Content-Type: text/plain; charset=windows-1251
Content-Language: ru

68. Заголовки
Все заголовки разделяются на четыре
основных группы:
General Headers («Основные заголовки») —
могут включаться в любое сообщение клиента
и сервера.
Request Headers («Заголовки запроса») —
используются только в запросах клиента.
Response Headers («Заголовки ответа») —
только для ответов от сервера.
Entity Headers («Заголовки сущности») —
сопровождают каждую сущность сообщения.

69. Тело сообщения
Тело HTTP сообщения (message-
body), если оно присутствует,
используется для передачи тела
объекта, связанного с запросом или
ответом.
Пример:
message-body = entity-body
| <entity-body закодировано согласно
Transfer-Encoding>

70. GET — получение ресурса
Используется для запроса содержимого
указанного ресурса. С помощью метода
GET можно также начать какой-либо
процесс. В этом случае в тело ответного
сообщения следует включить
информацию о ходе выполнения
процесса.

71. GET — получение ресурса
Клиент может передавать параметры
выполнения запроса в URI целевого
ресурса после символа «?»:
/path/resource?par1=value1&par2=value2

72. HEAD
HEAD - аналогичен методу GET, за
исключением того, что в ответе сервера
отсутствует тело. Запрос HEAD обычно
применяется для извлечения
метаданных, проверки наличия ресурса
(валидация URL) и чтобы узнать, не
изменился ли он с момента последнего
обращения.

73. POST
POST - применяется для скрытой
передачи пользовательских данных
заданному ресурсу.

74. PUT
PUT - применяется для загрузки
содержимого запроса на указанный в
запросе URI. Если по заданному URI не
существует ресурс, то сервер создаёт
его и возвращает статус 201 (Created).
Если же был изменён ресурс, то сервер
возвращает 200 (Ok) или 204 (No
Content).

75. PATCH
PATCH - аналогично PUT, но
применяется только к фрагменту
ресурса.

76. DELETE
DELETE - удаляет указанный ресурс,
если такой запрос поддерживается
сервером.

77. TRACE
TRACE - возвращает полученный запрос
так, что клиент может увидеть, какую
информацию промежуточные серверы
добавляют или изменяют в запросе.

78. CONNECT
CONNECT - преобразует соединение
запроса в прозрачный TCP/IP-туннель,
обычно чтобы содействовать
установлению защищённого SSL-
соединения через нешифрованный
прокси.

79. Частичный GET
HTTP позволяет запросить не сразу всё
содержимое ресурса, а только
указанный фрагмент. Возможность их
выполнения необязательна (но
желательна) для серверов. Частичные
GET в основном используются для
докачки файлов и быстрого
параллельного скачивания в нескольких
потоках.

80. Условный GET
Метод GET изменяется на «условный
GET», если сообщение запроса
включает в себя поле заголовка «If-
Modified-Since». В ответ на условный
GET, тело запрашиваемого ресурса
передаётся только, если он изменялся
после даты, указанной в заголовке «If-
Modified-Since».