Internet Mrežno Programiranje

Tema 03: Internet Mrežno Programiranje

• Mrežno programiranje se odnosi na korišćenje mrežnih protokola i aplikativnih interfejsa za komunikaciju između udaljenih procesa.
• Komunikacija između udaljenih procesa zahteva korišćenje mrežnih protokola i fizičke infrastrukture.
• Termin, „Mrežno programiranje (socket programming)“ se svodi na izbor odgovarajuće softverske arhitekture i razvoj protokola na sloju aplikacije, uz korišćenje usluga povezivanja operativnih sistema.
• Termin „Veb programiranje“ omogućava korišćenje već postojećih protokola na sloju aplikacije (HTTP, HTTPS, SOAP).
• SOAP je protokol za razmenu strukturiranih informacija, koji se koristi u implementaciji Veb servisa u računarskim mrežama.

Mrežni Aplikativni Interfejs (Socket API)

• Aplikacije koriste poseban aplikativni interfejs (API), poznat kao socket API, za međusobnu komunikaciju putem Interneta.
• Većina operativnih sistema kao što su Microsoft Windows, Apple OS-X, Android, UNIX i Linux podržava socket API.
• Kada aplikacija kreira soket (utičnicu), operativni sistem vraća celobrojni deskriptor, koji se koristi kao referenca na soket.
• Aplikativni interfejs se sastoji od većeg broja funkcija s malim brojem parametara, koje su namenjene klijentu (connect), serveru (accept, bind, listen, itd.) ili su zajedničke (close, recv, send, socket itd.).
• netstat je OS komanda koja daje listu svih soketa.

Nastanak Utičnica (Sockets)

• Utičnice (sockets) su aplikativni programski interfejs (API) nastao 1971. godine tokom razvoja mreže ARPANET.
• Korišćen je u operativnom sistemu BSD Unix (1983) pod imenom Berkeley sockets.
• Razvojem Interneta i Veba devedesetih, razvilo se i Internet programiranje, te su korisničke mrežne aplikacije počele koristiti utičnice.
• Osnovni protokoli koje koristi socket API nastavili su razvoj, kreirani su i novi protokoli, ali je API niskog nivoa ostao nepromenjen.
• Najčešći tip socket aplikacija su klijent-server aplikacije, gde jedna strana deluje kao server i čeka na konekcije od strane klijenata (npr. Veb serveri, aplikacije za ćaskanje, klijenti e-pošte).

Aplikativni Interfejs Mrežnog Programiranja u Pythonu

• Standardna biblioteka Pythona sadrži module za rad sa serverima i Internet protokolima visokog nivoa (HTTP, SMTP), kao i modul socket za mrežno programiranje niskog nivoa.
• Osnovni metodi modula socket su:
  • socket(): kreiranje utičnice.
  • bind(): povezivanje utičnice i porta.
  • listen(): osluškivanje konekcije sa klijenta.
  • accept(): prihvatanje konekcije sa klijenta.
  • connect(): konekcija (preko novog porta, koji kreira kernel).
  • connect_ex(): konekcija (u slučaju greške vraća status umesto izuzetaka).
  • send(): slanje podataka.
  • recv(): prijem podataka.
  • close(): zatvaranje konekcije i oslobađanje porta.

Softverske Arhitekture

• Arhitektura sistema predstavlja osnovnu organizaciju sistema, uključujući komponente, relacije, okruženje i principe dizajna i razvoja.
• Softverske arhitekture definišu način organizovanja funkcija softvera za distribuiranu obradu podataka.
• Postoje različite softverske arhitekture:
  • Centralizovana arhitektura (host based, mainframe).
  • Klijent-server arhitektura (client-server).
  • Arhitektura ravnopravnih članova (peer-to-peer).
  • Servisno orijentisana arhitektura (service-oriented).
  • Arhitektura bez servera (serverless), arhitektura mikroservisa (microservices).

Pregled Softverskih Arhitektura

• Ključne arhitekture uključuju:
  • Centralizovanu (host based).
  • Klijent-server (CS).
  • Arhitekturu ravnopravnih članova (peer-to-peer).
  • Servisno orijentisanu (SOA).
  • Arhitekturu bez servera (serverless).

Centralizovana Arhitektura (Host Based)

• Centralni (mainframe) računari i na njih priključeni terminali.
• Celokupnu obradu izvršava centralni računar, a terminali su interfejs ka krajnjim korisnicima.
• Elementi ove arhitekture se ponovo javljaju kroz Veb aplikacije i računarstvo u oblaku (cloud computing).

Klijent-Server Arhitektura

• To je popularna softverska arhitektura.
• Predstavlja korak dalje od centralizovane arhitekture ka obradi podataka na klijentima, uz određenu centralizovanu obradu na serveru.

Klijent-Server Arhitektura Detaljnije

• Realizacija aplikacija podrazumeva postojanje uparenih softverskih komponenti: klijentske i serverske.
• Server se rasterećuje izmeštanjem određenih funkcija na klijente, ali zadržava mogućnost centralizovanja određenih funkcija za potrebe bezbednosti i stabilnosti.

Arhitektura Ravnopravnih Članova (Peer-to-Peer)

• Najviši nivo autonomije u distribuiranoj obradi.
• Nema hijerarhije članova; svi obavljaju lokalnu obradu podataka.
• Članovi se mogu obratiti drugim članovima za funkcije i resurse koji im nisu lokalno dostupni.
• Nedostatak je otežana administracija i kontrola članova.

Administracija i Upravljanje Članovima Mreže Ravnopravnih Učesnika

• Nedostatak ove arhitekture je adresiranje članova, jer svi članovi mreže moraju raspolagati adresama ostalih članova.
• Postoje varijante ove arhitekture:
  • Decentralizovana: svi članovi direktno komuniciraju, bez centralnog registra.
  • Centralizovana: postoji centralni registar članova, ali članovi mreže direktno razmenjuju podatke.
  • Hibridna: koristi se u mrežama sa velikim brojem čvorova, gde više računara vodi evidenciju članova (tzv. "super čvorovi"), zavisno od udaljenosti pojedinih čvorova.

Servisno Orijentisana Arhitektura (SOA)

• SOA predstavlja savremeni pristup distribuiranom računarstvu.
• Aplikacije se sastavljaju (eng. assembly) od dobro definisanih i testiranih komponenti, poznatih kao Veb servisi.
• Za komunikaciju na aplikativnom nivou koriste se otvoreni standardi zasnovani na XML, poput protokola SOAP (Simple Object Access Protocol).
• SOA omogućava korišćenje softverskih funkcija na drugim računarima putem računarske mreže.
• Nezavisnost servisa olakšava razvoj i održavanje informacionih sistema, a osnovni principi su nezavisni od proizvođača, proizvoda i tehnologija.

Arhitektura Bez Servera (Serverless)

• Aplikacije se i dalje izvršavaju na serverima, ali upravljanje serverima vrši sistem nezavisnih provajdera infrastrukturnih servisa (npr. Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure i Google Cloud Platform).
• Arhitektura bez servera omogućava razvoj i izvršavanje Veb aplikacija i servisa bez razmatranja problema servera.
• Provajderi cloud servisa upravljaju svim aktivnostima vezanim za servere (obezbeđivanje, skaliranje, održavanje); Usluga Function-as-a-Service (FaaS) omogućava izvršavanje modula bez upravljanja kompleksnom infrastrukturom, automatsko prilagođavanje i naplatu stvarne upotrebe resursa.
• Programeri se usmeravaju na programski kod, čime se povećava produktivnost i olakšava isporuka aplikacija.

Klijent-Server Obrada Podataka

• Ključni aspekti uključuju:
  • Princip klijent-server obrade.
  • Model klijent-server obrade.
  • Slojeve klijent-server obrade.

Princip Klijent-Server Obrade

• Danas najčešći pristup distribuiranoj obradi podataka.
• Sličnost sa centralizovanom arhitekturom je da postoji jedan član sposoban za izvršavanje zadataka koje ostali članovi ne mogu izvršavati.
• Za razliku od centralizovane (mainframe) arhitekture, klijenti imaju mogućnost lokalne obrade podataka dobijenih od servera.

Slojevi Klijent-Server Obrade

• Softversko rešenje se razlaže na klijentsku i serversku komponentu.
• Podrazumevaju se dva sloja: sloj klijenta i sloj servera.
• Primer jednostavne klijent server obrade: korisnici putem aplikacije na svom računaru (klijentu) pristupaju centralnoj bazi podataka (file-server arhitektura).

Troslojne Aplikacije

• Čest primer su klijent-server aplikacije sa tri sloja:
  • Klijent - Veb čitač (browser).
  • Srednji sloj - aplikativni Veb server.
  • Treći sloj - server baze podataka.
• Srednji sloj je realizovan kao serverska komponenta za Veb čitač i kao klijentska komponenta sa aspekta servera baze podataka.
• Centralizovana zaštita podataka i kontrola pristupa olakšava rešavanje problema bezbednosti.

Pojmovi Klijent i Server

• Pojmovi "klijent" i "server" se ne odnose na hardverske karakteristike računara, već na tipove procesa.
• Ako proces ili neki njegov deo zahteva uslugu drugog procesa, smatra se klijentskim delom aplikacije.
• Obrnuto, ako proces ili neki njegov deo čeka i izvršava zahteve, smatra se serverskim delom aplikacije.

Iterativna i Konkurentna Obrada

• Postoje različiti načini obrade zahteva:
  • Iterativna obrada zahteva.
  • Konkurentna obrada zahteva.

Obrada Višestrukih Zahteva

• Veliki broj različitih strategija se koristi za optimalno iskorišćenje resursa (procesora, memorije, komunikacija).
• U zavisnosti od načina raspoređivanja obrade višestrukih zahteva, serveri se dele na one sa iterativnom i one sa konkurentnom obradom.

Iterativna Obrada Zahteva

• Serveri sa iterativnom obradom osluškuju na dodeljenom portu, čekajući zahtev klijenta.
• Nakon prihvatanja zahteva, zahtevi ostalih klijenata se odbacuju ili čekaju u ulaznom baferu dok se prihvaćeni zahtev ne obradi.
• Nedostatak je lošija izvedba u odnosu na konkurentni pristup (broj obrađenih zahteva u jedinici vremena).
• Prednost je da ne postoji problem konkurentnog pristupa internim resursima servera.

Konkurentna Obrada Zahteva

• Omogućava bolje performanse u situacijama kada server obrađuje veliki broj zahteva od strane više klijenata.
• Sastoji se od obrade više zahteva paralelno.
• Pokreće se novi proces (ili nit, zavisno od softvera i OS) za svaki klijentski zahtev.
• Dispečerski deo prihvata zahteve i pokreće proces obrade.
• Nedostatak je da ponekad ima slabije performanse od iterativnog pristupa zbog trošenja procesorskog vremena.
• Softver je kompleksniji i mora rešiti konkurentni pristup resursima.

Primer Mrežnog Programiranja

• Primer obuhvata:
  • Komunikaciju klijenta i servera.
  • Modul socket standardne biblioteke jezika Python.
  • Jednostavna aplikacija u jeziku Python.

Komunikacija Klijenta i Servera

• Komunikacija klijenta i servera pomoću TCP/IP protokola se realizuje uz socket API funkcije operativnog sistema.
• Status soketa se prati komandom operativnog sistema: netstat -an.
• Trostepeno usaglašavanje (three-way handshake) koristi TCP protokol za uspostavljanje pouzdane veze između klijenta i servera pre prenosa podataka.

Modul Socket Standardne Biblioteke Jezika Python

• Modul socket omogućava mrežno programiranje niskog nivoa u jeziku Python i obezbeđuje sve neophodne metode za uspostavljanje veze, prijem i slanje podataka.
• Osnovni metod je socket.socket(), koji se koristi za kreiranje objekta tipa socket (utičnica) na serverskoj i klijentskoj strani.
• Tip soketa SOCK_STREAM koristi Transmission Control Protocol (TCP) koji je pouzdan jer pošiljalac detektuje izgubljene pakete i šalje ih po redosledu.
• Za veću brzinu prenosa se koristi tip soketa SOCK_DGRAM, odnosno User Datagram Protocol (UDP), ali se tada javljaju problemi paketnog prenosa.

Jednostavna Aplikacija u Pythonu

• Primer klijent-server aplikacije sastoji se od dve programske celine:
  • Klijenta, koji šalje jednostavnu poruku serveru putem zadanog porta.
  • Servera, koji osluškuje zadani port i obrađuje poruku tako što je menja i vraća pošiljaocu.