Đồ án môn học lập trình hệ thống program for inter process communication using socket

Giờ đây, mọi việc liên quan đến thông tin trở nên thật dễ dàng cho người sửdụng: chỉ cần có một máy tính kết nối internet và một dòng dữ liệu truy tìm thì gầnnhư lập tức… cả thế giới về

Nhóm sinh viên thực hiện: 21IT366 – Hoàng Thị Hồng Nhung

21IT375 – Quảng Hoàng Sơn

21IT242 – Trần Chánh Tín

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Nhật Minh

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày nay, ứng dụng công nghệ thông tin và việc tin học hóa được xem làmột trong những yếu tố mang tính quyết định trong hoạt động của các chính phủ,

tổ chức, cũng như của các công ty, nó đóng vai trò hết sức quan trọng, có thể tạo ranhững bước đột phá mạnh mẽ

Cùng với sự phát triển không ngừng về kỹ thuật máy tính và mạng điện tử,công nghệ thông tin cũng được những công nghệ có đẳng cấp cao và lần lượt chinhphục hết đỉnh cao này đến đỉnh cao khác Mạng Internet là một trong những sảnphẩm có giá trị hết sức lớn lao và ngày càng trở nên một công cụ không thể thiếu,

là nền tảng chính cho sự truyền tải, trao đổi thông tin trên toàn cầu

Giờ đây, mọi việc liên quan đến thông tin trở nên thật dễ dàng cho người sửdụng: chỉ cần có một máy tính kết nối internet và một dòng dữ liệu truy tìm thì gầnnhư lập tức… cả thế giới về vấn đề mà bạn đang quan tâm sẽ hiện ra, có đầy đủthông tin, hình ảnh và thậm chí đôi lúc có cả những âm thanh nếu bạn cần… Bằnginternet, chúng ta đã thực hiện được nhiều công việc với tốc độ nhanh hơn và chiphí thấp hơn nhiều so với cách thức truyền thống Chính điều này, đã thúc đẩy sựkhai sinh và phát triển của thương mại điện tử và chính phủ điện tử trên khắp thếgiới, làm biến đổi đáng kể bộ mặt văn hóa, nâng cao chất lượng cuộc sống con

người Đó là lí do nhóm em thực hiện đề tài “Program for Inter Process Communication using Socket”

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại học Công nghệThông tin và Truyền thông Việt-Hàn đã đưa môn học lập trình hệ thống vào trươngtrình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn –thầy Nguyễn Hữu Nhật Minh, truyền đạt những kiến thức trong suốt thời gian họctập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học của thầy, em đã có thêm cho mìnhnhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc.

Môn lập trình hệ thống là môn học vô cùng quan trọng, vô cùng bổ ích và cótính thực tế cao Đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liền với nhu cầu thực tiễncủa sinh viên Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thuthực tế còn nhiều bỡ ngỡ Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn sảnphẩm khó có thể tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn chưa chính xác, kínhmong thầy xem xét và góp ý để báo cáo của em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 1

MỞ ĐẦU 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 8

I Cơ sở lí thuyết 8

1 Sơ lược về lập trình hệ thống 8

1.1 Khái niệm về lập trình hệ thống 8

1.2 Tổng quan về lập trình hệ thống 8

2 Tìm hiểu về truyền thông giữa các tuyến trình 9

2.1 Khái niệm về Socket và IPC 9

2.2 Tại sao người dùng lại cần đến socket 10

2.3 Socket hoạt động như thế nào 11

3 Lập trình Socket trên Linux 11

3.1 Mô hình Client/Server 11

3.2 Sơ lược về Socket 12

3.3 Minh họa về lập trình Socket 14

4 Tổng quan về công nghệ và công cụ sử dụng 15

4.1 Oracle VM VirtualBox 15

4.2 Ngôn ngữ lập trình C 17

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19

I Phân tích yêu cầu và chức năng 19

1 Yêu cầu 19

2 Chức năng 19

III Thiết kế module 23

1 Thiết lập, lập trình tạo máy chủ ảo 23

2 Lập trình cho máy khách 23

3 Thiết lập kết nối giữa máy chủ và máy khách 23

4 Thiết kế ứng dụng chat 23

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 24

I Mã nguồn chương trình 24

1 Mã nguồn phía server 24

2 Mã nguồn phía client 30

II Kết quả chạy chương trình : 35

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Hình 1: Sơ đồ Stream sockets 12

Hình 2: Sơ đồ Datagram sockets 13

Hình 3: VirtualBox 14

Hình 4: Giao diện chính của VirtualBox 15

Hình 5: Ngôn ngữ C 16

Hình 6: Những ưu điểm của ngôn ngữ C 17

Hình 7: Mô hình làm việc của Client/Server 19

Hình 8: Mô hình làm việc của Server/Client 19

Hình 9: Mô hình gửi nhận dữ liệu 20

Hình 10: Biểu đồ hoạt động giữa Client/Server 21

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU

I Cơ sở lí thuyết

1 Sơ lược về lập trình hệ thống

1.1 Khái niệm về lập trình hệ thống

Lập trình hệ thống là hoạt động của các phần mềm hệ thống Đầu tiên chỉ ra

sự khác biệt tiêu biểu của các chương trình hệ thống khi đã so sánh tới lập trìnhứng dụng là ở đó nhắm vào lập trình ứng dụng để sản sinh phần mềm mà cung cấpnhững dịch vụ tới người dùng (ví du: bộ xử lý văn bản), trong khi những nhà lậptrình hệ thống nhắm vào việc sản xuất phần mềm mà cung cấp những dịch vụ tớiphần cứng máy tính (ví dụ: phần mềm chống phân mảnh đĩa) Nó cũng yêu cầumột độ lớn hơn của sự ý thức phần cứng

1.2 Tổng quan về lập trình hệ thống

Những điểm đặc biệt hơn trong lập trình hệ thống:

 Những nhà lập trình sẽ tạo những gánh vác về phần cứng và một sốthuộc tính khác của những chương trình chạy trên hệ thống đó, và sẽ thường khaithác những thuộc tính đó (cho ví dụ bởi việc sử dụng một giải thuật mà được biết

mà hiệu quả khi nào được sử dụng với phần cứng đặc biệt)

 Thông thường một ngôn ngữ lập trình cấp thấp hoặc tiếng địa phươngngôn ngữ lập trình sử dụng đó là:

 Có thể hoạt động trong những môi trường tài nguyên bắt buộc

 Là rất hiệu quả và có thể thực hiện một ít ở trên đầu

 Có một thư viện thực hiện nhỏ, hoặc không ở mọi thứ

 Cho phép trực tiếp và “thô” mà điều khiển qua truy cập bộ nhớ vàđiều khiển chảy tràn

 Để cho người lập trình viết những phần của chương trình ngay tứckhắc trên ngôn ngữ assembly

Những nhà lập trình hệ thống một cách đầy đủ thì khác với lập trình ứngdụng mà những người lập trình hướng tới chuyên về một hoặc cái khác

Trong lập trình hệ thống, những phương tiện lập trình có hạn thường sẵn có.

Sự sử dụng của tập hợp rác tự động thì không phải là phổ biến và gỡ rối là khôngđổi đôi khi để làm Thư viện thực hiện, nếu sẵn có ở mọi nơi, thì ít mạnh hơn nhiềuthông thường, và làm ít sợ kiểm tra lỗi hơn Bởi vì những sự hạn chế đó, màn hình

và sự đăng ký thường được sử dụng; những hệ điều hành có thể có vô cùng chi tiếthóa những hệ thống con đăng ký

Thực hiện những phần nhất định trong Hệ điều hành và những quy định hoạtđộng mạng những nhà lập trình hệ thống (cho ví dụ thi hành phân trang (bộ nhớảo) hoặc một trình điều khiển thiết bị cho một hệ điều hành)

2 Tìm hiểu về truyền thông giữa các tuyến trình

2.1 Khái niệm về Socket và IPC

Socket là giao diện lập trình ứng dụng mạng được dùng để truyền vànhận dữ liệu trên internet Giữa hai chương trình chạy trên mạng cần có mộtliên kết giao tiếp hai chiều, hay còn gọi là two-way communication để kết nối 2process trò chuyện với nhau Điểm cuối (endpoint) của liên kết này được gọi làsocket

Một chức năng khác của socket là giúp các tầng TCP hoặc TCP Layerđịnh danh ứng dụng mà dữ liệu sẽ được gửi tới thông qua sự ràng buộc với mộtcổng port (thể hiện là một con số cụ thể), từ đó tiến hành kết nối giữa client vàserver Inter-process communication (IPC) là một cơ chế cho phép trao đổi dữliệu giữa các quá trình Bằng cách cung cấp một người dùng với một tập hợpcác giao diện lập trình, IPC giúp một lập trình tổ chức thực hiện hoạt động giữacác quá trình khác nhau IPC cho phép một ứng dụng để kiểm soát một ứngdụng khác, do đó cho phép chia sẻ dữ liệu mà không cần can thiệp

2.2 Tại sao người dùng lại cần đến socket

Ưu điểm lớn nhất của socket là hỗ trợ hầu hết các hệ điều hành bao gồm MSWindows, Linux,… Ngoài ra, socket cũng được sử dụng với nhiều ngôn ngữlập trình, gồm C, C++, Java, Visual Basic, Visual C++,… nên nó có thể tươngthích với hầu hết mọi đối tượng người dùng với những cấu hình máy khácnhau

Đặc biệt, người dùng cũng có thể chạy cùng một lúc nhiều socket liên tục, giúpnâng cao hiệu suất làm việc, cũng như tiết kiệm thêm nhiều thời gian và côngsức hơn

2.3 Socket hoạt động như thế nào.

Chức năng của socket là kết nối giữa client và server thông qua TCP/IP và

UDP để truyền và nhận giữ liệu qua Internet Giao diện lập trình ứng dụngmạng này chỉ có thể hoạt động khi đã có thông tin về thông số IP và số hiệucổng của 2 ứng dụng cần trao đổi dữ liệu cho nhau

2 ứng dụng cần truyền thông tin phải đáp ứng điều kiện sau thì socket mới cóthể hoạt động:

+ 2 ứng dụng có thể nằm cùng trên một máy hoặc 2 máy khác nhau

+ Trong trường hợp 2 ứng dụng cùng nằm trên một máy, số hiệu cổng khôngđược trùng nhau

3 Lập trình Socket trên Linux

3.1 Mô hình Client/Server

 Giới thiệu Client

Client là một thiết bị hoặc phần mềm chạy trên thiết bị có nhiệm vụ gửiyêu cầu đến máy chủ để truy cập các dịch vụ hoặc tài nguyên từ máy chủ.Chức năng chính của máy khách là tạo và gửi yêu cầu đến máy chủ để lấy

thông tin hoặc dịch vụ cần thiết, sau đó hiển thị hoặc sử dụng thông tin hoặcdịch vụ đó cho người dùng Các loại khách hàng phổ biến bao gồm: Trìnhduyệt web: Cho phép người dùng duyệt web và truy cập các trang web trêninternet Email client (Ứng dụng Email): Cho phép người dùng gửi và nhậnemail qua máy chủ email Máy khách FTP: Được sử dụng để truy cập và tảixuống các tệp từ máy chủ FTP (Giao thức truyền tệp) Máy khách cơ sở dữliệu: Cho phép người dùng truy cập và tương tác với cơ sở dữ liệu từ máy chủ

cơ sở dữ liệu

 Giới thiệu Server

Sever là một thiết bị hoặc phần mềm chạy trên một thiết bị có nhiệm vụcung cấp dịch vụ hoặc tài nguyên cho các thiết bị khác trên mạng Chức năngchính của máy chủ là lắng nghe và phản hồi các yêu cầu từ máy khách Máychủ cung cấp các dịch vụ, thông tin hoặc tài nguyên mà khách hàng yêu cầu,chẳng hạn như trang web, email, dữ liệu, dịch vụ in ấn, lưu trữ dữ liệu và nhiềuchức năng khác Các loại máy chủ phổ biến bao gồm: Máy chủ web: Cung cấpcác trang web và ứng dụng web để người dùng truy cập thông qua trình duyệt.Email server: Quản lý và chuyển email giữa các người dùng trên mạng Máychủ tệp: Lưu trữ và quản lý các tệp và dữ liệu để khách hàng truy cập và chia

sẻ Máy chủ cơ sở dữ liệu: Lưu trữ và quản lý dữ liệu trong cơ sở dữ liệu, chophép máy khách truy vấn và cập nhật dữ liệu

 Giới thiệu quy trình kết nối

Client – Server là mô hình phổ biến cho giao tiếp giữa 2 tiến trình/2máy, trong đó, tiến trình client kết nối đến tiến trình server để yêu cầu trao đổi

dữ liệu Client cần biết về sự tồn tại và địa chỉ của tiến trình server, nhưngserver không cần biết về sự tồn tại và địa chỉ của client cho đến khi kết nốiđược thiết lập Mỗi khi kết nối được thiết lập, cả 2 bên đều có thể trao đổi (gửi

và nhận dữ liệu) Để thiết lập một kết nối cho cả 2 phía, cần xây dựng mộtsocket Có thể hiểu socket như một điểm đầu cuối của kênh kết nối giữa 2 tiếntrình.Các hệ thống (linux, windows) đều cung cấp các hàm hệ thống để thựchiện thiết lập một socket

3.2 Sơ lược về Socket

Socket là điểm cuối end-point trong liên kết truyền thông hai chiều way communication) biểu diễn kết nối giữa Client – Server Các lớp Socketđược ràng buộc với một cổng port (thể hiện là một con số cụ thể) để các tầngTCP (TCP Layer) có thể định danh ứng dụng mà dữ liệu sẽ được gửi tới.

(two-Có 2 loại socket được sử dụng rộng rãi là: stream sockets và datagramsockets:

 Stream sockets: Dựa trên giao thức TCP (Tranmission ControlProtocol), là giao thức hướng luồng (stream oriented) Việc truyền dữ liệuchỉ thực hiện giữa 2 tiến trình đã thiết lập kết nối Giao thức này đảm bảo

dữ liệu được truyền đến nơi nhận một cách đáng tin cậy, đúng thứ tự nhờvào cơ chế quản lý luồng lưu thông trên mạng và cơ chế chống tắc nghẽn

Hình 1: Sơ đồ Stream sockets

 Datagram sockets: Dựa trên giao thức UDP (User DatagramProtocol), là giao thức hướng thông điệp (message oriented) Việc truyền dữliệu không yêu cầu có sự thiết lập kết nối giữa tiến quá trình Ngược lại vớigiao thức TCP thì dữ liệu được truyền theo giao thức UDP không được tincậy, có thế không đúng trình tự và lặp lại Tuy nhiên vì nó không yêu cầuthiết lập kết nối không phải có những cơ chế phức tạp nên tốc độ nhanh…ứng dụng cho các ứng dụng truyền dữ liệu nhanh như chat, game…

Hình 2: Sơ đồ Datagram sockets

3.3 Minh họa về lập trình Socket

Mô hình lập trình socket TCP giữa 2 tiến trình client và server như sau:

 Các bước thiết lập một socket phía client gồm:

 Tạo một socket bằng hàm socket()

 Kết nối socket đến địa chỉ của server bằng hàm connect()

 Gửi và nhận dữ liệu: Có một số cách khác nhau, đơn giản nhất

là sử dụng các hàm read() và write()

 Đóng kết nối bằng hàm close()

 Các bước thiết lập một socket phía server gồm:

 Tạo một socket bằng hàm socket()

 Gắn (bind) socket đến địa chỉ của server sử dụng hàm bind().Đối với server trên internet địa chỉ bao gồm địa chỉ ip của máyhost + số hiệu cổng dịch vụ (port number)

 Lắng nghe (listen) các kết nối đến từ clients sử dụng hàmlisten()

 Chấp nhận các kết nối sử dụng hàm accept() Hàm này sẽ dừng(block) cho đến khi nhận được một client kết nối đến

 Gửi và nhận dữ liệu với client (hàm read(), write())

có các phần cứng được mô phỏng bởi máy tính chủ

Oracle VM VirtualBox cho phép bạn thiết lập một hoặc nhiều máy ảo(VM) trên một máy tính vật lý và sử dụng chúng đồng thời cùng với máy tínhvật lý thật Mỗi máy ảo có thể cài đặt và thực thi hệ điều hành riêng của mình,bao gồm các phiên bản Microsoft Window, Linux, BSD và MS-DOS Bạn cóthể cài đặt và chạy bao nhiêu máy ảo bạn thích cũng được, hạn chế duy nhất làdung lượng ổ cứng và bộ nhớ RAM

 Lịch sử VirtualBox:

 VirtualBox lần đầu tiên được cung cấp bởi Innotek GmbH từWeinstadt, Đức, theo giấy phép phần mềm độc quyền, cung cấp một phiênbản sản phẩm miễn phí cho sử dụng cá nhân hoặc đánh giá, theo Giấy phépĐánh giá và Sử dụng Cá nhân VirtualBox (PUEL) Vào tháng 1 năm 2007,dựa trên tư vấn của LiSoG, Innotek GmbH đã phát hành VirtualBox OpenSource Edition (OSE) dưới dạng phần mềm miễn phí và nguồn mở

 Sun microsystems mua lại Innotek vào năm 2008 Tập đoàn Oracle đãmua lại Sun vào năm 2010 và đổi tên thương hiệu cho sản phẩm là “Oracle

VM VirtualBox”

 Tính năng VirtualBox:

Hình 4: Giao diện chính của VirtualBox

 Miễn phí: Oracle VirtualBox là phần mềm nguồn mở miễn phí

 Linh động: VirtualBox là nền tảng ảo hóa loại 2 Có nghĩa là máy ảođược tạo trên một máy chủ có thể dễ dàng chạy trên một máy chủ khác bằngcách sử dụng Open Virtualization Format (OVF), VM thì có thể export vàimport dễ dàng

 VM groups: VirtualBox cung cấp tính năng group Tính năng này chophép nhóm các máy ảo mình theo một group để dễ dàng quản lý Các tính

năng như start, close, reset, save state, shutdown, poweroff vừa áp dụngđược cho VM riêng lẻ vừa áp dụng được cả cho group.

 Guess additions: Đây là bộ công cụ được cài đặt trên hệ điều hànhmáy chủ ảo để cải thiện hiệu suất của chúng và để cung cấp tích hợp vớiVirtualBox cũng như giao tiếp với máy chủ

 Snapshots: VirtualBox cung cấp tính năng snapshot chụp trạng thái

VM Guest Khi có lỗi quá trình lab chẳng hạn bạn có thể quay ngược lạithời điểm ảnh chụp và hoàn nguyên VM

 Hỗ trợ phần cứng tuyệt vời: VirtualBox hỗ trợ SMP cho Guess, thiết

bị USB, hỗ trợ full ACPI, phân giải đa màn hình và boot mạng PXE

4.2 Ngôn ngữ lập trình C

Hình 5: Ngôn ngữ C

Ngôn ngữ C được gọi là “ngôn ngữ mẹ” của ngành IT, bởi chúng được

sử dụng như cơ sở, nền tảng chính dành cho những ngôn ngữ khác như: C++,C# & Java Do đó, khi học nhuần nhuyễn ngôn ngữ này thì việc chinh phụcnhững ngôn ngữ còn lại sẽ dễ dàng hơn rất nhiều

Ngôn ngữ lập trình C được sử dụng để viết ra những ngôn ngữ lập trìnhkhác như: JVMs, Kernels, C++, C#,… nhằm cung cấp chính xác các khái niệmcốt lõi, xử lý tập tin,… cực kỳ tốt Đồng thời ngôn ngữ lập trình C còn có khả

năng tạo ra hệ điều hành, các thiết bị phần cứng, hạt nhân, trình điều khiển,…trên máy tính – thiết bị điện tử vô cùng linh hoạt.

 Tại sao nên sử dụng ngôn ngữ C?

Hình 6: Những ưu điểm của ngôn ngữ C

 Ngôn ngữ C có tính hoạt động độc lập, đảm bảo tính ứng dụng linhhoạt cho người dùng nhờ vào khả năng thực thi nhanh chóng bởi các câulệnh điều khiển & nhiều khái niệm khác Bên cạnh đó, ngôn ngữ này còn cócấu trúc chia thành nhiều mô-đun nhỏ Người dùng có thể viết riêng biệt &tạo thành một chương trình C độc lập phục vụ cho quá trình kiểm tra, gỡ lỗi

& bảo trì website, ứng dụng, hệ thống,… cực tốt

 Trên hết tính năng vận hành của ngôn ngữ C giúp chúng có thể tự mởrộng thông qua các hàm khác nhau Đáp ứng tối ưu nhu cầu sử dụng củangười dùng tại nhiều hệ thống, chương trình, ứng dụng,… từ A-Z!

 Hiện nay có rất nhiều phần mềm lập trình ra đời nhằm đáp ứng nhucầu cho các lập trình viên Ngoài ra, có nhiều phần mềm giúp việc học vàlập trình ngôn ngữ C trở nên dễ dàng hơn, có thể kể đến như: Visual StudioCode, CLion, Visual Studio,…

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

I Phân tích yêu cầu và chức năng

1 Yêu cầu

 Xây dựng một chương trình tương tác giữa máy khách (client) và máychủ (server) trên hệ điều hành Linux bằng ngôn ngữ C

 Máy khách kết nối với server qua số Port và Address IP

 Máy chủ tiếp nhận yêu cầu từ máy khách và chấp nhận kết nối

 Máy khách và máy chủ kết nối với nhau và có thể tương tác và truyềnthông điệp cho nhau

2 Chức năng

 Máy khách (client) kết nối với máy chủ và gửi yêu cầu

 Máy chủ (server) kết nối được với máy khách và nhận được yêu cầuphản hồi

 Máy khách và máy chủ gửi được các đoạn văn bản và file cho nhau

II Thiết kế kiến trúc

Mô hình Client/Server là mô hình tổ chức trao đổi thông tin trong đó mô

tả cách mà các máy tính có thể giao tiếp với nhau theo một phương thức nhấtđịnh Phương thức này là một chiến lược tổ chức phân cấp mà trong đó có mộtmáy tính đặc biệt phục vụ các yêu cầu về lưu trữ, xử lý, tính toán tất cả cácmáy trên mạng Kiểu tổ chức tổng quát của mô hình này là một mạng LANđược thiết lập từ nhiều máy tính khác nhau, trong đó một máy tính gọi làServer Một chương trình client chạy từ bất kỳ máy tính nào trong mạng cũng

có thể gởi yêu cầu của mình đến Server, khi server nhận được các yêu cầu nàythì nó sẽ thực hiện và gởi kết quả về cho Client