Spis treści

Obsługa sieci w API / językach wysokiego poziomu
Qt

Obsługa sieci w API / językach wysokiego poziomu

BSD socket API jest interfejsem niskiego poziomu do obsługi sieci. Pozwala on korzystać z wszystkich możliwości oferowanych przez system operacyjny. Co za tym idzie, nie jest on szczególnie wygodny, a typowe programy używające BSD socket API będą zawierać identyczne ciągi wywołań funkcji, w większości z identycznymi argumentami.
Stąd w bibliotekach / językach wysokiego poziomu są dostępne uproszczone interfejsy do obsługi sieci, które opakowują wywołania z BSD socket API.

Typowo wysokopoziomowe interfejsy:

są obiektowe
posiadają osobne klasy do typowych zadań:
- nawiązanie połączenia TCP do podanego adresu
- stworzenie serwera TCP
- użycie gniazda UDP
często są przygotowane do łatwego wykorzystania w pętli zdarzeń
często pojawiają się bardziej specjalizowane klasy, np. do komunikacji żądanie-odpowiedź (HTTP).

Takie podejście pozwala przygotować wygodne i łatwe do nauczenia interfejsy programistyczne do obsługi sieci. Trzeba jednak pamiętać że takie interfejsy są tworzone pod typowe zastosowania, co czasami ogranicza możliwości ich wykorzystania.

Qt

Wprowadzenie

O Qt

Qt to framework (zestaw bibliotek i narzędzi) dla języka C++. Duży nacisk w Qt jest położony na budowę aplikacji z graficznym interfejsem użytkownika i tworzenie wieloplatformowego kodu.
Strona produktu Strona "O Qt" w wiki Qt Polska Wikipedia o Qt

Narzędzia

Qt do wersji 5 jako podstawowego systemu budowania używa dostarczonego z Qt programu qmake. Dodatkowo Qt 5 wspiera oficjalnie CMake (nieoficjalnie Qt jest wspierane też przez inne systemy budowania).
Qt od wersji 6 jako podstawowego systemu budowania używa CMake (dokumentacja dla Qt) nie zaprzestając rozwoju qmake.

Do graficznego projektowania GUI opartego o widżety dostarczany jest program designer, generujący pliki w formacie XML. Następnie programem uic są one automatycznie konwertowane na kod w C++.
Qt dostarcza też silnik języka QML i biblioteki Qt Quick do budowy GUI w QML.
Ponadto assistant pozwala przeglądać dokumentację, linguist w łatwy sposób umożliwia tłumaczenie programu.
Częścią SDK do Qt jest też IDE qtcreator.

Pętla zdarzeń, sygnały i sloty

Typowe aplikacje w Qt wykorzystują pętlę zdarzeń. Obiekty mogą zażądać obsługi zdarzenia (zdarzenie w Qt nazywa się signal), a programista za pomocą funkcji connect określa jaka funkcja (nazywana w Qt slot) ma być wywoływana gdy wystąpi podane zdarzenie (signals and slots).
Qt korzysta z dodatkowego preprocesora moc. Od Qt5 użycie moc można pominąć, jeśli korzysta się z nowej składni funkcji connect i nie definiuje własnych sygnałów.
Zarówno uic jak i moc są wywoływane automatycznie przez system budowania qmake. W cmake trzeba włączyć opcje AUTOUIC i AUTOMOC.

Sieć w Qt

Opis z podręcznika Qt: Network Programming with Qt

W Qt funkcje sieciowe są nieblokujące (asynchroniczne).
Bufory nadawcze i odbiorcze w Qt są nieograniczone.

Ważniejsze klasy do obsługi socketów i podstawowe metody i sygnały:

QTcpServer - klasa tworząca gniazdo nasłuchujące protokołu TCP
- klasa udostępnia sygnał (zdarzenie) newConnection
- metoda listen wywołuje bind, ustawia SO_REUSEADDR¹⁾ i wywołuje listen
- metoda nextPendingConnection wykonuje accept
QTcpSocket - klasa gniada TCP klienckiego (łączącego się pod podany adres)
- sygnały connected i disconnected
- sygnał errorOccured (Qt w wersji ≥5.15)
  sygnał error (Qt w wersji przed 5.15)²⁾
- sygnał readyRead, określający że przyszły nowe dane do odbioru
- metoda connectToHost żąda połączenia pod podany adres
- metoda write pisze dane, natomiast read i readAll odbierają dane
QUdpSocket - klasa obsługująca gniazda UDP
- sygnały identyczne jak dla QTcpSocket
- odbiór wiadomości metodą receiveDatagram
- wysłanie wiadomości metodą writeDatagram

Qt jest modularny. Do włączenia modułu odpowiedzialnego za sieć należy:

dla qmake dodać linię:
QT += network
dla cmake dodać do linii szukające Qt komponent Network, a następnie dodać go do bibliotek łączonych:
find_package(Qt6 COMPONENTS … Network …) target_link_libraries(target … Qt6::Network …)
Dla Qt 5 trzeba zmienić oczywiście Qt6 na Qt5

Przykład konsolowego klienta TCP w Qt

Uwaga: ten przykład pokazuje kilka niewygodnych / nieprzenośnych / rzadko używanych rzeczy:

nie ma przenośnego sposobu czekania na zdarzenia na standardowym wejściu – stąd osobny kod dla Windowsa
raczej rzadko spotyka się w wysokopoziomowym, obiektowym języku funkcje i zmienne globalne - stąd potrzeba QObject::connect zamiast connect, &socket zamiast socket i podawanie do obsługi zdarzenia globalnej funkcji zamiast obiektu i wskaźnika na metodę z klasy.

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.12)
project(tcp_client LANGUAGES CXX)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
find_package(QT NAMES Qt6 Qt5 COMPONENTS Core Network REQUIRED)
find_package(Qt${QT_VERSION_MAJOR} COMPONENTS Core Network REQUIRED)
add_executable(tcp_client main.cpp)
target_link_libraries(tcp_client Qt${QT_VERSION_MAJOR}::Core Qt${QT_VERSION_MAJOR}::Network)

main.cpp

#include <QtCore>
#include <QtNetwork>
#include <unistd.h>
#ifdef _WIN32
#include "Windows.h"
#endif
 
void readStdin();
void onConnect();
void readSocket();
void onError(QTcpSocket::SocketError err);
 
QTcpSocket socket;
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
 
    // obsługa standardowego wejścia jako zdarzenie
    #ifdef _WIN32
    QWinEventNotifier inputNotifier(GetStdHandle(STD_INPUT_HANDLE));
    QObject::connect(&inputNotifier, &QWinEventNotifier::activated, readStdin);
    #else
    QSocketNotifier inputNotifier(0, QSocketNotifier::Read);
    QObject::connect(&inputNotifier, &QSocketNotifier::activated, readStdin);
    #endif
 
    QObject::connect(&socket, &QTcpSocket::connected, onConnect);
    QObject::connect(&socket, &QTcpSocket::readyRead, readSocket);
    QObject::connect(&socket, &QTcpSocket::errorOccurred, onError);
 
    socket.connectToHost(a.arguments().at(1), a.arguments().at(2).toUShort());
 
    return a.exec();
}
 
void readStdin(){
    QByteArray ba(1024, '\0');
    int count = read(STDIN_FILENO, ba.data(), ba.size());
    if(count<=0){
        socket.disconnectFromHost();
        QByteArray ba = "\033[1mError or EOF on standard input\033[0m\n";
        write(STDOUT_FILENO, ba.data(), ba.length());
        QCoreApplication::exit(0);
    }
    ba.resize(count);
    socket.write(ba);
}
 
void onConnect(){
    QByteArray ba = ("\033[1mConnected successfully to : " +
                     socket.peerAddress().toString() + ":" +
                     QString::number(socket.peerPort()) +
                     "\033[0m\n").toLocal8Bit();
    write(STDOUT_FILENO, ba.data(), ba.length());
}
 
void readSocket(){
    QByteArray ba = socket.readAll();
    write(STDOUT_FILENO, ba.data(), ba.length());
}
void onError(QTcpSocket::SocketError err){
    QByteArray ba = ("\033[1mError or disconnect on socket: "+socket.errorString()+"\033[0m\n").toLocal8Bit();
    write(STDOUT_FILENO, ba.data(), ba.length());
    QCoreApplication::exit(0);
}

Zadania

Zadanie 1. Korzystając z l6_z1_template.tar.xz stwórz program, który będzie działać jak graficzna wersja programu netcat. Kod zawiera komentarze z wyszczególnionymi krokami do zrobienia (TODO's).

IP multicast - przypomnienie

Pula adresów (224.0.0.0/4), w tym: lokalne dla łącza adresy (224.0.0.0/24), Organization-Local Scope (239.0.0.0/24)
Komputer chcąc odbierać wiadomości od grupy multicastowej musi wysłać odpowiednią wiadomość IGMP.
BSD Socket API pozwala dołączyć do grupy multicastowej na konkretnym sockecie, adresie i interfejsie, co powoduje wysłanie wspomnianej wiadomości.
IP multicast można używać w połączeniu z protokołem UDP, natomiast nie jest wspierany przez protokół TCP.
Użycie IP multicast w BSD socket API: multicast_example
Lista grup mcastowych do których jest zapisany komputer: ip maddr lub netstat -ng lub cat /proc/net/igmp

Użycie programu socat do testowania multicastu:

Zajęcia w laboratorium:

socat UDP-DATAGRAM:239.0.0.1:2000,reuseaddr,bind=0.0.0.0:2000,ip-add-membership=239.0.0.1:enp0s3 STDIO
 
# UDP-DATAGRAM:239.0.0.1:2000 → wysyłaj datagramy do podanego adresu (239.0.0.1:2000) i odbieraj co przyjdzie
# reuseaddr → włącze SO_REUSEADDR; pozwala wielu programom na tym samym komputerze używać tego samego portu do mcastu
# ip-add-membership=239.0.0.1:enp0s3 → dołącza do grupy mcastowej 239.0.0.1 na urządzeniu enp0s3
# bind=0.0.0.0:2000 → wykonaj bind na podany adres; pod tym adresem będą odbierane datagramy

Zajęcia zdalne:

socat UDP-DATAGRAM:239.0.0.1:2000,reuseaddr,bind=0.0.0.0:2000,ip-add-membership=239.0.0.1:tap0,ip-multicast-if=10.0.9.X STDIO
 
# UDP-DATAGRAM:239.0.0.1:2000 → wysyłaj datagramy do podanego adresu (239.0.0.1:2000) i odbieraj co przyjdzie
# reuseaddr → włącze SO_REUSEADDR; pozwala wielu programom na tym samym komputerze używać tego samego portu do mcastu
# ip-add-membership=239.0.0.1:tap0 → dołącza do grupy mcastowej 239.0.0.1 na urządzeniu tap0
# bind=0.0.0.0:2000 → wykonaj bind na podany adres; pod tym adresem będą odbierane datagramy
# ip-multicast-if=10.0.9.X → nakazuje wysyłać wiadomości do grupy multicastowej z podanego adresu

Zadanie 2. Korzystając z l6_z2_template.tar.xz stwórz program, który będzie wysyłać i odbierać wiadomości z wybranej grupy multicastowej. Kod zawiera komentarze z wyszczególnionymi krokami do zrobienia (TODO's).

Zadanie 3. Napisz serwer czatu (serwer, który każdą otrzymaną wiadomość przekaże wszystkim połączonym klientom) wykorzystując Qt.

¹⁾ w uproszczeniu; szczegóły tutaj: https://doc.qt.io/qt-6/qabstractsocket.html#BindFlag-enum

²⁾ Uwaga, w nowej składni connect wymagany jest wskaźnik na funkcję, a klasa QTcpSocket ma dwie funkcje error. W efekcie potrzebne jest wybranie funkcji przez rzutowanie na właściwy typ [1]

Jan Kończak

Pasek boczny

Spis treści

Obsługa sieci w API / językach wysokiego poziomu

Qt

Wprowadzenie

O Qt

Narzędzia

Pętla zdarzeń, sygnały i sloty

Sieć w Qt

Zadania

IP multicast - przypomnienie

Jan Kończak

Narzędzia użytkownika

Narzędzia witryny

Pasek boczny

Spis treści

Obsługa sieci w API / językach wysokiego poziomu

Qt

Wprowadzenie

O Qt

Narzędzia

Pętla zdarzeń, sygnały i sloty

Sieć w Qt

Zadania

IP multicast - przypomnienie

Narzędzia strony