Bài giảng Lập trình mạng: Lập trình máy chủ - TS. Nguyễn Hoài Sơn

Bài giảng này trang bị cho người học những hiểu biết về lập trình máy chủ với những nội dung cơ bản như: Khái niệm các loại máy chủ; máy chủ xứ lý đồng thời, đa tiến trình, hướng kết nối; ví dụ về Máy chủ xử lý đồng thời, đa tiến trình, hướng kết nối; máy chủ xử lý đồng thời, đơn tiến trình, hướng kết nối;... Mời các bạn cùng tham khảo.

Lập trình máy chủ

Giáo viên: Nguyễn Hoài Sơn

Bộ môn Mạng và Truyền thông máy tính Trường Đại học Công nghệ

Nội dung bài học

 Khái niệm các loại máy chủ

 Máy chủ xứ lý đồng thời, đa tiến trình, hướng kết nối

 Ví dụ về Máy chủ xử lý đồng thời, đa tiến trình, hướng kết nối

 Máy chủ xử lý đồng thời, đơn tiến trình, hướng kết nối

 Ví dụ về Máy chủ xử lý đồng thời, đơn tiến trình, hướng kết nối

 Dung lượng bộ nhớ sử dụng, tài nguyên tính toán

 Dễ thiết kế, xây dựng và bảo trì

Phân loại máy chủ theo cách thức

Tuần tự hướng

kết nối

Đồng thời hướng kết nối

Máy chủ không kết nối

 Máy chủ sử dụng giao thức UDP

 Không có kết nối giữa máy khách và máy chủ

 Ưu điểm

 Chỉ cần một socket

 Thích hợp với kiểu truyền tin quảng bá/quảng phát

 Người lập trình được tự do lựa chọn cách thức thực thi tính tin cậy trong truyền tin

 Nhược điểm

 Cung cấp tính tin cậy đòi hỏi chi phí cao với người lập trình

Máy chủ hướng kết nối

Khái niệm xử lý tuần tự/xử lý đồng

Máy chủ xử lý tuần tự

 Tại mỗi thời điểm, xử lý một yêu cầu

 Đưa các yêu cầu mới vào một hàng đợi

 Yêu cầu của một máy khách chỉ được xử lý khi yêu cầu trước đó được xử lý xong

 Dễ thực thi nhưng kém hiệu quả

 Nhất là trường hợp yêu cầu xử lý ít phải chờ yêu cầu xử lý nhiều kết thúc

Server

Client1

Receiving requests from Client 1 Receiving requests from Client 2

Cách thực hiện máy chủ xử lý tuần tự

 Một máy chủ xử lý tuần tự thực hiện theo các bước đơn giản sau

 Tạo socket và gán thông tin cổng cho socket

 Lặp lại

 Chấp nhận yêu cầu từ máy khách

 Xử lý yêu cầu

 Tạo thông báo kết quả và gửi trả lại máy khách

 Trong trường hợp của máy chủ xử lý tuần tự

hướng kết nối

 Tại mỗi thời điểm, máy chủ xử lý từng yêu cầu đến từ một kết nối tới một máy khách

TCP client

TCP server

socket()

socket() bind() listen() accept()

read()

write() read()

connect()

write()

Connection request

Wait next request

Máy chủ xử lý đồng thời

 Có thể xử lý nhiều yêu cầu đến cùng một lúc

 Máy khách không cần đợi yêu cầu trước đó kết thúc

 Hiệu quả cao hơn máy chủ xử lý tuần tự trong hầu hết các trường hợp nhưng khó thực hiện hơn

Cách thực thi máy chủ xử lý đồng

thời

 Đa tiến trình

 Tạo ra nhiều tiến trình

 Mỗi tiến trình xử lý một yêu cầu của máy khách

 Đa luồng

 Tạo ra nhiều luồng

 Mỗi luồng xử lý một yêu cầu của máy khách

 Đa xuất nhập (I/O multiplex)

 Đơn tiến trình

 Xuất nhập dữ liệu tại nhiều socket cùng một lúc

 Nhận dữ liệu đồng thời từ nhiều kết nối, xử lý tuần tự các

Xử lý đồng thời tốt trong trường hợp nào?

 Trả lời một yêu cầu cần nhiều thời gian

xuất/nhập dữ liệu

 E.g File transfer, Telnet, Web server,…

 Thời gian xử lý các yêu cầu của máy khách là khác nhau lớn

 Máy chủ chạy trên một máy tính có nhiều bộ

vi xử lý

Máy chủ xử lý đồng thời,

không kết nối, đa tiến trình

Máy chủ xử lý đồng thời, không kết nối, đa tiến trình

 Bước 1 tiến trình mẹ: Khởi tạo socket, gán

thông tin cho socket

 Bước 2 tiến trình mẹ: Lặp lại lệnh recvfrom( )

để nhận yêu cầu từ máy khách và khởi tạo

tiến trình con để xử lý yêu cầu của máy

khách

Máy chủ xử lý đồng thời, không kết nối (2)

 Bước 1 tiến trình con: Xử lý yêu cầu của máy khách

 Bước 2 tiến trình con: Tạo thông báo trả lời và gửi trả lại máy khách bởi hàm sendto( )

 Bước 3 tiến trình con: Kết thúc sau khi xử lý xong yêu cầu

 Do chi phí cao khi khởi tạo một tiến trình con nên ít máy chủ không kết nối sử dụng cách xử lý đồng thời

đa tiến trình

Máy chủ xử lý đồng thời,

hướng kết nối, đa tiến trình

Thực thi máy chủ xử lý đồng thời, hướng kết nối đa tiến trình như thế nào?

 Lệnh accept dừng thực thi của máy chủ để đợi kết nối đến cổng chờ

 Khi có kết nối từ máy khách, tiến trình mẹ

sẽ khởi tạo một tiến trình con để xử lý kết

nối

 Tiến trình mẹ sẽ chờ để chấp nhận một kết nối khác

Socket for socket for individual

Operating system

Cách thực thi máy chủ xử lý đồng

thời, hướng kết nối, đa tiến trình

thông tin cho socket và chuyển socket sang

trạng thái thụ động, chờ kết nối

 B ướ c 2 ti ế n trình m ẹ : Lặp lại:

 Gọi accept() chờ kết nối máy khách

 Khi có kết nối từ máy khách, khởi tạo một tiến trình

con để xử lý dữ liệu qua kết nối với máy khách

Cách thực thi máy chủ xử lý đồng

thời, hướng kết nối, đa tiến trình (2)

máy khách

khách, xử lý yêu cầu và gửi thông báo trả lời cho

máy khách

khi xử lý xong yêu cầu của máy khách

fork(): Tạo tiến trình mới

 Khởi tạo một tiến trình con chỉ khác tiến trình mẹ ở PID và PPID

2 cách sử dụng điển hình với fork

 Một tiến trình muốn thực hiện nhiều công việc cùng một lúc

 Tiến trình sẽ tạo ra một bản copy của nó Mỗi bản copy sẽ thực hiện một công việc

 Một tiến trình muốn chạy một chương trình

khác

 Tiến trình sẽ tạo ra một bản copy của nó và bản copy đó sẽ chạy chương trình mới

Ví dụ về máy chủ ECHO xử lý đồng thời, đa tiến trình

 tcpserv02.c

Chi tiết về xử lý đồng bộ

 Tiến trình mẹ

 đóng socket kết nối connfd của kết nối mới

 sử dụng socket chờ listenfd để tiếp tục chờ kết nối mới

 Tiến trình con

 đóng socket chờ istenfd

 cung cấp dịch vụ echo ( str_echo (connfd)) thông qua kết nối mới

 tiết tục sử dụng socket kết nối connfd cho đến khi thoát

ra (exit)

 Tiến trình con phải thoát ra (exit) sau khi đã thực hiện xong dịch vụ

 Lệnh Exit được sử dụng để kết thúc tiến trình

 Khi tiến trình con kết thúc, hệ thống sẽ tự động đóng các socket kết nối lại

Vấn đề tiến trình không kết thúc hoàn toàn

 Một tín hiệu (SIGCHLD) sẽ được gửi đến tiến trình

mẹ khi một tiến trình con kết thúc

 Tiến trình con sau khi kết thúc sẽ tồn tại ở trạng

thái zombie cho đến khi tiến trình mẹ thực hiện

lệnh gọi wait3 (wait, waitpid)

Giải quyết vấn đề tiến trình không kết

thúc hoàn toàn như thế nào ?

 Tiến trình mẹ sẽ bắt tín hiệu kết thúc của tiến

trình con và gọi hàm xử lý tín hiệu

signal(SIGCHLD, sig_chld)

 Hàm signal biểu thị rằng tiến trình mẹ cần gọi

hàm sig_chld mỗi khi nó nhận được tín hiệu

SIGCHLD báo hiệu một tiến trình con đã kết

thúc

 Hàm sig_chld gọi hàm wait3 để hoàn thành việc

/* sig_chld - clean up zombie child */

void sig_chld(int signo){

 Tùy chọn WNOHANG cho phép tiến trình mẹ

không bị dừng thực thi nếu không có tiến trình

con nào kết thúc

Cách viết khác của hàm sig_chld

/* reaper - clean up zombie child */

void sig_chld (int sig)

Xử lý cuộc gọi hệ thống bị ngắt như thế nào?

 Hàm accept sẽ trả về giá trị lỗi là EINTR

(interrupted signal call) Tiến trình mẹ cần phải

bỏ qua lỗi này

If ((ssock=accept(….)) <0)

if (errno = EINTR) continue;

else err_sys(“accept error”);

Ví dụ về máy chủ ECHO xử lý đồng thời, đa tiến trình

 tcpserv03.c

Máy chủ hướng kết nối, xử

lý đồng thời, đơn tiến trình

Tại sao lại xử lý đồng thời đơn tiến trình?

 Chi phí khi tạo tiến trình

 Chia sẻ thông tin giữa các kết nối được dễ dàng

 Máy chủ xử lý đồng thời sẽ xử lý một cách tuần tự nếu thời gian xử lý một yêu cầu của máy khách là

ngắn

 Sử dụng đa tiến trình chỉ có hiệu quả khi CPU không thể

xử lý các yêu cấu một cách tuần tự

request1 request 2 request 3

CPU time

Thực hiện xử lý đồng thời đơn tiến trình như thế nào?

 Một máy chủ đồng thời, đơn tiến trình sẽ phải thực hiện chức năng của cả tiến trình mẹ và tiến trình con trong mô hình máy chủ đa tiến trình

Server

application process

< -Operating

Socket lắng

Thực hiện xử lý đồng thời đơn tiến trình như thế nào? (2)

 Nếu socket lắng nghe sẵn sàng, tiến trình sẽ gọi

hàm accept() để chấp nhận kết nối mới đến

 Nếu socket kết nối sẵn sàng, tiến trình sẽ gọi hàm

read() để nhận yêu cầu đến từ máy khách, xử lý yêu cầu và gửi trả lại kết quả xử lý

 Sau đó các bước trên được lặp lại

 Làm thế nào để đợi xuất nhập dữ liệu trên tất cả các sockets và biết socket nào đã sẵn sàng?

Các mô hình xuất nhập dữ liệu

 Xuất nhập chặn (Blocking I/O)

 Xuất nhập không chặn (Nonblocking I/O)

 Đa xuất nhập (I/O multiplexing)

 Xuất nhập dựa tín hiệu (signal driven I/O)

(SIGIO)

 Xuất nhập không đồng bộ (asynchronous I/O)

Blocking I/O Model

recvfrom

system call no datagram ready

datagram ready copy datagram

copy complete

wait for data

copy data from kernel

to user

process datagram

copy complete

wait for data

copy data from kernel

I/O Multiplexing Model

copy complete

wait for data

copy data from kernel

to user

process datagram

Signal-driven I/O model

recvfrom

sigaction system call

datagram ready copy datagram

copy complete

wait for data

copy data from kernel

to user process

deliver SIGIO system call

Asynchronous I/O Model

aio_read

system call no datagram ready

datagram ready copy datagram

copy complete

wait for data

copy data from kernel

to user signal

handler process datagram

process

continues

executing

deliver signal return

specified in aio_read

Hàm gọi select

 Hàm Select cung cấp xuất nhật dữ liệu không đồng

bộ bằng cách cho phép một tiến trình có thể đợi trạng thái sẵn sàng đầu tiên của nhiều sockets trong một tập mô tả file đã được định sẵn

 Không chỉ có socket

 Có thể thiết lập thời gian timeout tối đa

 Ví dụ, hàm select sẽ trả về giá trị khi:

 Một trong các mô tả file của tập {1,4,5} sẵn sàng để đọc

 Một trong các mô tả file của tập {2,7} sẵn sàng để ghi

 Một trong các mô tả file của tập {1,4,5} nhận ngoại lệ

Select(): dùng cho xuất nhập

 timeout : thời gian timeout đợi một trong các mô tả file trở nên sẵn sàng

 Kiểu dữ liệu fd_set data :

 Biểu diễn tập các miêu tả file dưới dạng chuỗi integer, mỗi bit trong chuỗi ứng với một miêu tả file

#include <sys/select.h>#include <sys/time.h>

int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset,

fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);

Returns: positive count of ready descriptors,

0 on timeout, –1 on error

Khi nào một socket ở trạng thái sẵn

sàng đọc

 Khi số byte dữ liệu trong buffer của socket lớn hơn hoặc bằng

kích thước tối thiểu (mặc định là 1)

 Chúng ta có thể thiết lập giá trị kích thước tối thiểu bằng tùy

chọn SO_RCVLOWAT

 Khi một nửa đọc của kết nối bị đóng

 Kết nối TCP nhận được gói tin FIN

 Một thao tác đọc socket sẽ trả về giá trị 0 (i.e EOF)

 Nếu socket là socket lắng nghe thì số lượng kết nối đã hoàn

thành bắt tay ba bước trong hàng đợi lớn hơn 0

 Một lỗi socket đang chờ

Một thao tác đọc socket sẽ trả về giá trị -1 với tập errno được

Khi nào một socket ở trạng thái sẵn

sàng ghi?

 Khi số byte trống trong buffer gửi của socket lớn hơn hoặc bằng độ lớn tối thiểu (mặc định là 2048) và :

 socket đang được kết nối

 socket không cần kết nối(e.g., UDP)

 Một nửa đọc của kết nối bị đóng

 Một thao tác viết trên socket sẽ sinh ra tín hiệu SIGPIPE

 Một socket sử dụng kết nối non-blocking vừa hoàn thành bắt tay 3 bước hay kết nối đó bị thất bại

 Một lỗi socket đang chờ

 Một thao tác viết trên socket đó sẽ trả về giá trị -1 cùng với tập errno set được gán giá trị của lỗi

 /* Xóa tất cả các bits trong fdset */

void FD_ZERO(fd_set *fdset);

 /* Bật một bit ứng với fd trong fdset */

void FD_SET(inf fd, fd_set *fdset);

 /* Tắt một bit ứng với fd trong fdset */

void FD_CLR(inf fd, fd_set *fdset);

 /* Kiểm tra xem bit ứng với fd trong fdset có

được bật lên hay không*/

Cách thực thi máy chủ

1. Tạo ra socket lắng nghe tại một cổng dịch vụ

Gán socket này vào tập mô tả file xuất nhập dữ liệu

2. Sử dụng lệnh gọi select để chờ xuất nhập dữ

liệu trên tập mô tả file của các sockets

3. Nếu socket lắng nghe sẵn sàng, gọi hàm

accept để chấp nhận kết nối mới và nhận về

một socket kết nối

4. Gán socket kết nối vào tập mô tả file xuất nhập

dữ liệu

Cách thực thi máy chủ (2)

5. Nếu có socket kết nối sẵn sàng, gọi hàm

đọc để đọc yêu cầu từ máy khách, xử lý yêu cầu và tạo thông báo trả lới Gọi hàm ghi để gửi thông báo trả lời cho máy khách

6. Tiếp tục xử lý với bước 2 ở trên

Ví dụ - Máy chủ ECHO đơn tiến trình

/* TCPmechod.c - main, TCPechod */

/* include header files here */

#define QLEN 5 /*max connection queue length */

#define BUFSIZE 4096

extern int errno;

int echo (int fd) /*echo data until end of file */

int errexit (const char *format, …);

int passiveTCP (const char *service, int qlen);

/* main- concurrent TCP server for ECHO service */

int main(int argc, *argv[])

{

char *service = “echo”; /*service name or port number */

struct sockaddr_in fsin; /* the from address of a client */

int alen; /* length of a client’s address */

int msock; /* master server socket */

fd_set rfds; /* read file descriptor set */

fd_set afsd; /* active file descriptor set */

int fd;

/* check arguments - not detailed here*/

msock = passiveTCP (service, QLEN);

FD_ZERO (&afds);

FD_SET (msock, &afds);

while(1) {

memcpy(&rfds, &afds, sizeof(rfds));

if ( select (FD_SETSIZE, &rfds, (fd_set *) 0,

(fd_set *) 0, (struct timeval *) 0) < 0)

errexit (“select: %s\n”, strerror(errno));

if ( FD_ISSET (msock, &rfds)) {

int ssock;

alen = sizeof (fsin);

ssock = accept(msock,(struct sockaddr *)&fsin,

&alen);

if ( ssock < 0)

errexit (“accept: %s\n, strerror (errno)); FD_SET (ssock, &afds);

}

/* Echo - echo one buffer of data, returning byte count */

int echo (int fd)

errexit(“echo read: %s\n”, strerror(errno));

if (cc && write(fd, buf, cc) < 0 )

errexit (“echo write: %s\n”, strerror(errno));

return cc;

}

Vấn đề của xử lý đồng thời, đơn tiến trình

 Xử lý đồng thời nhiều kết nối …

nhưng xử lý tuần tự các yêu cầu

=> Denial Of Service