Программирование на языке Ruby - Хэл Фултон

Наконец, мы бегло рассмотрели сайт RubyForge и архив приложений Ruby (RAA), которые позволяют оповещать о созданном программном обеспечении и распространять его. В следующей главе мы снова переключим передачу и поговорим об интересной и сложной предметной области: программировании для сетей и, в частности, Web.

Глава 18. Сетевое программирование

Если торговец в разговоре с вами произносит слово «сеть», скорее всего, он желает всучить свою визитную карточку. Но в устах программиста это слово обозначает электронное взаимодействие физически удаленных машин — неважно, находятся они в разных углах комнаты, в разных районах города или в разных частях света.

Для программистов сеть чаще всего ассоциируется с набором протоколов TCP/IP — тем языком, на котором неслышно беседуют миллионы машин, подключенных к сети Интернет. Несколько слов об этом наборе, перед тем как мы перейдем к конкретным примерам.

Концептуально сетевое взаимодействие принято представлять в виде различных уровней (или слоев) абстракции. Самый нижний — канальный уровень, на котором происходит аппаратное взаимодействие; о нем мы говорить не будем. Сразу над ним расположен сетевой уровень, который отвечает за перемещение пакетов в сети — это епархия протокола IP (Internet Protocol). Еще выше находится транспортный уровень, на котором расположились протоколы TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). Далее мы видим прикладной уровень — это мир telnet, FTP, протоколов электронной почти и т.д.

Можно обмениваться данными непосредственно по протоколу IP, но обычно так не поступают. Чаще нас интересуют протоколы TCP и UDP.

Протокол TCP обеспечивает надежную связь между двумя компьютерами (хостами). Он упаковывает данные в пакеты и распаковывает их, подтверждает получение пакетов, управляет тайм-аутами и т.д. Поскольку протокол надежный, приложению нет нужды беспокоиться о том, получил ли удаленный хост посланные ему данные.

Протокол UDP гораздо проще: он отправляет пакеты (датаграммы) удаленному хосту, как будто это двоичные почтовые открытки. Нет никакой гарантии, что данные будут получены, поэтому протокол называется ненадежным (а, следовательно, приложению придется озаботиться дополнительными деталями).

Ruby поддерживает сетевое программирование на низком уровне (главным образом по протоколам TCP и UDP), а также и на более высоких, в том числе по протоколам telnet, FTP, SMTP и т.д.

На рис. 18.1 представлена иерархия классов, из которой видно, как организована поддержка сетевого программирования в Ruby. Показаны классы HTTP и некоторые другие столь же высокого уровня; кое-что для краткости опущено.

Рис. 18.1. Часть иерархии наследования для поддержки сетевого программирования в Ruby

Отметим, что большая часть этих классов прямо или косвенно наследует классу IO. Следовательно, мы может пользоваться уже знакомыми методами данного класса.

Попытка документировать все функции всех показанных классов завела бы нас далеко за рамки этой книги. Я лишь покажу, как можно применять их к решению конкретных задач, сопровождая примеры краткими пояснениями. Полный перечень всех методов вы можете найти к справочном руководстве на сайте ruby-doc.org.

Ряд важных областей применения в данной главе вообще не рассматривается, поэтому сразу упомянем о них. Класс Net::Telnet упоминается только в связи с NTP-серверами в разделе 18.2.2; этот класс может быть полезен не только для реализации собственного telnet-клиента, но и для автоматизации всех задач, поддерживающих интерфейс по протоколу telnet.

Библиотека Net::FTP также не рассматривается. В общем случае автоматизировать обмен по протоколу FTP несложно и с помощью уже имеющихся клиентов, так что необходимость в этом классе возникает реже, чем в прочих.

Класс Net::Protocol, являющийся родительским для классов HTTP, POP3 и SMTP полезен скорее для разработки новых сетевых протоколов, но эта тема в данной книге не обсуждается.

На этом завершим краткий обзор и приступим к рассмотрению низкоуровневого сетевого программирования.

18.1. Сетевые серверы

Жизнь сервера проходит в ожидании входных сообщений и ответах на них.

Не исключено, что для формирования ответа требуется серьезная обработка, например обращение к базе данных, но с точки зрения сетевого взаимодействия сервер просто принимает запросы и отправляет ответы.

Но даже это можно организовать разными способами. Сервер может в каждый момент времени обслуживать только один запрос или иметь несколько потоков. Первый подход проще реализовать, зато у второго есть преимущества, когда много клиентов одновременно обращается с запросами.

Можно представить себе сервер, единственное назначение которого состоит в том, чтобы облегчить общение между клиентами. Классические примеры — чат-серверы, игровые серверы и файлообменные сети.

18.1.1. Простой сервер: время дня

Рассмотрим самый простой сервер, который вы только способны представить. Пусть некоторая машина располагает такими точными часами, что ее можно использовать в качестве стандарта времени. Такие серверы, конечно, существуют, но взаимодействуют не по тому тривиальному протоколу, который мы обсудим ниже. (В разделе 18.2.2 приведен пример обращения к подобному серверу по протоколу telnet.)

В нашем примере все запросы обслуживаются в порядке поступления однопоточным сервером. Когда приходит запрос от клиента, мы возвращаем строку, содержащую текущее время. Ниже приведен код сервера:

require "socket"

PORT = 12321

HOST = ARGV[0] || 'localhost'

server = UDPSocket.open # Применяется протокол UDP...

server.bind nil, PORT

loop do

 text, sender = server.recvfrom(1)

 server.send(Time.new.to_s + "n", 0, sender[3], sender[1])

end

А это код клиента:

require "socket"

require "timeout"

PORT = 12321

HOST = ARGV[0] || 'localhost'

socket = UDPSocket.new

socket.connect(HOST, PORT)

socket.send("", 0)

timeout(10) do

 time = socket.gets

 puts time

end

Чтобы сделать запрос, клиент посылает пустой пакет. Поскольку протокол UDP ненадежен, то, не получив ответа в течение некоторого времени, мы завершаем работу по тайм-ауту.

В следующем примере такой же сервер реализован на базе протокола TCP. Он прослушивает порт 12321; запросы к этому порту можно посылать с помощью программы telnet (или клиента, код которого приведен ниже).

require "socket"

PORT = 12321

server = TCPServer.new(PORT)

while (session = server.accept)

 session.puts Time.new

 session.close

end

Обратите внимание, как просто использовать класс TCPServer. Вот TCP-версия клиента:

require "socket"

PORT = 12321

HOST = ARGV[0] || "localhost"

session = TCPSocket.new(HOST, PORT)

time = session.gets

session.close

puts time

18.1.2. Реализация многопоточного сервера

Некоторые серверы должны обслуживать очень интенсивный поток запросов. В таком случае эффективнее обрабатывать каждый запрос в отдельном потоке.

Ниже показана реализация сервера текущего времени, с которым мы познакомились в предыдущем разделе. Он работает по протоколу TCP и создает новый поток для каждого запроса.

require "socket"

PORT = 12321

server = TCPServer.new(PORT)

while (session = server.accept)

 Thread.new(session) do |my_session|

  my_session.puts Time.new

  my_session.close

 end

end

Многопоточность позволяет достичь высокого параллелизма. Вызывать метод join не нужно, поскольку сервер исполняет бесконечный цикл, пока его не остановят вручную.

Код клиента, конечно, остался тем же самым. С точки зрения клиента, поведение сервера не изменилось (разве что он стал более надежным).

18.1.3. Пример: сервер для игры в шахматы по сети

Не всегда нашей конечной целью является взаимодействие с самим сервером. Иногда сервер — всего лишь средство для соединения клиентов друг с другом. В качестве примера можно привести файлообменные сети, столь популярные в 2001 году. Другой пример — серверы для мгновенной передачи сообщений, например ICQ, и разного рода игровые серверы.

Давайте напишем скелет шахматного сервера. Мы не имеем в виду программу, которая будет играть в шахматы с клиентом. Нет, наша задача — связать клиентов так, чтобы они могли затем играть без вмешательства сервера.

Предупреждаю, что ради простоты показанная ниже программа ничего не знает о шахматах. Логика игры просто заглушена, чтобы можно было сосредоточиться на сетевых аспектах.