ITKP104 Tietoverkot - Ohjelmointityö (1 op)

Ohje Keväälle 2016

Esitehtävät

Ennen tämän sivun harjoitusten aloittamista kannattaa tutustua TIM-järjestelmässä oleviin tehtäviin, joissa tutustutaan soketin käyttöön. Tehtävistä on mahdollista saada lisäpisteitä ITKP104 Tietoverkot kurssin suoritukseen.

Tiedonsiirron toteuttaminen soketeilla

Tehtävät

Videot on siirretty TIM-järjestelmään.

https://tim.jyu.fi/view/kurssit/tie/itkp104/materiaalia/videosivu

Tehtävien alle linkitetyt videot ei enää toimi.

~~Apuja tehtävien tekoon löytyy ohjevideoista, jotka löytyvät tehtävien alta tai voit katsoa kaikki ohjevideot yhdellä sivulla.~~ Ohjevideot on tehty kevään 2014 kurssille, mutta soveltuvat myös uudemmille kursseille. Ohjevideot on tehty C#-ohjelmointikielellä Windows ympäristössä.

Verkko-ohjelmointia pythonilla tai muita lähteitä eri ohjelmointikielille voi käyttää vapaasti apuna.

Harjoitus 1 - HTTP asiakas, TCP palvelin ja TCP asiakas
Tavoitteena harjoitella ensin tutun protokollan (HTTP) avulla TCP soketin käyttöä. Sen jälkeen tehdään itse TCP kaiku-palvelin ja kaiku-asiakas.
1. (2p) Toteuta yksinkertainen HTTP asiakas, joka hakee Työkaluista löytyvältä testipalvelimelta oletus HTML sivun ja tulostaa sen näyttöön (konsoliin). Eli HTTP protokollan viestejä ja otsikkokenttiä ei tulosteta. Vaihtoehtoisesti voit testipalvelimen sivun sijaan käyttää esim. itse toteuttamaasi Internetissä sijaitsevaa www-sivua. Jos sivusi sijaitsee salatulla palvelimella, katso mallia esitehtävien piilotetusta koodista. Jos HTML sivulla on javascriptiä tai css:ää, ne saa tulostaa näyttöön.
2. (1p) Toteuta TCP palvelin joka kaiuttaa asiakkaan lähettämän tekstin takaisin, sillä muutoksella että palvelin lisää tekstin eteen nimen (laita oma nimesi) joka on erotettu ; -merkillä kaiutettavasta tekstistä. Vinkeissä muutama esimerkki.
3. (1p) Toteuta TCP asiakas joka lähettää yhden teksti string:in palvelimelle ja joka vastaanottaa palvelimen kaiuttaman viestin sekä osaa erottaa nimen ja tekstin toisistaan ja tulostaa ne erillisenä näyttöön.
Videon koko: Videon nopeus: Autoplay:

Ohjevideot Näytä video
- HTTP Palvelimen testaaminen TCP asiakkaalla (0:05:19) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- HTTP Asiakkaan toteuttaminen (Lähetys) (0:06:26) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- HTTP Asiakkaan toteuttaminen (Vastaanotto) (0:06:16) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- HTTP Asiakkaan toteuttaminen (Vastaanotto silmukassa) (0:04:51) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- TCP Palvelimen toteutus kuunteluun asti (0:08:57) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- TCP Palvelimen asiakkaiden hyväksyminen ja stream:ien käyttö (0:08:25) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- TCP Palvelimella datan vastaanotto ja lähetys (0:08:01) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Käytä Flush() kun lähetät WriteLine:lla! Asiakkaiden jonotus palvelimeen (0:04:27) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
Vinkkejä tehtäviin
asiakas lähettää: moikka palvelin lähettää: Arin palvelin;moikka asiakas tulostaa esim. kuten alla: palvelin: Arin palvelin teksti: moikka (toinen esimerkki - tehtävän palautukseen riittää se että sekä palvelin että asiakas käsittelevät yhden viestin) asiakas lähettää: Hello World palvelin lähettää: Arin palvelin;Hello World asiakas tulostaa esim. kuten alla: palvelin: Arin palvelin teksti: Hello World - C#:ssa löytyy myös apuluokat TcpClient, TcpListener ja UdpClient, jotka helpottavat sokettien käyttöä, myös niitä voi käyttää. Huom: UDPClient luokan Connect() metodi ei luo yhteyttä, vaan kiinittää sokettiin IP:n ja porttinumeron jota UDP soketti tulee sen jälkeen käyttämään (eli ei tarvitse lähettäessä aina määrittää vastaanottajaa erikseen). Tämä järkevää jos soketilla keskustellaan vain yhden kohteen kanssa (ei siis ole järkevää käyttää palvelimella). - Palvelimen lähettämästä HTTP viestistä pitää siis selvittää HTML sivu, joka löytyy kahden rivinvaihdon (tyhjän rivin) jälkeen, C#:ssa esim. Console.Write(rec_string.Substring(rec_string.IndexOf("\r\n\r\n"))); - Huom: aina pitää varmistua että luet kaiken mitä toinen osapuoli on lähettänyt. Ratkaisuna on sovelluskerroksen protokollalla määrittää ja selvittää lähetetty datan määrä (esim. HTTP:n Content-Length: otsikko, tai SMTP:ssä rivinvaihto). Jos ei ole tietoa datan määrästä niin luetaan sokettia niin kauan kunnes toinen osapuoli sulkee sen (esim. HTTP palvelin pitää persistent muodossa soketin auki noin minuutin tai pari ja siitä tulee viivettä) - Tai sitten voidaan sanoa palvelimelle että sulje yhteys, kun sivu on lähetetty, esim. lähettämällä Connection: Close otsikon "GET / HTTP/1.1\r\nHost: localhost\r\nConnection: Close\r\n\r\n" String rec_string = ""; Boolean on = true; while (on) { try { byte[] rec = new byte[1024]; int bytes_received = sock.Receive(rec); Console.Write("Bytes received: " + bytes_received + Environment.NewLine); if (bytes_received > 0) { rec_string = rec_string + Encoding.ASCII.GetString(rec, 0, bytes_received); } else break; // vastaanotettiin 0 tavua, tarkoittaa sitä että soketti on suljettu } catch { Console.WriteLine("Virhe..."); Console.ReadKey(); return; } } Console.Write(rec_string.Substring(rec_string.IndexOf("\r\n\r\n")));
Harjoitus 2 - SMTP asiakas
Vähän monimutkaisempi protokolla, useampia viestejä, tutkitaan tarkemmin palvelimen vastauksia. Testaus Työkaluista löytyvän SMTP testipalvelimen kanssa.
1. (2p) Toteuta yksinkertainen SMTP asiakas, joka osaa kommunikoida SMTP palvelimen kanssa HELO ja QUIT komennoilla (siis osaa myös tulkita vastaukset)
2. (2p) Lisää yksinkertaiseen SMTP asiakaaseen MAIL FROM, RCPT TO sekä DATA komentojen toteutus ja SMTP palvelimen vastausten tulkinta. Tehtävät saa palauttaa samassa tiedostossa.
Videon koko: Videon nopeus: Autoplay:

Ohjevideot Näytä video
- SMTP protokollan toiminta (0:06:30) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- SMTP protokollan asiakkaan tilakone (0:14:05) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Tilakoneen toteutus C#:lla (0:08:39) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Tilojen lisääminen (0:10:20) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Testaus ja yhden tilan korjaus (0:04:10) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- videoilla piirretty SMTP asiakkaan tilakone
Vinkkejä tehtäviin
Palvelimen tilakone SMTPServer.svg saattaa auttaa hahmottamaan asiakkaan toimintaa. - Testaa toimintaa Työkaluista löytyvällä testipalvelimella. Jos saat palvelimen tulostamaan sähköpostisi näyttöön ja käytät olemassaolevia sähköpostiosoitteita, sovelluksesi tulisi toimia myös oikean sähköpostipalvelimen kanssa. - Tehtävässä ei saa käyttää C#:n System.Net.Mail:ia (tai muiden kielten vastaavia kirjastoja). Sillä saa toki helposti hoidettua SMTP protokollan toteutuksen (ja myös salatun yhteyden) mutta tehtävän tarkoitus on itse oppia kommunikoidaan SMTP protokollalla tulkiten palvelimen vastauksia. Tämä sen takia että myöhemmin peliprotokolla voidaan toteuttaa samalla periaatteella. - SMTP:ssä palvelin lähettää ensimmäisen viestin (220 etc...), ei asiakas kuten yleensä (asiakas kuitenkin on se joka avaa TCP yhteyden). - "else if" rakenteen voi korvata "switch-case" rakenteella esim C#:ssa ja jos on Java 7 tai uudempi. Vanhemmissa Java versioissa "switch-case" ehtona ei voi käyttää String tyyppistä muuttujaa. - Nyt kun protokolla perustuu rivinvaihdolla erotettuihin tekstipohjaisiin komentoihin, niin voi käyttää esim. C#:ssa NetworkStream ns = new NetworkStream(socket); StreamReader sr = new StreamReader(ns); StreamWriter sw = new StreamWriter(ns); lukijoita, joista löytyy ReadLine() ja WriteLine() metodit. - Salauksen toteuttaminen C#:lla (niille jotka haluavat kokeilla) Eli Lukijat kiinnitetään sslstream:iin joka on kiinnitetty Networkstream:iin NetworkStream ns = new NetworkStream(socket); SslStream sslStream = new SslStream( ns, false, new RemoteCertificateValidationCallback(ValidateServerCertificate), null ); try { sslStream.AuthenticateAsClient(""); } catch (AuthenticationException ae) { //... } StreamReader sr = new StreamReader(sslStream); StreamWriter sw = new StreamWriter(sslStream); Tämä tarvitsee aliohjelman (joka hyväksyy kaikki sertifikaatit riippumatta siitä onko niitä validioitu) public static bool ValidateServerCertificate( object sender, X509Certificate certificate, X509Chain chain, SslPolicyErrors sslPolicyErrors) { // Accept all return true; } Ja lisäksi seuraavat using System.Net.Security; using System.Security.Authentication; using System.Security.Cryptography.X509Certificates;
Harjoitus 3 - UDP Chat asiakas ja palvelin
Voit testata asiakkastasi Työkaluista löytyvän UDP chat palvelimen kanssa.
1. (2p) Toteuta UDP palvelin joka kaiuttaa asiakkaan lähettämän tekstin kaikille asiakkaille jotka ovat palvelimelle paketin lähettäneet ennen ko. asiakasta. Viestin muoto on Lähettäjän nimi;teksti
2. (2p) Toteuta asiakas joka osaa lähettää ainakin yhden viestin palvelimelle ja sitten vastaanottaa palvelimelta useampia viestejä, joista erottaa nimen ja tekstin toisistaan ja tulostaa ne erillisenä näyttöön. Esim: Ari: Moikka
Videon koko: Videon nopeus: Autoplay:

Ohjevideot Näytä video
- UDP Chat palvelimen toiminta (0:04:56) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- UDP Chat palvelimen toteutus C#:lla... (0:08:07) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- ...Loput palvelimen toteutuksesta (0:16:37) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- UDP Chat Asiakkaan toteutus C#:lla... (0:05:47) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- ... loput asiakkaan toteutuksesta (0:05:01) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Valmiin asiakkaan ja palvelimen demoaminen (0:01:34) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
Vinkkejä tehtäviin
- Kun haluat ajaa itse toteuttamasi palvelinta ja asiakasta (tai useampaa asiakasta) samaan aikaan niin voit ajaa exe tiedoston tiedostonhallinnan (tai komentokehotteen) kautta. - Se exe tiedosto löytyy ao. esimerkin mukaisesta Debug kansioista C:\Users\arjuvi\Documents\Visual Studio 2010\Projects\UDPChatServer\UDPChatServer\bin\Debug Eli kun minulla on projekti UDPChatServer niin tuollaisen polun takaa löytyy UDPChatServer.exe tiedosto - Palvelimeen kannattaa toteuttaa lista asiakkaiden osoitteista - Asiakkaaseen esim. silmukka { Lue konsolilta rivinvaihtoon asti Jos tyhjä rivi { ei lähetetä } else { lähetetään } (ikuinen) silmukka { // pois jos käyttäjä painanut jotain näppäintä try { luetaan sokettia // (esim. 2 sekunttia, set socket timeout) } catch{ //napataan timeout exception (mutta ei tehdä mitään catch:in sisällä) } tulosta näyttöön } // end ikuinen silmukka }
Harjoitus 4 - Peliprotokollan asiakas
Toteuta peliprotokollaa käyttävä asiakas. Protokollan asiakkaan ja palvelimen käyttämät viestit ja kehysrakenne löytyvät alta. Voit halutessasi myös toteuttaa oman pelin tai tässä ohjeessa olevasta muokatun pelin tai protokollan. Pelin toiminnan kuvaus: Kyseessä on numeronarvaus peli, kun kaksi pelaajaa liittyy palvelimeen, niin palvelin arpoo satunnaisen numeron, jota pelaajat yrittävät omalla vuorollaan arvata. Protokollasta puuttuu esim. se että palvelin kertoo pelaajille miltä väliltä numero on arvottu (esimerkkipalvelimessa sen voi asettaa ja näkee graafisesta käyttöliittymästä). Katso myös palvelimen toteutusta asiakasta tehdessäsi ja varsinkin palvelimen vinkeistä löytyvää Esimerkkiä protokollan normaalista toiminnasta
1. (4p) Asiakkaan tilakoneen JOIN tilan toteutus
2. (4p) Asiakkaan tilakoneen GAME tilan toteutus
Videon koko: Videon nopeus: Autoplay:

Ohjevideot Näytä video
- Peliprotokollan viestit ja kehysrakenne (0:07:54) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Esimerkki peliprotokollan toiminnasta (0:08:55) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Peliprotokollan toiminta ja tilakoneet (0:11:47) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Peliprotokollan Asiakkaan tilakone C#:lla (0:10:42) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Asiakkaan JOIN tilan toteutus C#:lla (0:08:11) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
Protokollan kehysrakenne ja viestit
- Protokollan kehysrakenne
  - Vuoden 2016 malliesimerkissä kehysrakenteessa on kaksi kenttää: |Viesti|Arvo|
  - Kentät erotetaan toisistaan esim. välilyönnillä tai ; -merkillä
- Protokollan viestit: JOIN, DATA, ACK, QUIT
  - JOIN - liitytään peliin - Arvo = Pelaajan nimi
  - DATA - pelin tapahtumiin liittyvää dataa - Arvo = arvattava numero (asiakkaalta palvelimelle, sekä palvelimen välittämä pelaajan arvaus vastustajalle)
  - ACK - kuitataan kaikki muut paitsi ACK viestit - Arvo = status koodi ilmaisee tarkemmin minkälainen kuittaus (Statuskoodin jälkeen voi olla välilyönnillä erotettuna tekstiä, joka siis sisältyy Arvo -kenttään)
  - QUIT - lopetetaan peli - Arvo = 501 (sinä voitit) tai 502 (vastustaja voitti)
  - Esimerkkejä ACK-viestin statuskoodeista joita voit käyttää (luennoitsijan esimerkkipalvelimessa voi olla myös muita)
    
    201 JOIN ok, odotetaan toista pelaajaa
    
    202 [vastustajan nimi], 2 pelaajaa liittynyt, saat aloittaa
    
    203 [aloittajan nimi], 2 pelaajaa liittynyt, vastustaja aloittaa
    
    300 DATA OK, lähetetään kun vastaanotetaan DATA viesti
    
    4xx Mikä tahansa protokollan tai pelin toiminnallinen virhe, (Minimissään yksi pitää olla, alla esimerkkipalvelimeen toteutettuja)
    
    400 Määrittelemätön virhe
    
    401 JOIN ei jostain syystä onnistu
    
    402 Väärä vuoro
    
    403 ACK viesti virheellinen
    
    404 Väärä kehysrakenne
    
    407 Arvaus ei ollut numero
    
    500 QUIT OK, lähetetään kun vastaanotetaan QUIT viesti
Asiakkaan tilakone

Vinkkejä tehtäviin
- Toteutus kannattaa tehdä 'switch-case' tai 'if-else if' rakenteella. - Switch - case :ssä ei voi käyttää String.StartsWith metodia (jos haluaa status koodin kentän palat[2] alusta, mutta saman voi tehdä esim. switch(palat[2].Substring(0, Math.Min(3, palat[2].Length))) case "201": // break; // etc... - Jos pelissä käyttää taulukkoa jossa pelaajat ovat alkioissa 0 ja 1 niin tarkasteltaessa pelaajia esim. for silmukassa, voi toiseen pelaajaan viitata seuraavalla riippumatta onko indeksin arvo 0 tai 1. /** * Vaihdetaan vuorossa olevaa pelaajaa * @param int i - Pelaajan indeksi vaidetaan vastakkaiseksi (2 pelaajaa: 0 -> 1 tai 1 -> 0) */ int Flip(int i){ return 1 - i; }
Harjoitus 5 - Peliprotokollan palvelin
Toteuta peliprotokollaa käyttävä palvelin. Alla tilakone, sekä esimerkkikommunikaatio asiakkaiden ja palvelimen välillä.
1. (4p) Palvelimen WAIT ja END tilojen toteutus.
2. (4p) Palvelimen loppujen tilojen toteutus.
3. (4p) Palvelimen looginen toiminta (pelaajan vuoron ylläpito) ja useiden eri virheviestien toteutus.
Videon koko: Videon nopeus: Autoplay:

Ohjevideot Näytä video
- Peliprotokollan palvelimen tilakoneen alustus C#:lla (0:06:56) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- Palvelimen WAIT tilan toteutus C#:lla (0:14:20) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
- C#:lla toteutettujen palvelimen ja asiakkaan toiminnan demoaminen (0:02:35) Katso tällä sivulla tai moniviestimessä
Esimerkki protokollan normaalista toiminnasta
(Palvelin kuuntelee sokettia ja odottaa pelaajia - WAIT - Tila) A1: JOIN A1 P->A1: ACK 201 A2: JOIN A2 P->A1: ACK 202 A2 P->A2: ACK 203 A1 (Palvelin arpoo A1 aloittajaksi ja siirtyy uuteen tilaan - GAME - Tila) A1: DATA 3 P->A1: ACK 300 DATA OK (palvelin kuittaa vastaanotetun datan pelaajalle A1) P->A2: DATA 3 (palvelin välittää A1:n datan pelaajalle A2) A2: ACK 300 (Esimerkkipalvelin on tilassa - WAIT_ACK - tätä viestiä odottaessa, sitten -> GAME tilaan) A2: DATA 4 (A2 lähettää oman arvauksensa) P->A2: ACK 300 DATA OK P->A1: DATA 4 (A2:n data välitetään tiedoksi pelaajalle A1) ... (peli loppuu (pelaaja 2 voitti) palvelin siirtyy - END - tilaan) P->A1: QUIT 502 P->A2: QUIT 501 A1: ACK 500 (Palvelin odottaa kuittaukset QUIT viestiin molemmilta pelaajilta) A2: ACK 500 (palvelin CLOSED tilaan)
Palvelimen tilakone

Takaisin