Programmierung von TCP- und UDP-Anwendungen

Zusammenfassung

Viele Kommunikationsanwendungen werden heute auf Basis der Socket API entwickelt. Höhere Kommunikationsmechanismen wie Remote Procedure Call (RPC), Remote Method Invocation (RMI) oder Message Passing nutzen ebenfalls überwiegend die Socket API, die ursprünglich nur in der Programmiersprache C implementiert war, heute aber in allen gängigen Programmiersprachen zur Verfügung steht. In Java gibt es eine komfortable Nutzungsmöglichkeit, die es gestattet, ganze Java-Objekte als Nachricht zu übertragen. Das Java-Laufzeitsystem übernimmt auch die Serialisierung und Deserialisierung der Objekte bei TCP-Sockets. Ebenso können Datagramm-Sockets und Multicast-Sockets auf Basis von UDP genutzt werden. Serveranwendungen, die sehr viele Anfragen von Clients pro Zeiteinheit bearbeiten müssen, können diese Anfragen nicht seriell in einem Thread bearbeiten, sondern implementieren in der Regel Multithreading, wobei es mehrere Varianten gibt. Entweder wird jedem Client serverseitig ein eigener Workerthread zugewiesen, oder es werden einzelne Client-Requests zur Bearbeitung an Workerthreads übergeben. Für Hochleistungsanwendungen ist die feingranulare Zuordnung eines Client-Requests an einen Workerthread effizienter. Die Threads werden in einem Threadpool verwaltet, und ankommende Requests werden freien Threads zugeordnet. Damit ein Server hier effizient arbeiten kann, werden häufig über der Socket API liegende Frameworks bzw. APIs wie nio und netty verwendet, die auch ein effizientes, nicht blockierendes Warten auf ankommende Requests ermöglichen. Dies erfolgt unter Zuhilfenahme der speziellen Systemfunktion select, mit der die Programmierung eines zentralen Ereigniswartepunktes für viele Ereignisquellen wie TCP-Verbindungen realisiert werden kann. Im Folgenden wird die Programmierung von socketbasierten Anwendungen erläutert. Insbesondere wird die Socket API in Java besprochen. Programmierhilfen für einfachere Anwendungen auf Basis von TCP- und UDP-Sockets werden aufgezeigt, ein einfaches Framework zur Erleichterung der Programmierung wird vorgestellt, und die Programmierung von Servern für sehr leistungsstarke Anwendungen wird andiskutiert.

Auf die Entwicklung von QUIC-basierten Anwendungen wird in Ermangelung einer Standard-API nicht weiter eingegangen. Es besteht noch Hoffnung, dass eine API, mit der portierbare Anwendungen beispielsweise in Java auf Basis eines Standards ähnlich wie die TCP-Sockets auch in QUIC programmiert werden können; eine Aussage der Internet-Community hierzu (August 2023) gibt es aber nicht.

Zusammenfassung

Viele Kommunikationsanwendungen werden heute auf Basis der Socket API entwickelt. Höhere Kommunikationsmechanismen wie Remote Procedure Call (RPC), Remote Method Invocation (RMI) oder Message Passing nutzen ebenfalls überwiegend die Socket API. In Java besteht eine komfortable Nutzungsmöglichkeit, die es gestattet, ganze Java-Objekte als Nachricht zu übertragen. Das Java-Laufzeitsystem übernimmt auch die Serialisierung und Deserialisierung der Objekte bei TCP-Sockets. Ebenso können Datagramm-Sockets und Multicast-Sockets auf Basis von UDP genutzt werden. In diesem Kapitel wird insbesondere die Programmierung von Anwendung mit Java-Sockets besprochen. Programmierhilfen für einfachere Anwendungen werden aufgezeigt, ein einfaches Framework zur Erleichterung der Socket-Programmierung wird vorgestellt und die Entwicklung von Servern für leistungsstarke Anwendungen wird diskutiert. Auf die Entwicklung von QUIC-basierten Anwendungen wird in Ermangelung einer Standard-API nicht weiter eingegangen.

7.1 Elektronisches Zusatzmaterial

Übungsaufgaben und Lösungen_Kapitel 7 (PDF 136 kb)