Đồ Án cá nhân Đề tài tìm hiểu lập trình socket trong linux môn học lập trình c trong linux

Giới thiệu 1.1 Tầm quan trọng của lập trình socket -Trong thời đại công nghệ 4.0, việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị qua mạng Internet đã trở thành một phần không thể thiếu trong mọ

ĐẠI HỌC DUY TÂN TRƯỜNG KHOA HỌC MÁY TÍNH KHOA KỸ THUẬT MMT & TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU LẬP TRÌNH SOCKET TRONG LINUX

MỤC LỤC

1 Giới thiệu

2 Cơ sở lý thuyết

3 Lập trình socket trong Linux

5 Kết luận và hướng phát triển

6 Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHI TIẾT

I.Giới thiệu

1 Giới thiệu

1.1 Tầm quan trọng của lập trình socket

-Trong thời đại công nghệ 4.0, việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị qua mạng Internet đã trở thành một phần không thể thiếu trong mọi lĩnh vực của đời sống, từ thương mại điện tử, truyền thông xã hội đến các hệ thống IoT (Internet of Things) Lập trình socket là một kỹ thuật cốt lõi để các ứng dụng có thể giao tiếp với nhau qua mạng

-Ứng dụng của lập trình socket:

+Trình duyệt web (HTTP trên TCP)

+Dịch vụ email (SMTP, IMAP, POP3)

+Truyền phát video, âm thanh (RTSP, RTP, UDP)

+Các ứng dụng chat như WhatsApp, Messenger

-Lập trình socket không chỉ là một kỹ năng thiết yếu cho lập trình viên mà còn là công cụ để hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động của các giao thức mạng

1.2 Lý do chọn đề tài

-Socket đóng vai trò như cầu nối giữa các ứng dụng trên các hệ thống khác nhau, giúp các phần mềm có thể giao tiếp và truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả Việc tìmhiểu và làm chủ lập trình socket trong môi trường Linux mang lại nhiều lợi ích như:

trên mạng

file, đến phức tạp như hệ thống điều khiển từ xa

các giao thức an toàn như SSL/TLS

1.3Mục tiêu của đề tài

Đề tài "Tìm hiểu lập trình socket trong Linux" nhằm đạt được các mục tiêu sau:

- Cung cấp nền tảng lý thuyết:

- Áp dụng thực hành:

- Mở rộng và cải tiến:

liệu

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ của đồ án này, nội dung sẽ tập trung vào:

- Các giao thức TCP và UDP, sử dụng thư viện lập trình socket trong Linux.

- Xây dựng chương trình client-server cơ bản

- Phân tích chi tiết mã nguồn và kết quả thực nghiệm

1.5 Cấu trúc báo cáo

Báo cáo bao gồm các nội dung chính như sau:

đa luồng

Với cách tiếp cận lý thuyết đi đôi với thực hành, báo cáo hy vọng mang lại cái nhìn toàn diện và chi tiết về lập trình socket trong Linux, đồng thời khuyến khích người đọc khám phá thêm các ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực mạng

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái niệm về socket

-Socket là một giao diện lập trình mạng (API) được sử dụng để giao tiếp giữa hai ứng dụng trên các máy tính khác nhau hoặc trên cùng một máy tính thông qua mạng Socket là công cụ cơ bản để xây dựng các ứng dụng mạng, giúp trao đổi dữ liệu hiệu quả và đáng tin cậy

Phân loại socket:

TCP

o Là loại socket cho phép truy cập các giao thức mạng ở mức thấp.

sniffing)

-Cơ chế hoạt động của socket:

Socket tạo một kênh giao tiếp giữa hai tiến trình bằng cách:

1 Định danh địa chỉ IP và số cổng của thiết bị giao tiếp.

2 Dựa trên giao thức mạng (TCP/UDP) để truyền và nhận dữ liệu.

2.2 Mô hình OSI và vị trí của socket

Mô hình OSI (Open Systems Interconnection):

OSI là một mô hình phân tầng chuẩn hóa để truyền thông mạng Nó bao gồm 7 tầng, mỗi tầng thực hiện một chức năng riêng biệt, cụ thể:

Vị trí của socket trong mô hình OSI:

Socket chủ yếu hoạt động ở tầng Transport (TCP, UDP) và tương tác với tầng

Application Nó cung cấp giao diện lập trình cho các nhà phát triển sử dụng các dịch vụ truyền thông mạng mà không cần quan tâm đến các tầng thấp hơn

Hình minh họa:

2.3 Giao thức TCP và UDP

Giao thức TCP (Transmission Control Protocol):

TCP là giao thức kết nối (connection-oriented), đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách đáng tin cậy và tuần tự

Đặc điểm:

Giao thức UDP (User Datagram Protocol):

UDP là giao thức không kết nối (connectionless), không đảm bảo dữ liệu được nhận đầy đủ hoặc theo thứ tự

Đặc điểm:

2.4 Các trạng thái của kết nối TCP

Kết nối TCP được thiết lập và duy trì thông qua các trạng thái sau:

1 LISTEN: Server chờ yêu cầu kết nối từ client

2 SYN-SENT: Client gửi yêu cầu kết nối (SYN).

3 SYN-RECEIVED: Server nhận yêu cầu và phản hồi

4 ESTABLISHED: Kết nối được thiết lập, dữ liệu bắt đầu được truyền

5 FIN-WAIT, CLOSE-WAIT: Kết thúc kết nối

Quy trình bắt tay 3 bước (3-way handshake): (Hình minh họa)

Kết thúc kết nối (4-way handshake):

2.5 Cơ chế hoạt động của UDP

Không giống TCP, UDP không thiết lập kết nối trước khi truyền dữ liệu Client gửi dữ liệu trực tiếp đến địa chỉ của server mà không cần xác nhận

Ưu điểm của UDP:

Nhược điểm của UDP:

Ứng dụng thực tế:

2.6 Ưu điểm và nhược điểm của lập trình socket

Ưu điểm:

Nhược điểm:

3 Lập trình socket trong Linux

3.1 Kiến trúc Client-Server

Lập trình socket trong Linux chủ yếu dựa trên mô hình client-server, trong đó:

Quy trình hoạt động:

1 Server khởi tạo socket và liên kết với một cổng cụ thể

2 Server lắng nghe các yêu cầu từ client

3 Client tạo socket và yêu cầu kết nối đến địa chỉ IP và cổng của server

4 Server chấp nhận kết nối từ client và giao tiếp hai chiều bắt đầu.Hình minh họa gợi ý: Sơ đồ client-server với luồng dữ liệu qua lại

3.2 Thư viện và các hàm cơ bản

Các hàm chính trong lập trình socket trên Linux được cung cấp qua thư viện

<sys/socket.h>, <arpa/inet.h>, và <unistd.h>

Các hàm quan trọng:

1 socket()

int socket(int domain, int type, int protocol);

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

7 close()

 Đóng socket sau khi hoàn thành giao tiếp.

int close(int sockfd);

3.3 Các bước lập trình socket

Bước 1: Tạo socket

int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (server_fd == -1) {

perror("Socket creation failed");

exit(EXIT_FAILURE);

}

Bước 2: Liên kết socket với địa chỉ IP và cổng (bind)

struct sockaddr_in address;

int addrlen = sizeof(address);

new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen);

if (new_socket < 0) {

perror("Accept failed");

exit(EXIT_FAILURE);

}

Bước 5: Gửi và nhận dữ liệu

-Gửi: send(new_socket, "Hello, Client!", strlen("Hello, Client!"), 0);

perror("Socket creation failed");

printf("Error code: %d\n", errno);

}

Bảo mật cơ bản:

1 Giới hạn quyền truy cập: Chỉ cho phép các địa chỉ IP cụ thể kết nối

2 Mã hóa dữ liệu: Sử dụng giao thức SSL/TLS để mã hóa dữ liệu truyền qua socket

3 Kiểm tra dữ liệu đầu vào: Đảm bảo dữ liệu từ client không gây hại (e.g., tránh SQL injection)

3.5 Lập trình socket đa luồng

Khi server cần xử lý nhiều kết nối đồng thời, lập trình đa luồng giúp cải thiện hiệu năng:

Ví dụ:

void *handle_client(void *socket_desc) {

int sock = *(int*)socket_desc;

int server_fd, client_sock;

struct sockaddr_in address;

pthread_t thread_id;

// Server setup code here

while ((client_sock = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address,

return 0;

}

4 Ứng dụng minh họa lập trình socket

4.1 Mô tả bài toán

Xây dựng một ứng dụng chat đơn giản hoạt động trên mô hình client-server, trong đó:

Hình minh họa:

Mô hình giao tiếp:

void *handle_client(void *client_socket) {

int sock = *(int *)client_socket;

send(sock, "Message received", strlen("Message received"), 0); }

int server_fd, client_sock;

struct sockaddr_in address;

socklen_t addrlen = sizeof(address);

// Liên kết socket với địa chỉ

if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) { perror("Bind failed");

printf("Server is listening on port %d\n", PORT);

while ((client_sock = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, &addrlen)) >= 0) {

int *new_sock = malloc(1);

printf("Connected to the server Type your messages:\n");

1 Khởi động server: Server lắng nghe kết nối trên cổng 8080.

2 Kết nối client: Client kết nối tới server qua địa chỉ IP 127.0.0.1

3 Giao tiếp: Client gửi tin nhắn, server nhận và phản hồi "Message received".Kết quả hiển thị:

Server is listening on port 8080

Client: Hello, Server!

Client: How are you?

Connected to the server Type your messages:

You: Hello, Server!

Server: Message received

You: How are you?

Server: Message received

4.5 Nâng cấp và cải tiến ứng dụng

Ứng dụng chat cơ bản được trình bày ở phần trước chỉ đáp ứng các chức năng giao tiếp cơ bản Để nâng cấp và mở rộng, chúng ta có thể cải tiến theo các hướng sau:

4.5.1 Bảo mật giao tiếp

Một trong những yêu cầu quan trọng trong lập trình mạng là đảm bảo an toàn thông tin Các nâng cấp bảo mật bao gồm:

1 Mã hóa dữ liệu:

mã hóa dữ liệu truyền tải giữa client và server, ngăn chặn tấn công kiểu nghe trộm (eavesdropping)

// Ví dụ sử dụng SSL để khởi tạo kết nối mã hóa

SSL_library_init();

SSL_CTX *ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());

SSL *ssl = SSL_new(ctx);

SSL_set_fd(ssl, client_sock);

SSL_accept(ssl);

-Kết quả: Tin nhắn trao đổi được bảo vệ khỏi truy cập trái phép

2 Xác thực client:

4.5.2 Xử lý nhiều client hiệu quả hơn

1 Sử dụng tập lệnh phi đồng bộ (asynchronous):

client tăng cao, việc quản lý luồng trở nên phức tạp

int epoll_fd = epoll_create(1);

struct epoll_event ev, events[10];

ev.events = EPOLLIN;

ev.data.fd = server_fd;

epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, server_fd, &ev);

2 Quản lý session:

xử lý và phục vụ đúng đối tượng

gian kết nối, trạng thái hiện tại

4.5.3 Lưu trữ và quản lý tin nhắn

1 Lưu trữ tin nhắn trên server:

giữa client và server

sql

CREATE TABLE messages (

id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,

2 Gửi tin nhắn offline:

o Nếu một client không online, server lưu trữ tin nhắn và gửi lại khi client kếtnối trở lại

4.5.4 Tích hợp giao diện người dùng (GUI)

1 Ứng dụng client:

cách sử dụng GTK, Qt, hoặc các framework GUI khác

gửi tin

2 Web-based client:

với công nghệ WebSocket

qua REST API hoặc WebSocket

4.5.5 Mở rộng chức năng ứng dụng

1 Hỗ trợ nhóm (group chat):

o

3 Thông báo trạng thái:

o Hiển thị trạng thái online/offline của các client

đổi

4.5.6 Hiệu năng và tối ưu hóa

1 Giảm thiểu độ trễ:

liệu ngay lập tức

2 Giám sát hiệu năng:

lượng kết nối, thời gian phản hồi, và tình trạng server

4.5.7 Tích hợp với các hệ thống khác

1 API mở rộng:

hoặc web) có thể giao tiếp

2 Hỗ trợ đa nền tảng:

o Triển khai ứng dụng client cho cả desktop (Linux, Windows) và di động (Android, iOS).

Với các nâng cấp và cải tiến này, ứng dụng chat ban đầu có thể phát triển thành một hệthống giao tiếp mạnh mẽ, bảo mật, và đa năng, phục vụ nhiều mục đích thực tiễn trong môi trường mạng phức tạp

5 Kết luận và hướng phát triển

5.1 Kết luận

Đề tài “Tìm hiểu lập trình socket trong Linux” đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về cơ

sở lý thuyết cũng như cách triển khai thực tế trong việc xây dựng các ứng dụng giao tiếp mạng Các nội dung trọng tâm bao gồm:

Thông qua quá trình nghiên cứu và triển khai, chúng ta nhận thấy rằng lập trình socket

là nền tảng quan trọng để xây dựng các ứng dụng mạng, từ các hệ thống nhỏ như ứng dụng chat, đến các hệ thống lớn hơn như dịch vụ web, máy chủ trò chơi, hoặc nền tảngthương mại điện tử

5.2 Hướng phát triển

Trong tương lai, đề tài này có thể được mở rộng theo các hướng sau:

1 Phát triển ứng dụng chat hoàn thiện hơn:

trạng thái, và lịch sử tin nhắn

2 Nghiên cứu bảo mật nâng cao:

3 Tối ưu hóa hiệu năng:

o Sử dụng các mô hình xử lý phi đồng bộ hoặc event-driven như epoll.

4 Hỗ trợ đa nền tảng:

thiết bị di động

5 Kết nối với các công nghệ mới:

6 Tài liệu tham khảo

1 Beej's Guide to Network Programming

2 Sách "Unix Network Programming" của W Richard Stevens

3 Tài liệu man trên Linux (man socket, man bind, v.v.)