Programowanie zorientowane sieciowo

Gniazda i HTTP

Programowanie oparte na gniazdach (sockets)

• komunikacja klient-serwera oparta na gniazdach z wykorzystaniem TCP, UDP lub innych protokołów
• po obu stronach tworzymy gniazda, powiązane z adresami IP i portami
• komunikacja dwukierunkowa za pomocą strumieni wejścia/wyjścia

Przetwarzanie adresów URL (HTTP)

• praca z adresami URL, pobieranie danych z sieci, obsługa protokołów takich jak HTTP, HTTPS, FTP
• żądania HTTP, obsługa odpowiedzi, nagłówków, itp.

Protokoły TCP i UDP

TCP - połączeniowy, niezawodny, strumieniowy, kontrola kolejności

• wykorzystuje protokół IP do odbierania i wysyłania danych, dzieląc przesyłane dane na fragmenty, jeśli jest to potrzebne
• API, czat, transfer plików, HTTP, HTTPS, SMTP, itp.

UDP - bezpołączeniowy, szybki, datagramowy, brak retransmisji

• szybsza transmisja bez dodatkowych narzutów, ale bez gwarancji dostarczenia, kolejności czy integralności danych
• gry, telemetria, VoIP, wykrywanie usług, rozgłaszanie, itp.

Adresacja IP i porty

• IPv4: 192.168.1.10, IPv6: 2001:db8::1
• Nazwy domenowe: example.com → rozwiązywane na adresy IP przez DNS
• Porty znane: 0-1023 (HTTP 80, HTTPS 443) - zarezerwowane dla systemu i usług
• Porty zarejestrowane: 1024-49151 - aplikacje użytkowe
• Porty dynamiczne: 49152-65535 - tymczasowe, często używane przez klientów
• localhost, 127.0.0.1 - adres hosta lokalnego

Java i sieć - podstawowe pakiety

• java.net - gniazda, URL, URI, DNS
• java.net.http (Java 11+) - nowoczesny klient HTTP
• java.io - strumienie i serializacja danych
• java.nio / java.nio.channels - I/O nieblokujące

Najważniejsze klasy i interfejsy

• InetAddress - adresy i DNS
• Socket, ServerSocket - TCP klient/serwer
• DatagramSocket, DatagramPacket - UDP nadawca/odbiorca
• URL, URLConnection, HttpURLConnection - klasyczne HTTP
• HttpClient, HttpRequest, HttpResponse - nowoczesny HTTP

InetAddress

InetAddress - reprezentuje adres IP i nazwę hosta. Kluczowe metody:

• getByName(String host) - rozwiązywanie DNS
• getByAddress(byte[] addr) - tworzenie z surowych bajtów
• getLocalHost() - adres hosta lokalnego
• getHostAddress() i getHostName()

InetAddress local = InetAddress.getLocalHost();
System.out.println(local.getHostName());
System.out.println(local.getHostAddress());
 
InetAddress google = InetAddress.getByName("www.google.com");
System.out.println(google.getHostAddress());

Komunikacja TCP oparta na gniazdach (sockets)

• serwer tworzy gniazdo (ServerSocket) na konkretnym porcie
• serwer rozpoczyna nasłuch (accept())
• klient, znając adres i port serwera, tworzy gniazdo (Socket) i łączy się z serwerem
• po zaakceptowaniu połączenia przez serwer, obie strony mają otwarte gniazda do komunikacji
• komunikacja odbywa się za pomocą strumieni wejścia/wyjścia
• po zakończeniu komunikacji, gniazda powinny być zamknięte, aby zwolnić zasoby systemowe

Komunikacja TCP - Serwer

ServerSocket tworzy gniazdo serwera TCP. Konstruktorzy:

• ServerSocket(int port) - nasłuch na porcie (IOException jeśli port zajęty)
• ServerSocket(int port, int backlog) - nasłuch z określoną liczbą oczekujących połączeń
• ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) - nasłuch z określonym adresem (gdy serwer ma wiele interfejsów sieciowych)

Kluczowe metody:

• accept() - czeka na klienta i zwraca Socket (SocketTimeoutException jeśli timeout)
• bind(SocketAddress endpoint) - wiąże z adresem i portem (jeśli nie podano w konstruktorze)
• setSoTimeout(int timeout) - timeout dla accept()
• getLocalPort() - numer portu lokalnego
• close() - zamknięcie serwera (try-with-resources lub ręcznie)

Komunikacja TCP - Klient

Socket tworzy gniazdo klienta TCP

• Socket(String host, int port) - łączy z serwerem na adresie host i porcie port
• Socket(InetAddress host, int port) - łączy z serwerem na adresie host i porcie port
• Socket() - tworzy gniazdo bez połączenia
• Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort) - łączy z serwerem i wiąże z lokalnym adresem i portem

Metody:

• connect(SocketAddress host, int timeout) - łączy z serwerem (jeśli nie podano w konstruktorze)
• getInputStream() / getOutputStream() - strumienie do komunikacji
• getInetAddress(), getPort(), getLocalPort(), getRemoteSocketAddress() - informacje o połączeniu
• close() - zamyka gniazdo

Przykład: prosty serwer TCP

ServerSocket server = new ServerSocket(5000);
Socket client = server.accept();
 
// strumień wejściowy (tekstowy) do komunikacji z klientem
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
String line = in.readLine();
 
// strumień wyjściowy (tekstowy) do komunikacji z klientem
PrintWriter out = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true); 
out.println("ECHO: " + line);

Przykład: prosty klient TCP

try (Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 5000);
     BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
     PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true)) {
 
    out.println("ping");
 
    String response = in.readLine();
    System.out.println("Odpowiedz z serwera: " + response);
}

Gniazda bezpołączeniowe (UDP)

UDP stosujemy, gdy nie jest potrzebna niezawodność i kolejność, a liczy się szybkość i niskie opóźnienia.

• serwer i klient nie tworzą trwałego połączenia, a komunikacja odbywa się za pomocą pojedynczych pakietów (datagramów)
• każdy pakiet jest niezależny, może być dostarczony w dowolnej kolejności, może zostać zgubiony lub zduplikowany

Gniazda bezpołączeniowe (UDP)

DatagramSocket tworzy gniazdo UDP:

• DatagramSocket() - tworzy gniazdo i wiąże je z wolnym portem
• DatagramSocket(int port) - wiąże z konkretnym portem
• DatagramSocket(int port, InetAddress address) - wiąże z portem i adresem
• Metody do komunikacji:
  send(DatagramPacket dp), receive(DatagramPacket dp)

DatagramPacket - pakiet danych UDP:

• DatagramPacket(byte[] barr, int length) - utworzenie pakietu do odbioru danych
• DatagramPacket(byte[] barr, int length, InetAddress address, int port) - utworzenie pakietu do wysłania danych do konkretnego adresu i portu

Przykład: UDP nadawca

try (DatagramSocket sender = new DatagramSocket()) {
    byte[] data = "hello udp".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(
        data,
        data.length,
        InetAddress.getByName("127.0.0.1"),
        6000
    );
    sender.send(packet);
}

Przykład: UDP odbiorca

try (DatagramSocket receiver = new DatagramSocket(6000)) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
    receiver.receive(packet);
    String msg = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength(), StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("UDP: " + msg);
}

URL, URI, URLConnection

• URI - identyfikator zasobu (często bez pobierania danych)
• URL - lokalizacja zasobu i możliwość otwarcia połączenia
• URLConnection - bazowy interfejs pracy na połączeniu
• HttpURLConnection - klasyczny klient HTTP (przed Java 11)

URL url = new URL("https://example.com/api/users?page=1");
System.out.println(url.getProtocol()); // https
System.out.println(url.getHost());     // example.com
System.out.println(url.getPath());     // /api/users
System.out.println(url.getQuery());    // page=1
System.out.println(url.getPort());     // -1 (domyślny port)
System.out.println(url.getDefaultPort()); // 443
System.out.println(url.getFile());      // /api/users?page=1
System.out.println(url.getRef());       // null (część po #)
System.out.println(url.getAuthority()); // example.com

URLConnection - pobieranie danych

• Metoda openConnection() na obiekcie URL zwraca instancję URLConnection, która pozwala na interakcję z zasobem sieciowym
• Możemy użyć URLConnection do pobierania danych, odczytywania nagłówków, wysyłania danych (w przypadku HTTP) i innych operacji sieciowych

URL url = new URL("https://api.github.com");
URLConnection conn = url.openConnection();
try (InputStream in = conn.getInputStream()) {
    String content = new String(in.readAllBytes(), StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println(content);
}

URLConnection - najważniejsze metody

• getContent() - zwraca zawartość połączenia z URL
• getContent(Class[] classes) - próbuje zwrócić zawartość połączenia jako jeden z typów podanych w parametrze classes
• getContentEncoding() - zwraca zawartość nagłówka content-encoding
• getContentLength() - zwraca zawartość nagłówka content-length
• getContentType() - zwraca zawartość nagłówka content-type
• getLastModified() - zwraca zawartość nagłówka last-modified
• getExpiration() - zwraca zawartość nagłówka expires
• getInputStream() - zwraca strumień wejściowy z URL (pozwala na czytanie)
• getOutputStream() - zwraca strumień wyjściowy z URL (pozwala na wysyłanie)
• getURL() - zwraca adres URL do którego podłączony jest obiekt klasy URLConnection

HttpURLConnection - prosty klient HTTP

HttpURLConnection to podklasa URLConnection, która dodaje funkcje specyficzne dla protokołu HTTP, takie jak obsługa metod HTTP, nagłówków, kodów statusu i innych aspektów komunikacji HTTP.

Metody:

• setRequestMethod(String method) - GET, POST, itp.
• setRequestProperty(String key, String value) - nagłówki
• getResponseCode() - kod statusu HTTP
• getInputStream() - strumień odpowiedzi (dla 2xx)
• getContent() - zawartość odpowiedzi
• getErrorStream() - strumień błędu (dla 4xx/5xx)
• disconnect() - zamyka połączenie

Nowoczesny HTTP Client (Java 11+)

java.net.http to nowoczesny klient HTTP wprowadzony w Javie 11, który oferuje bardziej elastyczne i wydajne API do pracy z protokołem HTTP/1.1 i HTTP/2

• HttpClient - główna klasa do tworzenia i konfigurowania klienta HTTP
• HttpRequest - żądanie HTTP, pozwala na ustawienie metody, URI, nagłówków i ciała
• HttpResponse<T> - odpowiedź HTTP, zawiera status, nagłówki i ciało odpowiedzi
• Obsługa zarówno synchroniczna (send), jak i asynchroniczna (sendAsync)
• metody wytwórcze (builder()) do łatwego tworzenia żądań i konfiguracji klienta

HttpClient client = HttpClient.newBuilder()
    .connectTimeout(Duration.ofSeconds(5))
    .build();
 
HttpRequest request = HttpRequest.newBuilder()
    .uri(URI.create("https://api.github.com"))
    .header("Accept", "application/json")
    .GET()
    .build();
 
HttpResponse<String> response = client.send(request, HttpResponse.BodyHandlers.ofString());
System.out.println(response.statusCode());
System.out.println(response.body());

Prosty serwer HTTP w Java

• Lekki serwer: com.sun.net.httpserver.HttpServer
• Dobre do testów, demo i lokalnych API
• Produkcyjnie: zwykle Spring Boot / Quarkus / Micronaut

HttpServer server = HttpServer.create(new InetSocketAddress(8080), 0);
server.createContext("/hello", exchange -> {
    String body = "{\"message\":\"hello\"}";
    exchange.getResponseHeaders().add("Content-Type", "application/json; charset=utf-8");
    exchange.sendResponseHeaders(200, body.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length);
    try (OutputStream os = exchange.getResponseBody()) {
        os.write(body.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    }
});
server.start();

Dokumentacja

• java.net package
• java.net.http package
• JDK HttpServer

Zadanie 9: Komunikator

Stwórz prosty komunikator, który pozwala na bezpośrednią wymianę wiadomości tekstowych między dwiema aplikacjami korzystając z protokołu TCP.

• Jedna aplikacja będzie działać jako serwer, a druga jako klient.
• Serwer po uruchomieniu nasłuchuje na określonym porcie i czeka na połączenie od klienta.
• Klient po uruchomieniu łączy się z serwerem na określonym porcie.
• Po nawiązaniu połączenia, obie aplikacje powinny umożliwiać wysyłanie i odbieranie wiadomości w czasie rzeczywistym.
• Stwórz możliwie najprostszy interfejs graficzny umożliwiający wysyłanie wiadomości (pole tekstowe i przycisk „Wyślij”) oraz wyświetlanie wiadomości przychodzących, wysłanych i komunikatów diagnostycznych. GUI może byc oparte na dowolnej technologii (AWT, Swing, JavaFX)
• Wystarczające jest aby aplikacja komunikowała się z inną instancją uruchomioną na tym samym komputerze (localhost).

Opcjonalnie:

• Dodaj możliwość komunikacji między różnymi komputerami w sieci lokalnej. Wymaga podania w aplikacji klienta adresu IP (i ewentualnie portu) serwera i przycisku „Połącz”.

Przykładowe rozwiązanie: